基于一维流动模型的高速列车隧道交会空气阻力数值模拟研究

应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,考虑列车交会诱发的空气压力和流速变化,提出高速列车隧道交会空气阻力的计算方法。研究中国标准动车组CR400AF隧道交会列车空气阻力变化规律,分析列车交会位置、隧道长度、阻塞比、列车运行速度和列车长度对列车空气阻力的影响。结果表明:在研究隧道内列车空气阻力和列车周围气流流动时必须考虑压缩波和膨胀波的传播方向,交会位置对平均列车空气阻力的影响较小;在隧道中央等速交会时,列车空气阻力随隧道长度、阻塞比和车速增大而增大,且这3者的影响程度依次增大;平均列车空气阻力与车速的2次方近似成正比,与阻塞比的0.67～0.75次方成正比,与隧道长度的0.01次方成正比;时速300～400km等级16辆编组高速列车的平均列车空气阻力约为8辆编组的1.65～1.70倍。     

基于压缩波理论隧道内动车组表面压力极值研究

采用计算流体力学软件FLUENT,在建立3种型号动车组通过隧道和隧道内交会时的空气动力学模型并验证的基础上,分析动车组以不同速度等级在不同净空面积隧道内通过和等速交会时车体表面压力极值;在仿真计算基础上,基于压缩波理论计算公式,给出动车组隧道内通过和等速交会时车体表面压力极值的修正因子。结果表明:仿真计算结果与实车试验结果吻合较好,空气动力学模型能够较准确地反映动车组隧道内通过和等速交会时的压力波变化规律;3种型号动车组隧道内通过和等速交会时,车体表面压力极值均与隧道净空面积成幂指数关系(幂指数约为-1),与车速的平方成正比;动车组隧道内通过和等速交会时,车体表面压力极值的修正因子分别取2.24和5.79。     

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。     

京沪高速铁路隧道有效断面适应性研究

研究目的:针对京沪高速铁路隧道,采用一维、非定常、可压缩流动模型和特征线法,通过数值计算方法,对于净空面积为100 m2的隧道,选取不同的隧道长度、列车长度、列车速度等参数对单、双线隧道瞬变压力的影响进行了敏感性分析,从而探讨隧道净空面积为100 m2时的适应性。研究结论:结合国内压力波容许标准和UIC标准进行的比较分析结果,给出了京沪高速铁路隧道内列车高速运行的密封时间要求,并建议隧道内会车时,列车速度应低于350 km/h。     

高速铁路隧道压力波动主要影响参数研究

利用所研制的预测列车进入隧道时引起的列车和隧道环状空间的压力波动软件,计算了流线型列车及隧道主要参数对环状空间3s内最大压力变化的影响。结果显示所有影响因素中,速度和阻塞比对压力变化的影响最大。得出单线隧道单列列车通过时,在速度不大于250km·h-1,3s内最大压力变化与列车速度的平方成正比,但速度超过250km·h-1时,压力对速度的依赖关系有所缓和。分析认为在3s内最大压力变化随阻塞比非线性地变化。研究表明列车长度对头部压力变化的影响较小,但对尾部压力变化有明显影响;隧道内会车压力波在3s内变化量随会车位置不同有明显区别,两列车在隧道长三分之一处交会最为不利。     

高速列车隧道交会最不利长度实车试验研究

根据隧道压力波传播和叠加理论的分析,分别在两条350km/h等级线路上进行了多个速度级的列车隧道通过和隧道交会的实车试验。结果表明:实车监测压力波特性与一维压力波传播与叠加理论分析相一致,两列列车的车外正压与正压和负压与负压均充分叠加;速度为300km/h时列车隧道交会最大压力变化比是隧道通过的1.98倍,隧道长度越接近最不利长度时压力波叠加更充分。     

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。     

基于空气动力学的客货共线铁路隧道内轮廓面积优化探讨

与常规铁路隧道不同,客货共线铁路隧道内轮廓有效净空面积大小尚应考虑列车类型、车辆密封性和旅客舒适度等因素,通过对速度160km/h、200km/h的普通旅客列车和动车组交会时空气动力学效应仿真分析,结合我国目前列车车辆密封性性能情况,提出新建客货共线铁路隧道适度标准按照1.25 kPa/3s控制,当普通旅客列车密封指数达到2s,时速200km双线隧道内轮廓有效净空面积可优化至76m~2。     

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。     

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。     

高速列车隧道内等速交会对车辆动力学性能的影响

基于风压载荷空气动力学控制方程,利用计算流体力学软件FLUENT,分析高速列车在不同线间距隧道内,以不同速度级等速交会时的车体表面风压和受到的气动力;将隧道内交会时受到的气动力以时程荷载的形式施加到车辆动力学模型中,分析其对各项车辆动力学性能的影响规律,并进行安全性和平稳性指标分析。结果表明:列车在隧道内等速交会时,头车所受的气动阻力、升力、横向力最大;高速列车表面所受的风压极值与速度的2.2~2.3次方成正比,所受的气动阻力、升力、横向力与速度的1.8~2.4次方成正比;隧道内高速交会对车辆安全性指标影响不大,仅在交会瞬间产生较大的车体横向振动,当运行速度达到400km·h^-1时各项安全性、舒适性指标均满足限值要求。     

磁浮列车气密性能对隧道净空面积的影响

系统地探讨了车辆气密性能对隧道净空面积的影响规律。计算了不同气密性能的TR型磁浮列车,以不同运行速度通过不同长度的单线隧道时的压力波,并根据德国及ERRI的隧道与列车内压力波容许标准,确定了所需的隧道净空面积。     

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%。     

列车交会压力波与运行速度的关系

随着列车速度的提高,列车交会时产生的瞬态压力冲击对行车安全、旅客舒适性均产生严重影响。根据多次实车试验结果和理论分析,将列车交会分为列车静止交会、等速交会和不等速交会3种工况,研究了3种工况的列车交会压力波与运行速度之间的关系,得到一系列回归关系式。研究结果表明:静止列车上的压力波与交会列车运行速度的平方成正比;两列车等速交会时,列车上的压力波幅值与两交会列车的运行速度和相对速度的平方成正比;两列车不等速交会时,高速列车承受的压力波幅值小于与之交会的低速列车所承受的压力波幅值;两列车等速交会时的压力波大于一方列车静止时交会的压力波。     

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。     

高速铁路隧道空气动力效应对水沟盖板稳定性的影响研究

采用数值模拟方法,对高速列车在隧道内运行过程中所产生压力变化过程和分布特性进行分析;计算列车运行过程中隧道内不同位置最大负压;探讨隧道内列车运行负压作用下水沟盖板稳定性计算方法;确定盖板不同漏气面积下密封指数;分析不同行车工况及不同漏气面积条件下水沟盖板稳定性。结果表明:隧道内水沟盖板承受正负交替压力,其中负压峰值较大,对水沟盖板稳定性影响显著。水沟盖板提升量随盖板顶面漏气面积减小而明显增大。当盖板漏气面积小于5cm2时,盖板稳定性不能得到保证。我国目前高速铁路隧道水沟盖板在350km/h会车工况下,盖板提升量不大于0.6mm,列车通过时盖板会出现响动。可适当增大隧道内水沟盖板手孔尺寸以减小这种响动。     

侧风下高铁列车交会运行时车—桥耦合振动

采用流体力学计算软件FLUENT和动网格技术建立侧风下2列3节列车交会的气动力计算模型,通过自编UDF程序实现列车交会运动,分析列车交会过程中的气动力。根据列车中间车厢气动力的相似性扩展得到2列8节列车交会的气动力时程,将列车真实非定常的气动力以力元的方式加载到由有限元软件ANSYS和多体动力学软件SIMPACK联合建立的高速列车—多跨简支梁三维动力分析模型中,进行侧风下高速列车交会运行时车—桥耦合振动研究。结果表明:列车交会气动力对列车轮轴横向力、脱轨系数以及竖向加速度的影响较小,但会增大列车的轮重减载率,并显著增大列车的横向加速度;侧风显著增大列车的轮重减载率、轮轴横向力和脱轨系数;列车轮重减载率是控制列车车速阈值的控制因素;列车交会气动力对列车运行安全性的影响不应忽视,在[0,15),[15,20)和[20,25) m·s~(-1)风速的侧风下,列车车速阈值分别为350,275和200 km·h~(-1)。     

考虑经济性的高速铁路隧道气动效应关键参数优化方法

以某预留400 km·h^-1速度条件的高速铁路为研究背景，基于代理模型和优化思想，从系统设计层面提出考虑经济性的高速铁路隧道气动效应关键参数优化方法。首先，采用流体力学软件建立隧道气动效应数值模型，并基于列车以300 km·h^-1速度通过隧道的实测数据，验证数值模型的有效性；然后，以隧道净空面积和车辆动态密封指数为变量，依托既有350 km·h^-1高速铁路数据，构建列车以400 km·h^-1速度通过隧道时车内气压变化3 s极值的Kriging代理模型；最后，以建造成本为目标函数，构建考虑经济性的高速铁路隧道气动效应关键参数优化模型，设计布谷鸟搜索算法，求解满足舒适度标准的最优隧道净空面积和车辆动态密封指数。结果表明：代理模型预测的相对均方根误差为0.59%、相关系数为0.999 9，能够精确描述车内气压变化3 s极值与车辆动态密封指数、隧道净空面积的非线性关系；对于400 km·h^-1高速铁路，建设成本最小时隧道净空面积为100 m²、车辆动态密封指数为1...     

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。     

高原动车组主动压力保护技术分析研究

列车驶入隧道时会产生剧烈的压力波动，对车内人员的耳感舒适性有重要影响。在高海拔、大坡度环境下，车内外压力变化还要叠加海拔变化的影响，车内人员的耳感不适性问题将更加复杂。文章采用一维可压缩非定常不等熵流动模型黎曼变量特征线法和考虑连续换气风机工作的车内压力计算方法，分别在隧道单列车通过和中央等速交会情景下进行了车内外压力变化特征研究，并基于国内高速列车主动压力保护技术，对比了采用高静压风机和低静压风机的车内压力保护效果，最后结合UIC标准和国内民航舒适性标准限值进行了车内压力舒适性评价。研究表明，高静压风机对车内压力瞬变的抑制作用明显优于低静压风机，低静压风机车内每1 s、3 s和10 s内最大压力变化量分别高于高静压风机约100%～600%,且350 km/h速度等级列车的高静压风机对车内压力抑制作用略优于250 km/h速度等级列车。