CRH3高速列车隧道压力波特性浅析

高速列车通过隧道会引起较大的车内外压力波动,带来乘客舒适性问题和车体较大的气动疲劳载荷.与常规速度的列车比较,隧道压力波是高速列车车体设计和通风系统设计中所必须要考虑的问题.基于已研制的一维可压缩非定常不等熵流动和广义黎曼变量特征线数值计算程序,给出了CRH3高速列车单车通过隧道和两列车隧道交会过程中隧道内压力波和车外压力波的形成过程,分析了同一编组上不同车厢车内外压力和压差的变化规律,以及8节车辆和16节车辆两种编组长度对车内外压力和压差的影响特征,得出了会车压力波变化比单车压力波变化更加剧烈,建议今后以隧道内会车工况为研究内容,研究车内外压力和压差的变化,确定最恶劣的会车工况和车内外压力和压差,为列车设计提供依据.     

基于气动声学理论的喇叭型隧道缓冲结构优化

为了有效缓解隧道空气动力学效应导致的声爆现象,基于气动声学理论,对带喇叭型缓冲结构的隧道入口参数进行了优化。采用Green函数求解气动声学FW-H方程,得到了隧道内初始压缩波波前的压力和压力梯度,并根据喇叭型缓冲结构的特点,对缓冲结构的横断面积函数、入口断面积和长度进行优化设计。优化结果显示:隧道内压力梯度峰值随缓冲结构长度的增大而逐渐减小;考虑经济性因素,喇叭型缓冲结构的优化长度为10倍的隧道半径,优化缓冲结构的横断面积函数、入口断面积后,可使压力曲线成线性变化,压力梯度峰值降低63.9%,可避免入口处压力突变,缓解了声爆等微压波现象。      

时速600公里磁浮列车隧道初始压缩波洞内传播特征和洞口微气压波特征

基于三维数值模拟方法，采用一维可压缩非定常不等熵流动模型和改进广义黎曼变量特征线方法，在隧道入口端未设置以及设置开口型缓冲结构条件下，分别研究了初始压缩波在隧道洞内的传播及洞口(默认为出口)的微气压波特性。研究结果表明:隧道入口设置开口型缓冲结构与无缓冲结构相比，其产生的初始压缩波的最大压力梯度下降了67.56%；初始压缩波在隧道内的传播过程中存在先激化后衰减的过程，其中未设置缓冲结构和设置开口型缓冲结构的临界长度分别为2和6 km，而满足微气压波控制标准的临界隧道长度分别为33和34 km；虽然开口型缓冲结构可较大幅度降低初始压缩波的最大压力梯度，但是对于长大隧道而言，由于传播过程中压缩波不断激化，开口型缓冲结构实际上对减缓微气压波的作用存在较大幅度的弱化，建议还应采取如竖井等工程措施以减缓激化；缓冲结构对不同隧道长度的洞口内压缩波的最大压力梯度的影响不同，所以需要结合不同类型缓冲结构和长度等因素来确定对应的最佳隧道长度匹配关系。      

隧道内高速列车会车压力波的数值模拟方法

首次根据一维、可压缩、不等熵非定常流体流动理论以及广义黎曼变量特征线法发展了高速列车在隧道内会车所引起的隧道内空气压力瞬变的数值方法。验证计算表明：本文所提出的隧道内会车压力波计算方法是合理可行的。可为今后进一步研究高速列车隧道内会车压力波提供基础。     

隧道结构对高速列车穿行过程气动特性的影响

以CRH2型高速列车穿行隧道过程的气动特性为研究对象,建立了列车模型及具有不同缓冲结构、不同阻塞比的隧道计算模型,并与相同工况下的模型实验进行对比,验证了仿真模型的可行性.以kε-湍流模型为基础,对高速列车以不同速度进入具有不同缓冲结构、不同阻塞比的隧道时的外流场进行了仿真模拟.分析了列车在进入隧道时压缩波的产生机理,得到了列车表面风口在车体进入隧道过程中的压力波动情况.仿真结果表明：隧道缓冲结构的缓冲性能按抛物线型、线性、不连续性的顺序依次减小;压力值随阻塞比增大而线性减小.由此提出了减小列车进入隧道时表面压力波动的方法.     

高速列车隧道会车压力波的数值模拟

采用一维可压缩不等熵非定常流体流动理论的和广义黎曼变量特征线法发展了高速列车在隧道内会车所引起的隧道内空气压力瞬变的数值方法，并根据该方法计算、列车隧道内三种不同位置的会车压力波瞬变规律，结果表明，该方法可作为我国高速铁路单复线隧道设计参数选择的研究，为今后进一步研究隧道内会车引起乘客舒适性等问题提供基础和依据。     

中国高速铁路隧道气动效应研究进展

论述了现场实车试验、数值仿真计算和室内模型试验等高速铁路隧道气动效应的研究方法,分析了隧道气动效应的影响因素,系统研究了动车组通过隧道及交会条件下车体内和隧道内瞬变压力与洞口微气压波随速度的变化规律、缓冲结构的设置条件、隧道附加阻力的计算方法、隧道内辅助设施所承受的气动荷载要求以及长大隧道远程测试控制技术和隧道内精确交会控制方法。研究结果表明:高速列车通过隧道引起的气动效应直接影响到列车运行的安全性、乘员舒适性以及隧道周边的环境,是高速铁路隧道设计中必须解决的关键技术问题;建议提出适合中国国情的隧道内复合型舒适度、微气压波标准,开展多孔吸能材料、洞口缓冲结构、减压竖井、横通道设计等减缓措施研究。     

缓冲结构减缓高速铁路隧道出口微压波数值比较

研究了高速铁路隧道出口微压波产生机理,结合一维可压缩非定常不等熵空气流动理论和无限大障板圆形活塞辐射理论,应用数值计算方法研究了不同形状缓冲结构条件下高速铁路隧道出口附近微压波规律。通过对缓冲结构形状以及各种参数计算结果进行定性与定量对比,发现对于截面积变化的线型、抛物线型和不连续型缓冲结构,随着长度和端口截面积增加,隧道出口附近微压波强度衰减较大,其中不连续型缓冲结构综合效果最佳;而截面积为常量,具有开孔的缓冲结构,虽然也可较大幅度降低隧道出口附近微压波强度,但是需要综合比较才能选取最佳结构参数。     

高海拔地区高速铁路隧道空气动力学特性

为了获得高海拔地区隧道空气动力学效应随海拔高度的变化规律,针对我国中西部及西南部艰险困难山区高海拔低温的气候特点,给出了高速列车进入隧道时产生压缩波的三维可压缩、粘性、非定常流场数值模拟方法,对高速列车进入低气压隧道时产生的气动效应进行研究.研究结果表明:隧道所处海拔高度的变化对隧道内压缩波及隧道出口微气压波的影响较大,随着海拔的升高,大气压的降低会导致隧道内压缩波及隧道出口微气压波的最大值及最小值呈线性降低,降低幅度分别为70%和71%,而大气压的变化对测点压力波形无影响;随着温度的降低,隧道内的压缩波及隧道出口微气压波的最大值及最小值均降低,降低幅度分别为34%和36%,基本呈线性效应;海拔高度的变化对隧道内及隧道外气动效应的影响比温度的大.针对我国高海拔地区的气候特点,根据旅客的舒适度准侧,提出了CRH380B型高寒列车在列车速度为350 km/h、气压为75.99 kPa及气体温度为250 K时的隧道净空断面积约为96 m2,可为下一步高海拔低温条件下高速铁路隧道净空断面积的设计提供参考.      

隧道长度对高速铁路地下车站空气动力学效应的影响研究

将高速铁路车站引入城市地下,必然面临车站内的空气动力学问题。探讨了隧道长度对车站内瞬变压力等气动效应的影响规律,在分析了站内压力不利叠加时机的基础上,推导了与隧道长度有关的地下车站内瞬变压力不利叠加的判别式,并对不同隧道长度下列车通过地下车站进行了数值模拟,验证了理论分析结果,探讨了影响站内气动环境的不利隧道长度。     

时速600 km磁浮列车驶入隧道时初始压缩波特征的数值模拟

为分析高速磁浮列车驶入隧道时产生的初始压缩波特征, 采用三维可压缩非定常流动的N-S方程和SST κ-ω湍流模型, 基于重叠网格法和有限体积法, 以国内正在研发的时速600 km高速磁浮列车头型为研究对象, 建立了高速磁浮列车驶入隧道的计算模型, 通过分析距隧道进口端内不同距离横截面上不同测点的压力及压力变化率, 得到了车头驶入隧道洞口初始压缩波的空间分布特性和传播特性, 以及不同速度对初始压缩波波动幅值的影响。研究结果表明: 初始压缩波在列车驶入隧道前开始形成, 形成初期具有三维特性, 在隧道截面同一高度上, 靠近车体一侧的初始压缩波压力要比远离车体一侧大; 在隧道截面同一侧, 靠近车体一侧高度越低, 初始压缩波压力越大, 而远离车体一侧初始压缩波压力与高度无关; 当列车驶入隧道一定距离后, 在列车头部前方约36 m处隧道内同一断面处压力相同, 初始压缩波由三维波变成一维平面波; 在列车流线型头部驶入隧道约0.15 m时, 位于隧道300 m测点处的初始压缩波的压力变化率达到最大值; 列车速度越高, 初始压缩波压力峰值越大, 位于隧道100 m处测点的初始压缩波的压力峰值与列车速度的2.5次方近似成正比, 压力变化率峰值与速度的3次方近似成正比。      

深埋式桩板结构桥-隧过渡段动力响应特征分析

为了解深埋式桩板结构桥-隧过渡段的动力特性及过渡性能,在沪昆高铁某工点过渡区（含隧道口、过渡段及桥台）开展现场动力响应测试,分析不同车型、车速及行车方向等工况下过渡区的动力响应分布规律;并建立考虑车辆-轨道-路基耦合振动数值模型,研究过渡区的线路平顺性及桩板结构过渡段的动应力分布. 研究结果表明:不同车型列车激励下,过渡区振动加速度及动位移有效值的最大值分别为0.85 m/s2、0.034 mm,过渡段的振动水平要比隧道及桥台的更低;过渡段动力响应有效值随车速增大而增大,其增幅比隧道与桥台的更小;行车方向对过渡段与桥台连接区域的动力响应影响较大,对其他断面影响微弱;列车以300 km/h车速经过该过渡区时,过渡区钢轨挠度最大变化率约为0.149 mm/m,车体竖向加速度最大值为0.74 m/s2;桩板结构的存在能够将列车荷载传递至深部地基,使浅层地基土体承受的动力作用降低.      

横通道设置对车隧气动多波峰的影响

为了研究横通道设置对压力波传播特性的影响,基于列车进入隧道所产生的压缩波在隧道与横通道交叉点的传播、反射理论,采用三维数值方法对设置横通道情况下的压力波传播特性进行了分析,对横通道设置不同位置时缓解微气压波的效果进行了比较.研究表明:首波压力梯度在列车进入隧道较短范围内（10 m）即达到峰值,横通道距隧道洞口距离增大,会使列车经过横通道所产生的2次波压力梯度峰值减弱,横通道距洞口距离由20 m调整为50 m,可使2次波峰值降低50%.      

横风作用下高速列车-桥梁系统气动特性风洞试验

为研究高速列车在运营过程中的气动特性, 分析其气动特性变化机理, 设计了2种高速列车-桥梁系统的气动特性风洞试验方案; 开发并建立了适用于在风洞中的高速列车-桥梁系统试验方法与系统; 试验系统分为运动系统与数采系统2个部分; 运动系统基于惯性驱动原理, 以高速伺服电机为驱动力, 通过高强度旋转传送带将缩尺比为1∶8~1∶30的移动车辆模型在风洞中以最高速度50 m·s-1模拟真实运行环境中运行; 在运动系统的搭载下, 自主研发了一套数采系统, 并在风洞实验室中对有无横风作用下的列车进行了气动特性测试。分析结果表明: 试验方法与系统适用于加减速距离短、瞬时加速度大的试验场景, 且不受车辆外形与基础设施的限制, 可降低设计成本, 提高试验的安全与稳定性; 标准误差与平均值之比均不大于10%, 表明数采系统测试的车辆气动特性有较好的平稳性和可重复性, 能够精准得到列车在不同试验条件下的气动特性; 通过对比有无横风作用下的列车气动特性, 得到列车速度对车辆的气动特性影响极其重要; 列车高速移动时, 其因速度产生的气动影响远远大于横风, 且表面测点平均风压系数最大值可达-10, 反映了静态模型的试验方式不能够满足模拟列车高速运行时气动特性状态。      

水下悬浮隧道管段结构流阻特性分析

为探讨结构断面形状对悬浮隧道管段表面压力分布的影响,采用ANSYS流体模块RNG(renormalizationgroup)k-ε湍流模型,对圆形、多边形、曲边形和椭圆形4种断面的悬浮隧道管段海水绕流场进行了数值模拟,分析了绕流场及管段表面的压力分布特点.结果表明,同种断面悬浮隧道管段表面的压力分布规律相同,压力值随来流速度变化明显;管段曲率是影响绕流场的重要参数,海流在流线形断面上分离晚,表面压力下降较慢,降低了管段上的海流阻力.     

偏压地形条件下隧道进洞方案设计

复杂地形在山区高速公路隧道设计中会经常遇到,由于隧址区本身的地质情况就复杂多变,再加上降水等不利因素对隧道洞口施工的影响,进洞方案往往是几种处理措施的综合体。对周边山体的加固、洞口管棚的设置、开挖方法的选择以及爆破强度的控制等,无不对隧道的安全进洞产生直接影响。因此在浅埋偏压段隧道进洞方案的制定过程中,应灵活运用各种行之有效的方法,努力落实＂安全、经济、合理、环保＂的设计原则,确保工程顺利实施。     

高速列车穿越有竖井隧道流场的数值模拟

为了降低噪声的影响，对高速列车穿越带有竖井的隧道时产生的压缩波进行了三维粘性流场数值模拟．控制方程采用三维粘性、可压缩、等熵、非定常流的Navier Stokes方程，空间离散采用中心有限体积法格式，时间离散采用预处理二阶精度多步后差分格式，对隧道壁采用壁面函数处理．计算结果与国外的试验结果基本一致．研究表明，竖井能降低隧道内的空气压力，其位置和断面大小对压力的变化有重要影响．