高速列车进入隧道时活塞风和阻力的理论分析计算

1概述当高速列车正在驶入或驶出隧道时,列车车身在隧道内的长度是个变量,活塞风和空气阻力的计算方法与全部列车在隧道内行驶时是不同的。因此,活塞风和空气阻力应按非恒定流分三种情形进行计算:1.部分列车进隧道,即列车在驶入隧道的过程中列车前段已进隧道而列车后段在隧道外;     

地铁隧道活塞风的简化计算

地铁列车在隧道内运行时,会产生活塞风,这种空气流动主要沿隧道轴线方向,可视为一维不可压缩流动.通过对地铁单线无竖井隧道的空气动力学特性进行一维理论分析,初步得到了活塞风量和风压的简化计算方法.研究表明,隧道内活塞风速与列车速度成正比,活塞风压与列车速度的平方成正比,可将列车等效为风机,采用“等效风机”特性曲线方程和隧道阻力特性方程共同来确定活塞风量,并且可以将该方法应用到有竖井的单线隧道中.该简化计算方法的提出,为隧道内活塞效应的研究建立了理论基础.     

铁路隧道列车活塞风的理论研究与计算方法的探讨

随着我国铁路建设的快速发展,隧道列车活塞风的确定具有重要意义.本文从运动列车与隧道气流的功能转换出发,以列车作用段作为活塞风压源,利用流体力学的基本原理、基本方程和湍流半经验理论,分析、探讨了活塞风压力产生的机理,构成类别和列车、隧道长度及表面粗糙特性、阻塞比、行车速度等作用条件对活塞风的影响,提出活塞风压力和活塞风速度的计算方法.以实车的隧道空气动力学试验资料为参照进行对比计算,计算活塞风速度与实测结果较好符合.通过不同隧道长度、不同阻塞比和不同行车速度的系列组合计算,进行无量纲工况的综合分析,得出活塞风变化的一般特性.活塞风的计算方法和特性为活塞风的充分利用提供了重要依据.     

竖井对高速铁路隧道列车风的影响研究

根据三维不可压缩Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,以带有竖井的高速铁路隧道为研究对象,建立隧道-竖井-列车-空气三维数值模型,列车运行速度为350 km/h,研究高速铁路隧道竖井交叉结构段列车风的时程变化规律和空间分布特点,分析竖井面积、长度和交叉角度对列车风的作用效果,判定高速铁路单、双线隧道交叉结构段列车风最不利情况。研究结果表明:隧道线路上方典型位置处纵向列车风速度峰值分别是横向列车风和竖向列车风的4.4倍和2.6倍;列车车头经过隧道交叉结构段时,该位置纵向列车风形成涡流,单线隧道处其速度超过20 m/s;竖井会造成隧道交叉段45 m范围内的列车风速度大于一般结构段;高速列车经过单、双线隧道交叉结构段时,典型位置处纵向列车风的速度最大值分别为20.16和18.20 m/s。     

基于动态网格技术和离散相模型的地铁隧道活塞风特性及通风竖井井口污染物扩散研究

利用动态网格技术和DPM(离散相模型)技术,并使用控制变量法分析了地铁列车行车速度、阻塞比、通风竖井数量等因素对隧道内活塞风速度场分布规律的影响,以及不同竖井数量下井口释放污染物的扩散规律.结果 表明:隧道内活塞风速度场的分布情况及通风房间内污染物的衰减规律与试验数据基本一致;竖井风量和行车速度、阻塞比成正比,而与竖井数量无明显关系;活塞风速与行车速度、阻塞比成正比,而与竖井数量亦无明显关系;当井口释放污染物时竖井的数量越多,隧道内的污染越严重.     

双竖井铁路隧道活塞风非定常流动理论计算研究

针对既有竖井影响下活塞风理论计算研究的不足，基于连续性方程和伯努利方程建立双竖井铁路隧道活塞风非定常流动理论计算模型；将列车在双竖井铁路隧道中行驶的全过程分为4个阶段，分别推导各阶段隧道内活塞风非定常流动的理论计算式；通过模型试验和数值模拟2种方法，验证理论计算式的可靠性并进行修正。结果表明：随着列车与竖井相对位置的变化，隧道内与竖井内的风流关系呈动态变化，若按固定值计算会引起较大误差，而采用数值模拟方法可实现风流动态关系式的反推，达到修正理论计算式的目的；修正后的理论计算式精度较高，总体误差低于10%，适用列车速度范围为0～360 km·h-1；该理论计算式不仅可计算结构类似的铁路或地铁隧道活塞风速，还可推广应用于单竖井或多竖井（3个及以上）隧道。     

城市轨道交通隧道活塞风对折射率结构常数的影响

大气湍流对无线电波的传播有着重要影响。结合城市轨道交通隧道活塞风的运动特性以及折射率结构常数的计算方法,运用流体力学原理基本方程,推导出一种在隧道环境下的折射率结构常数模型。该模型主要输入参数为气温、湿度和活塞风速参量。通过对该模型的分析可知:活塞风对折射率结构常数的影响主要有阻塞比、列车速度、列车长度、隧道长度。其中阻塞比对其影响较大,其次为列车速度和列车长度,隧道长度对其影响较小。该模型为研究城市轨道交通环境下的电波的传播提供了理论参考。     

地铁隧道活塞风实测及特征分析

对西安地铁2号线某站上、下行线隧道以及活塞风道中的风速和温度进行监测,分析冬季最冷月和夏季最热月列车行驶过程中隧道与活塞风道内气流的运动特性及其动态变化规律。研究结果表明:对于安装有屏蔽门的车站,列车活塞风对隧道空间和活塞风道环境影响巨大,活塞风大小主要受室外与地下温度差异、隧道结构、列车运行状况、行驶空气阻力、空气与壁面之间的摩擦及列车会车情况等因素影响。     

高速列车过隧道时对接触网安全性的影响分析

为研究高速列车过隧道时对接触网系统安全性的影响,采用数值模拟的方法,利用滑移网格技术,对不同编组的高速列车以350 km/h的速度分别通过单线隧道和双线隧道的过程进行仿真,通过监测吊柱位置处的气流速度和气体压力,得到隧道内活塞风特性;基于气动特性仿真结果,对接触线风振响应进行模拟仿真,得到隧道内接触线位移偏量范围。结果表明,列车编组越多,隧道断面越小,列车车速越大,形成的列车风速度越大,气动特性越显著;列车进入隧道入口瞬间,接触线有最大正向位移偏量为2.92 mm。     

列车通过隧道时流场的二维数值模拟分析

利用计算流体动力学软件 Star-CD,建立了列车通过隧道时的二维动网格模型,模拟在不同车速下,隧道内活塞风和压力场的动态变化规律,并比较不同外形和运行速度时列车所受到的空气阻力.模拟结果表明:列车通过隧道时的运行速度越大,产生的活塞风风速越大,相对压力越大,列车所受的空气阻力越大;列车通过隧道内某一测量点时,活塞风风速会发生突降,活塞风最大风速在列车尾流中形成;车头到达隧道入口时,最大压力突增,并很快达到最大值,随后逐渐减小;车尾到达隧道入口时,车尾最小压力突降;车身在隧道内时,车尾的最小压力波动较小;流线形列车所受的空气阻力约为钝形列车的0.5~0.7倍.     

基于两车模型的地铁隧道活塞风对屏蔽门影响研究

为研究隧道活塞风对地铁屏蔽门的影响,通过分析活塞风形成机理,构建两车、两车站、三区间隧道的地铁隧道模型,利用滑移网格技术仿真模拟列车在隧道运行时引起的活塞风速度与压力,并提取所研究车站屏蔽门区域所受活塞风的压力值。通过对屏蔽门进行静力学分析,利用屏蔽门所受最大阻力来衡量屏蔽门开关能力。将仿真结果与南宁地铁1号线的实际故障进行对比分析,研究不同工况下活塞风对屏蔽门的影响。研究结果表明:所建仿真模型有效、合理,屏蔽门所受最大风压受列车运行速度、屏蔽门位置及风井布置模式的综合影响。研究成果可为屏蔽门故障诊断和智能运维提供理论参考。     

列车与隧道环隙空间流场特性的研究

列车通过隧道时,列车表面与隧道表面之间的环隙流场特性,是隧道空气动力学的一个重要内容,也是研究和解决隧道活塞风的主要依据之一.本文从管道湍流理论出发,认为环隙流动由两种流动组合而成:一是由环隙压力梯度产生的Poiseuille型粗糙区湍流;一是由列车表面曳力产生的 Couette型湍流.根据粗糙区管道湍流理论,利用镜像原理和相对运动原理,通过流动变换,建立Couette型湍流的基本关系;应用时均湍流性质和坐标变换方法,得出环隙组合流动规律;提出环隙流动的速度分布关系式和特征速度位置的关系式;确定与壁面剪切力密切相关的壁摩擦速度.本文的研究内容可为解决隧道活塞风问题提供参考.     

列车编组方式对运行空气阻力的影响

根据风洞试验结果，分析列车不同混编状况，不同头、尾部形状组合及列车编组长度等对运行空气阻力的影响，为合理确定列车编组方式提供了依据。     

明线上与隧道内高速列车流场结构及气动噪声源

基于成熟的明线上高速列车气动噪声计算模型和可压缩大涡模型,考虑声学无反射边界条件,利用计算流体力学软件Fluent建立无限长隧道内高速列车气动噪声计算模型,对比分析高速列车在明线上与隧道内运行时的流场组织结构和气动噪声源。结果表明:高速列车在明线上与隧道内运行时具有类似的流场结构和气动噪声源分布规律,但隧道内的流场结构尺度与强度、气动噪声源强度均比明线上大;车速为350 km·h-1时,隧道内头车排障器尖点扰动区的速度幅值约为明线上的1.2倍,列车尾流区长度约为明线上的1.7倍,整车、1位转向架、头车流线型车底及中间车上部的等效声源声功率分别约为明线上的3.2倍、1.6倍、2.7倍和4.2倍;隧道内活塞效应并不是在全频率范围增加等效声源声功率,而是在包含峰值频率较狭窄的频率范围显著地增加等效声源声功率。     

活塞风对地铁车站站台滑动门风压的影响

基于有限体积法建立了地铁车站三维静态数值计算模型,对列车阻塞隧道时站台滑动门所受的活塞风压进行了计算研究;分别对单、双两种活塞通风条件下,不同活塞风速、阻塞比、滑动门位置对滑动门所受风压的变化规律进行了分析。结果表明,双活塞通风能够有效减弱活塞风对滑动门的风压;单活塞通风条件下,滑动门在最不利位置时,需克服的最大风压约为230 Pa。     

不同外形列车过隧道实车试验的比较分析

随着列车运行速度的提高，隧道空气动力学问题越来越突出。2005年5月在遂渝线进行了高速列车过隧道试验，对列车和隧道内空气压力变化、隧道内列车风和隧道口微气压波等参数进行了测试。结果表明：隧道内列车风风速与列车运行速度成线性关系，并且与车头和车尾的外形、列车长度、隧道截面面积及其长度等因素有很大关系；隧道壁面压力近似与列车运行速度的平方成正比；同等速度条件下，钝头型的25T提速客车引起的隧道壁面压力变化幅值比流线型动车组的大38．6％；由于双层集装箱列车较高且集装箱间的间距较大，致使同等速度下引起的隧道壁面压力变化最大；隧道入口的压力变化明显大于隧道出口的压力变化，在隧道口附近，三维效应非常明显，且每种车型均不同。因此，将列车和隧道耦合起来设计出合理的隧道和列车截面形状，是减小隧道空气动力学效应的有效途径。     

京张高铁八达岭隧道及地下站活塞风效应研究

为分析高铁隧道及地下车站活塞风效应,采用经三维CFD数值模拟验证后的一维数值模拟计算方法,建立京张高铁八达岭隧道及半高安全门地下车站通风网络模型,计算不同工况下进出站人行通道风速,并评估通道内人员安全性。结果表明:一维数值模拟方法能准确预测咽喉区气流分布及通道风速;列车正常运营产生的活塞风直接影响站内气流,进出站人行通道内风速最高可达8.3 m/s;风速最大负值出现在两个区间分别有列车往隧道外以最大速度行驶时,风速最大正值出现在两个区间分别有列车以最大速度进站并在车站附近会车时;单车越行和两车会车时,通道内最高风速分别可达4.6 m/s和7.6 m/s;通过人员安全性分析,得到本模拟计算的通道内最大风速8.3 m/s在安全范围内,只是部分人员感觉不舒适。研究结果可用于高铁地下站通风系统的安全和舒适设计。     

近距离空间交叉盾构隧道列车振动响应特性研究

针对目前国内近距离空间交叉盾构隧道工程,采用拟合的列车振动荷载公式,考虑列车的行驶效应,通过在轮轴对上施加振动力时程曲线,同时给予轮轴一定的行驶速度来研究列车振动作用下空间交叉盾构隧道的动力特性。在特定列车行驶速度和围岩条件下,交叉位置对应上下隧道截面的应力和加速度情况进行分析,并对上下交叉隧道纵向不同位置的加速度时程响应进行研究。获得上部和下部隧道交叉截面第一主应力和加速度分布形态及其相对不同交叉净距的变化趋势,揭示了列车在隧道内行驶时,特定观测点出现明显动力响应存在一个对应的影响区,对比下部隧道交叉处(纵向中截面)位置点的加速度响应值与其左右各点相应加速度在数值大小和一阶频率上的区别。研究所得结论对高速铁路空间交叉盾构隧道的设计具有一定的参考价值。     

风向角对CRH2列车气动特性的影响研究

为研究不同风向角下高速铁路列车气动力特性,分析流线型列车周围流场结构差异对列车气动力影响,以高速铁路典型CRH2列车为研究背景,采用风洞试验和数值模拟相结合的研究手段对不同工况下列车气动力和流场结构进行分析.研究结果表明:测压和测力试验结果具有很好的一致性,数值模拟与风洞试验结果吻合良好,可用来分析风向角对列车气动特性...