高速列车通过高海拔大坡度隧道车内外压力波特性

为研究高速列车通过高海拔、大坡度和特长隧道下压力波的特性，基于一维可压缩非定常不等熵流动模型的广义黎曼变量特征线法模拟列车通过隧道时的车外压力，采用时间常数法计算车内压力；分别利用国外数值模拟结果和国内西成高铁实车试验数据，验证方法的合理性和准确性；以速度200 km·h-1的单列8编组高速列车为研究对象，分析列车通过4种海拔、5种坡度和4种长度组成的不同隧道时，车内外压力波动和最值的变化规律。结果表明：隧道内初始压力是影响车内外压力幅值的根本原因；车内外最大正、负压均随隧道海拔的升高而线性减小，随隧道坡度和长度的增加而线性增大；与下坡相比，列车上坡运行时车内的压力舒适性更为恶劣、气密性要求更高；列车上、下坡通过坡度30‰、进口端海拔4 500 m、长42 km隧道时，车外最大正、负压分别为9.85和-9.63 kPa，列车动态气密时间常数不应小于1 713 s。     

更高速度下京沪高铁列车整车时间常数动态气密性阈值初探

高速列车通过隧道产生的压力波带来了司乘人员的耳感舒适性问题。随着运行速度的提升,耳感舒适度问题日益严重。文中以京沪高速铁路隧道参数为研究背景,基于一维可压缩非定常不等熵流动模型的特征线计算方法,采用时间常数模型,结合国内舒适度标准和UIC标准,研究400km/h列车头尾车和中间车的整车时间常数动态气密性阈值的变化特性,并分析了隧道长度、列车速度和编组等参数对整车时间常数动态气密阈值的影响规律;研究结果表明:列车速度、隧道长度和动态时间常数气密值密切相关;单列车以400km/h通过隧道且满足国内800Pa/3s标准时,高速列车头尾车时间常数动态气密阈值应大于12s,中间车时间常数动态气密阈值应大于11s;满足UIC标准时,头尾车时间常数动态气密阈值大于24s,中间车时间常数动态气密阈值大于20s;两列车交会且满足国内800Pa/3s标准时,高速列车头尾车时间常数动态气密值应大于23s,中间车时间常数动态气密阈值大于22s;满足UIC标准时,头尾车时间常数动态气密阈值大于45s,中间车时间常数动态气密阈值大于42s。     

运行中地铁列车的车内外压力变化特性研究

通过对我国某型地铁列车进行隧道空气动力学实车线路试验,得到地铁列车实际运行过程中车内、外压力变化规律。试验结果表明:该型地铁列车车内压力变化满足我国地铁设计规范舒适度评价标准及美国地铁人体舒适度评价标准。地铁列车运行过程中,最长隧道区间的车内、外压力变化幅值明显大于其它隧道;列车以不同速度和模式运行中,车内1.0 s、1.7 s、3.0 s时的压力变化幅值和车外各测点压力变化幅值均不相同,车体表面测点压力变化由车头至车尾方向呈逐渐减小的趋势。     

80 km/h B型地铁列车隧道内运行空气动力学试验研究

为探明80 km/h B型地铁列车在隧道内运行时空气动力学效应,采用实车试验方法,在南宁某隧道直径为5.4 m的全地下线路开展空气动力学测试,分析列车在隧道内运行时,车内外气压波动情况以及车内耳压舒适度情况。研究结果表明：列车以80 km/h速度通过隧道内中间风井位置时,车内外压力波动剧烈,车外与车内测点峰峰值分别为1 452 Pa与923.4 Pa;列车在车内外压力波动剧烈时,车外各测点压力差异大,车内各测点压力差异小,车外各测点峰峰值的均方差值为车内各测点峰峰值的均方差值的9.6倍;列车在非风井区间运行时耳压舒适度良好,而在风井区间运行时有造成乘客耳压不舒适的风险。研究结果可为80 km/h速度等级地铁列车耳压舒适度的评估和改善提供参考。     

复兴号动车组车内压力波动关键因素耦合研究

高速列车过隧道时,会形成交变压力进而导致车厢内压力波动加剧,对旅客耳部舒适性产生严重影响。研究人员为了减缓车内压力波动,往往需要通过大量的实车试验获取车内压力变化规律,以确定列车过隧道时空调压力阀的开闭条件,但同时也导致了试验成本的急剧增加。因此,本研究旨在定量化建立各关键设计参数与车内压力波动幅值之间的联系,以节约相应的试验成本。首先,基于三维、非定常、可压缩的RANS方程与k-ε两方程湍流模型,采用数值计算方法揭示列车运行速度与隧道长度对车外压力波动的影响机制,并基于动模型试验验证了数值计算的可靠性。同时建立基于车体气密性指数的车内外压力理论转换计算方法,并基于实车试验验证了这一转换方法的准确性。最终,结合响应面法,提出以车内压力3 s变化率为响应值,以列车运行速度、隧道阻塞比和长度为设计变量的参数代理模型。基于这一模型,车辆技术人员通过输入列车速度、隧道阻塞比和长度等设计变量,即可得到车内压力变化幅值,为确定列车通过隧道时空调压力阀的开闭条件提供参考,从而节约试验成本。     

地铁车辆通过隧道时车内外压力波动特性研究

地铁车辆通过隧道时引起的车内外压力波动会对司乘人员造成不适感或危害。文章通过线路试验方法研究了地铁车辆通过隧道时车外压力和车内压力的波动特性,分析隧道截面及车速变化对车内外压力的影响。试验结果表明:隧道截面变化会导致车内压力与车外压力的波动,且车辆通过通风井时会产生明显的压力波动;司机室头车两侧侧窗车外压力变化趋势相同,司机室车内压力幅值大于客室压力幅值;列车分别以80 km/h与90 km/h运行时,90 km/h速度下的车外压力幅值与车内压力幅值均大于80 km/h相对应的数值,且均发生在列车进入隧道时,隧道截面变化时与通过通风井时。     

武汉市轨道交通16号线列车空气动力学现场试验分析

武汉市轨道交通16号线列车为时速120 km的密闭性地铁快线列车,采用压力波保护阀。文章通过开展武汉市轨道交通16号线列车空气动力学现场试验,分析了列车车内外空气压力变化规律,并测试了压力波保护阀的执行效果,最后评估了列车运行时交变气压波动下的车内压力舒适度及动态密封指数。结果表明:列车通过变截面时车内压力变化幅值相比车外压力变化幅值减小40%～70%;列车运行过程中压力波保护阀执行到位;车内压力舒适度及列车动态密封指数均满足标准要求。     

快速地铁列车过隧道压力变化特性实车试验研究

为研究快速地铁列车在隧道内运行时的“列车-隧道”耦合空气动力特性，在杭海城际铁路开展实车试验，分别对列车以100 km/h与120 km/h的速度通过隧道时的车内外压力变化情况进行研究，计算压力峰-峰值、3 s压力变化幅值与1.7 s压力变化幅值，对比列车进隧道与出隧道过程中车内外压力变化情况，分析不同车辆编组位置与不同列车运行速度对车内外压力变化的影响，研究空调机组状态与车内压力变化幅值之间的关系。研究结果表明，快速地铁列车进出隧道过程中压力变化幅值相近；列车进入隧道并在隧道内运行时，尾车车内压力变化速率最快，车外压力峰-峰值从头车向尾车逐渐减小，而车内压力峰-峰值沿车长方向基本不变；当列车速度不同时，车内外压力对比应在无量纲时间下进行，随着列车速度的增大，车内外压力峰-峰值增大，压力变化速率加快；关闭空调机组可以显著减小车内压力变化速率，可为乘客舒适性研究提供参考。     

编组长度对高速列车表面交变压力载荷的影响

基于标准κ-ε双方程湍流模型,采用滑移网格方法,对不同编组长度(3车编组,4车编组,5车编组和8车编组)高速列车明线交会以及于各自最不利长度隧道通过和交会工况进行模拟,并对车体表面产生的交变压力载荷进行研究。数值计算结果和实车试验结果进行对比,波形吻合度高,误差不超过6%。研究结果表明:列车明线交会时,列车压力波尾波幅值由3车编组到8车编组减小11%;列车于各自最不利长度隧道通过和交会时,编组长度不改变列车车体表面压力波变化规律,但对幅值有较明显影响;列车通过隧道时压力波峰峰值由3车编组到8车编组增大14.0%,列车于隧道中心处交会时该值增大26.4%。     

高速地铁隧道区间风井扩大段压力突变机理试验研究

针对高速地铁列车通过隧道区间风井扩大段时引起的乘客耳感不适，依托某带隧道风井的地铁线路区间及设计时速120 km的8车编组地铁列车，以ATO运行模式开展实车试验；在确保试验可重复性的基础上，探究列车站间运行时各车厢内外压力变化规律，分析区间风井扩大段引起车内外压力突变的原因。结果表明：车头和车尾先后高速通过风井段时，相当于经历了隧道断面面积先扩大再缩小的变化过程，会形成类似于车头和车尾驶出和进入隧道洞口的物理现象，车头、车尾通过区间风井扩大段会导致车外压力的上升、下降，此时产生的压力突变是导致耳感不适的主要原因；尾车至头车的车外压力正峰值和负峰值全程呈上升趋势，头车和尾车压力变化峰峰值接近，分别为1 617和1 723 Pa,5车压力变化峰峰值最小，为964 Pa；列车通过区间风井扩大段时，车内压力变化幅值受运行速度的影响较大，速度为113 km·h^-1时，任意3和1 s内的车内压力变化幅值均超过相应标准中的耳感舒适性要求。     

高速磁浮单线隧道车体压力载荷特征

高速磁浮列车通过隧道过程中将引起剧烈的压力波动,造成司乘人员耳感舒适性、车体及其零部件、隧道衬砌及辅助设施的气动疲劳寿命问题,有必要对磁浮列车高速通过隧道时压力波效应进行研究。采用一维可压缩非定常不等熵流动模型和广义黎曼变量特征线法对单列车通过隧道时车体压力载荷进行数值模拟研究,初步揭示隧道长度、列车速度、阻塞比对车外压力波的影响规律;得出时速500~600 km/h速度下基于最大正负值和最大压力峰峰值的最不利隧道长度;论证了列车通过隧道产生的压力波幅值与列车速度平方成正比的适用范围,总结了压力最值与速度的拟合关系式。本文研究方法和结果可为车体设计选用气动载荷提供参考依据。     

高速列车车内压力波动值计算方法初探

高速列车在隧道内运行时，车外的压力变动会引起列车车内压力的变动，从而带来乘客感觉舒适性问题。为解决这一问题需要采取压力保护等措施，而计算列车车内压力波动是必不可少的基础性工作。利用流入流出单节密封车厢的流量关系，以连续换气方式和截止阀方式为例，模拟了列车在安装这两种装置时隧道单车压力波与会车压力波条件下的车内压力波动规律，验证了计算方法在计算车内压力方面的有效性。     

高速空调客车通过隧道时车内压力波数值方法初探

高速列车通过隧道时会带来乘客舒适性问题。现利用流入、流出相邻两节密封车厢的流量关系,发展了高速空调客车车厢在彼此隔离条件下车外压力引起的车内压力计算方法,模拟了客车在加装风量调节式控制系统时隧道单车压力波与会车压力波条件下的车内压力波动规律,验证了该类系统减缓车内压力的有效性。     

地铁中间风井前变速运行对乘客舒适性影响

地铁高速通过隧道中间风井,列车车体内外都会产生较强的压力波动,严重时会影响司乘人员舒适性.采用数值计算方法对地铁列车变速通过中间风井的气动效应进行数值模拟,研究不同参数对车体表面压力分布规律,并以车内压力变化率和3 s内压力变化评价标准评估车内乘客舒适性.研究结果表明:距离中间风井100 m处变速车体表面测点压力峰峰值均大于变速位置为200 m和300 m时对应的测点压力峰峰值,分别大4.68％和6.46％.将车速120 km/h降为100 km/h,变速位置为300 m时分别比变速位置为100 m和200 m时车内压力变化少10.72％和5.07％.列车在中间风井前200 m以上减速至100 km/h以下,能明显缓解通过风井时车内压力变化,满足车内乘员舒适性要求.     

基于流固耦合的隧道压力下车体变形对车内压力的影响分析

当高速列车通过隧道时,隧道压力波通过车体变形、密封缝隙和换气风道引起车内压力变化,造成乘客不适。为探明由车体结构变形这单一因素引起的车内压力波动情况,构建了完全密封的车体结构和车厢结构模型,基于STAR-CCM+/Co-Simulations模块,仿真计算了高速列车以350 km/h的速度通过隧道时车体结构的振动位移情况、车内压力变化和车内压力变化率,并与气体状态方程理论数值模拟计算对比。结果表明,车门的振动位移最大;基于流固耦合理论和理想气体状态方程的2种数值模拟方法的结果误差为16.8%,相互验证了计算结果的可靠性;车内压力与车体内的容积成反比,车内最大负压为195.3 Pa,车内压力3 s变化率小于203.1 Pa/(3 s),车内压力1 s变化率小于149.6 Pa/s,满足舒适性要求,为建立多因素耦合作用下的车体模型研究提供帮助。     

时速120 km地铁列车气密性设计与试验

以某时速为120 km速度等级的地铁列车为研究对象，基于密封指数及静态和动态密封指数的定义，采用仿真分析和实验室试验的方法并结合相关标准指标要求，对整车进行气密性设计与试制；通过现场空气动力学试验，对整车全线运行及通过短桥隧和人防门时的车内外压力变化情况及车内压力舒适度和动态密封指数进行分析。结果表明：车体和车门对整车静态气密性影响比例之和为90%以上，设计试制时须重点关注车体和车门的密封性能；列车全线运行时压力变化剧烈位置为短桥隧和人防门2处变截面位置，列车通过时头车车内的3 s内压力变化幅值较车外减小43%～67%，列车具有良好的气密性；列车全线运行时车内压力舒适度满足行业相关标准要求，但列车通过人防门时动态密封指数不满足行业相关标准要求，这与该处人防门设计的合理性和相关标准对地铁列车动态密封指数要求的合理性有很大的关系。     

不同运行方式对高速地铁气动效应的影响

为了研究时速140km/h高速地铁列车以不同运行方式在隧道中运行时的气动效应,采用三维、可压、非定常N-S方程的数值计算方法,对地铁列车由明线驶入隧道及站间运行时产生的气动效应进行数值模拟,分析不同运行方式对高速地铁隧道气动效应的影响。研究结果表明:列车站间运行时,车体表面测点压力峰峰值沿车长方向基本不变;而列车由明线驶入隧道时,车体表面测点压力峰峰值从头车向尾车逐渐降低。2种运行方式下的隧道壁面测点压力峰峰值均在中间风井处达到最小值。并且列车由明线驶入隧道时的最大车体表面和隧道壁面压力峰峰值分别为列车站间运行时的1.37倍与1.49倍。不同列车密封指数下,列车由明线驶入隧道时的车内压力变化均大于列车站间运行时的车内压力变化。因此,地铁列车由明线驶入隧道时的空气动力学效应比站间运行时更加不利。     

地铁列车通过隧道时的气动性能研究

列车通过隧道时引起的空气动力效应会对列车运行的安全性、乘客乘坐的舒适性等产生不良影响。基于列车空气动力学理论,采用计算流体力学软件FLUENT对某型号地铁车辆通过最不利长度隧道时的空气动力学性能进行数值模拟,得到并分析了地铁列车和隧道壁面监测点的压力时程曲线和分布特征。研究表明:车体表面压力峰峰值、3 s内车内压力波动最大值及隧道内附属物压力峰峰值,与列车速度的平方近似成线性关系;隧道断面净空面积越小,车体承受的压力越大;地铁列车通过隧道时需限速,以达到人体舒适性评价标准。     

高速列车在隧道内和明线上交会时气动性能对比分析

建立了高速列车在隧道内和明线上交会的数值计算模型。利用有限体积法求解三维、可压、非定常N-S方程和k-ε两方程湍流模型,通过滑移网格技术实现列车的相对运动。分析了列车在隧道内和明线上以350 km/h等速交会过程中车体表面压力、气动荷载的变化规律。研究发现:列车在隧道内交会时,其车体表面压力比在明线上交会时约增加6 kPa,且车体表面压力的波动幅值是明线上交会时的2倍;交错车体表面的负压值比未交错表面的负压值大1.5kPa;气动力(矩)比在明线上交会时略小;头车、尾车气动阻力的变化规律与单车过隧道时相似,但阻力的变化峰值约是单车过隧道时的2.5倍。     

高速列车通过短隧道群空气动力学效应分析

针对高速列车通过短隧道群所引起的空气动力学效应问题,利用计算流体力学软件Fluent进行了仿真分析。对列车以不同时速通过不同间距的短隧道群时车体表面及隧道中断面的受力情况进行了研究。结果表明:列车通过短隧道群时车体表面最大负压比通过单隧道时大131%,出现在隧道间距与列车长度相当时;随着速度的增大,车体表面的压力变化幅值增大,且车体表面的压力幅值近似与列车运行速度的平方成正比;列车通过短隧道群第1座隧道时隧道中断面压力变化幅值与通过单隧道时接近,通过第2座及第3座隧道时隧道中断面的压力幅值比通过单隧道时增大,且在隧道间距25~100 m时压力幅值随隧道间距增加而增大。