空腔结构对高速磁浮隧道压力波的影响研究

随着我国更高速铁路交通系统建设的推进,车/隧耦合空气动力效应急剧增强,如何有效缓解车/隧耦合下的压力波幅值成为众多学者研究的难题之一。为缓解隧道压力波,常在隧道口设置缓冲结构,并根据隧道横截面积和列车运行速度确定相关参数。然而,因隧道外部现有地形和空间环境的限制,无法在洞口设计长距离、大范围的缓冲结构或者对现有缓冲结构进行改造扩建。针对此类问题,提出一种具有空腔结构的新型隧道结构。采用三维、非定常、可压缩N-S方程和标准k-ε湍流模型,结合滑移网格技术,研究时速600 km磁浮列车通过横截面积92 m2的单线隧道时的隧道壁面瞬变压力和微气压波,探明隧道内部空腔结构对初始压缩波传播特性的影响规律以及对隧道瞬变压力和微气压波的缓解效果。开展动模型试验、网格精度无关性和算法无关性验证数值计算方法的正确性。研究结果表明：空腔结构使得进入隧道内部的气流流经透孔并在空腔内产生反射,通过耗散压缩波强度来抑制压缩波压力梯度的上升,从而对隧道壁面压力和隧道出口微气压波具有明显的减缓作用。相比于现有隧道,具有空腔结构的新型隧道对隧道入口140 m处的壁面压力幅值减缓作用达13.1%,对隧道出口20 m处的...     

270 km*h-1高速列车气动力性能研究

根据风洞试验结果,分析即将投入运营的我国270km·h-1高速列车气动力性能,研究各种外形对其的空气阻力、升力和横向力的影响。研究结果表明,减小气动阻力方面单拱头形稍优于双拱头形;车体底部采用底罩结构其阻力、升力绝对值远小于采用裙板结构;在气动横向力方面,双拱头形稍微优于单拱头形,双拱头形列车横向力作用位置低于单拱头形列车,其横向稳定性较好。根据研究结果,确定出与列车运行速度相匹配满足列车空气动力学性能要求的列车外形。     

270 km·h-1高速列车气动力性能研究

根据风洞试验结果,分析即将投入运营的我国270 km*h-1高速列车气动力性能,研究各种外形对其的空气阻力、升力和横向力的影响.研究结果表明,减小气动阻力方面单拱头形稍优于双拱头形;车体底部采用底罩结构其阻力、升力绝对值远小于采用裙板结构;在气动横向力方面,双拱头形稍微优于单拱头形,双拱头形列车横向力作用位置低于单拱头形列车,其横向稳定性较好.根据研究结果,确定出与列车运行速度相匹配满足列车空气动力学性能要求的列车外形.     

高速铁路隧道气动效应现场测试分析

通过现场测试高速铁路列车引起的隧道气动效应，分析列车速度、列车编组、隧道长度等因素对气动荷载、振动加速度和微气压波的影响。结果表明：列车通过隧道时，隧道壁面及附属设施表面气动荷载峰值与列车速度近似呈2次方关系；8编组列车通过较短隧道时气动荷载峰值大于通过较长隧道时，16编组列车则相反；控制箱左右两侧气动荷载峰值相差较小，顶底部气动荷载峰值相差明显；在隧道防护门中部气动荷载峰值大于上部和下部，上部和下部气动荷载峰值接近；隧道壁面无显著振动，隧道附属设施表面振动明显；在距隧道入口200 m处压力梯度峰值与列车速度呈3次方关系，列车运行速度超过一定值后，出口附近压力梯度峰值高于入口附近；隧道出口20 m处微气压波峰值与列车速度近似呈6次方关系。     

不同车高时速400公里高速列车对隧道初始压缩波的影响特征

高速列车驶入隧道时产生初始压缩波并向隧道出口方向辐射形成压力脉冲波,影响居民的身心健康,带来了严重的环境问题。文章以国内时速400公里的高速列车为研究对象,基于CFD（计算流体动力学）软件搭建三维数值模拟计算模型,研究高速列车驶入隧道时产生初始压缩波最大压力梯度值的时空演变过程,并分析比较不同车高和在隧道洞口增加缓冲结构对隧道初始压缩波的影响。模拟计算结果显示：车高越高,高速列车驶入隧道时产生的初始压缩波压力峰值越大,对应的最大压力梯度值也越大;隧道洞口设置缓冲结构时,不同车高对初始压缩波最大压力梯度值的影响规律与无缓冲结构情况下基本保持一致,但最大压力梯度值大幅下降。     

基于无限大障板圆形活塞辐射原理的隧道微压波计算方法

高速列车驶入隧道端口瞬间在车头前形成压缩波。该压缩波沿隧道以声速向出口端处传播,并在洞外形成微压波。本文根据声学中无限大障板圆形活塞的辐射模型,开发了已知隧道出口端内压缩波压力梯度和大小时的微压波计算程序,并采用国外试验结果验证了程序的正确性。结合拟议的我国高速铁路隧道特征,初步分析了洞口微压波的主要影响因素,显示列车速度、隧道断面面积影响较大。微压波的大小与观测点有很大关系,这对于判断微压波的强弱、危害及其标准研究有很大关系。结果分析也说明所建程序的合理性与简便性,是一种适合工程设计方案比选的方法。     

瞬态摩擦对高速铁路隧道初始压缩波传播的影响

高速列车车头驶入隧道产生初始压缩波,其传播到隧道出口向外辐射引起微压波现象,危害周围环境。而隧道壁面摩擦是影响初始压缩波洞内传播的重要因素,从而影响微压波的强度。采用考虑瞬态摩擦的一维可压缩非定常不等熵流动模型研究初始压缩波洞内的传播过程。研究瞬态摩擦对CRH380A驶入隧道引起的初始压缩波传播的影响,给出了不同传播距离处瞬态摩擦的影响特性,获得了不同阻塞比及不同速度等级下瞬态摩擦对压缩波压力变化和压力梯度的影响特性。得出的研究结果可为今后正确考虑一维流动模型中的瞬态摩擦项提供依据。     

高速铁路隧道洞口微气压波计算模型的修正

隧道洞口微气压波随列车运行速度提高显著提升,可能影响周围建筑及居民。隧道洞口微气压波与隧道内压力波首波压力梯度密切相关。根据实车测试数据,分析隧道内不同位置压力梯度,修正了辐射立体角模型（Radiation Solid Angle Model,RSA）,给出模型关键参数空间立体角的取值方法。结果表明：列车以350 km/h通过无砟轨道隧道时,从隧道入口至隧道中心附近压力波首波压力梯度逐渐提高;采用随机森林方法分析RSA模型参数特征权重并修正模型,修正后的RSA模型相对原模型对隧道洞口微气压波压力峰值的计算精度更高。提出了采用无人机或测距仪等设备测量计算隧道洞口空间立体角的三种方法。     

单线高速铁路隧道入口缓冲结构几何外形优化设计

以单线高速铁路隧道入口线性喇叭型缓冲结构作为研究对象,采用3次NURBS曲线拟合其入口形状,提取控制缓冲结构几何外形的9个设计参数。利用有限差分方法分析各个参数的灵敏度,发现缓冲结构的上下边界长度和入口高度对微气压波最为灵敏,而缓冲结构入口形状对其敏感度最小。采用计算流体力学方法、支持向量机模型和蚁群优化算法,开展以降低微气压波为优化目标的缓冲结构几何外形优化设计,得到适用于单线高速铁路隧道的线性喇叭型缓冲结构外形。与无缓冲结构相比,采用优化设计得到的缓冲结构,微气压波降低约42.1%,单车通过隧道时的车外压力波动幅值减少约9.4%。通过分析线性喇叭型缓冲结构上下边界的长度、入口高度和底部宽度对微气压波的影响,发现这4个设计参数与微气压波呈近似的线性关系,各设计参数间的耦合作用不明显,在实际工程设计中,可单独考虑各设计参数的影响。     

开孔缓冲结构条件下的隧道单车压力波特征数值分析

在假定隧道内空气流通截面是时间和流动距离的二元函数条件下,根据一维可压缩非定常不等熵流动理论与广义黎曼变量特征线法,发展了高速列车通过设置开孔缓冲结构隧道的单车压力波计算方法,并进行开孔缓冲结构不同参数对初始压缩波强度和压力梯度的分析计算,揭示了开孔缓冲结构的空气动力学特征,对探讨减缓洞口微压波提供了一种分析方法。     

400 km/h高铁隧道出入口缓冲结构开口率对微压波影响研究

随着高速列车运行时速的提升,车-隧气动效应加剧、微压波超限问题愈发严重。以往研究表明,隧道洞口设置缓冲结构是解决微压波问题的有效手段之一,但是随着隧道长度增加、列车时速提升,仅以入口缓冲结构作为标准的设计方法存在一定局限性。并且国内外的研究重点更多集中在入口缓冲结构,对出口缓冲结构及隧道出入口均设置缓冲结构的设计方法研究相对较少。针对这一问题,利用控制容积法分析出口开口式缓冲结构的关键影响参数。基于LES湍流模型和动网格技术建立三维数值仿真模型,对关键参数的正确性做出验证。分析隧道出入口对称、非对称设置缓冲结构对微压波特性的影响,提出适用于单线和双线隧道的洞口开口式缓冲结构的设计方法。研究结果表明：1)隧道出口缓冲结构开口率是影响出口缓冲结构对微压波压力缓解效率的关键参数,开口率越大,微压波压力最大值越低;2)隧道入口以压力梯度为控制标准设置最优缓冲结构、隧道出口提高缓冲结构开口率的形式,在单线隧道缓冲结构设计中对微压波有更高的缓解率,出口缓冲结构开口率越大,对微压波压力缓解效率越高;3)双线隧道洞口开口式缓冲结构设计时,应当增加其总开口率,同时选择小面积、多个数的开口形式并在隧道出入...     

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...     

某特长水下隧道气动效应试验研究

采用CRH2-061C动车组,以180～320km.h-1速度往返运行,对某特长水下隧道下行线进行气动效应试验研究。研究结果表明:隧道内瞬变压力、列车风、气动载荷和隧道洞口微气压波值均随着车速的增加而增加,车厢内舒适度随着车速的增加而减少;隧道南口的微气压波值、首波压力梯度均小于北口,这主要是由于南、北口的缓冲结构型式存在差异;隧道内附属设施受到的气动荷载、车内气压3s变化值均在相关标准的要求值之内;车速大于250km.h-1时,乘员有耳鸣和不舒适感。根据研究结果提出如下建议:CRH2-061C动车组通过该隧道的合理速度为260km.h-1;开启隧道内联络通道或布置吸能材料以衰减压力波的传播能量;研究制订复合型舒适度控制标准。     

复杂艰险山区高速铁路隧道群空气动力学效应及缓解措施

为解决复杂艰险山区高速铁路隧道群设计难题,本文从压力波动、空气阻力和微气压波几方面入手,明确了隧道群空气动力学效应与单个隧道的差异,阐述了隧道群空气动力学效应的变化规律,提出了相应的缓解措施以及隧道群连接明洞的设置原则。研究结果表明,隧道群空气动力学效应与单个隧道在微气压波方面的差异最大,在条件适宜的情况下,应考虑采用连接明洞的方式缓解隧道群空气动力学效应。同时,本文建议制定适合中国国情的隧道群复合型耳膜舒适度标准和微气压波标准,并在确定隧道群缓冲结构、横通道等结构设计参数时,重视数值模拟所发挥的指导作用。     

重联动车组通过隧道时气动性能研究

为研究重联动车组通过隧道时重联区域对列车气动性能的影响,采用三维、可压和非定常N-S方程的数值计算方法,对重联动车组通过隧道时压缩波与膨胀波的传播特性,列车表面压力和隧道壁面压力变化特性进行研究。研究结果表明:数值计算与动模型试验相比,压力变化曲线吻合较好,幅值偏差不超过7%,重联区域前段流线型头部进入隧道,产生膨胀波,重联区域后段流线型头部进入隧道,产生压缩波,由于重联区域产生的膨胀波和压缩波之间的时间间隔短,导致膨胀效应和压缩效应相互抵消,车体表面和隧道壁面压力变化不显著,当重联区域经过隧道壁面测点时,重联区域车体表面压力变化影响隧道壁面压力变化,使隧道壁面测点压力产生先升后降的波动。     

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。     

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%。     

时速160公里城际列车气动性能研究

随着国内高速铁路网不断完善、城市内部和城际之间的轨道交通快速发展,城际列车设计速度逐年提高,达到160 km/h,其在运行过程中将面临一系列空气动力学问题。为分析160 km/h城际列车运行时的综合气动性能,利用STAR CCM+软件,采用三维雷诺时均Realizable k-ε湍流模型模拟城际列车的周围流场特性,应用重叠网格模拟列车穿越隧道的滑移运动,将原始头型、改进头型和车顶设备城际列车模型进行数值仿真分析,研究160 km/h城际列车明线运行和通过2种不同横截面积隧道时的流场特性和车体的受力情况,分析城际列车在不同工况下的气动性能。研究结果表明：适用于干线铁路160 km/h城际列车的头车气动阻力较大,通过改进头车的凹槽外形和空调导流斜面,可减少头车所受气动阻力,头车的阻力系数由0.397减小为0.349,降幅12%,整车减少8.26%。横风条件下,头车车身阻力系数随风向角的增大而减小,中间车和尾车的车体阻力系数随着风向角增大而增大,头车倾覆力矩系数最大,沿车身方向降低,尾车最小。城际列车以相同速度通过50 m²和80 m²隧道时,改进...     

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...     

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。