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.     

无竖井单线隧道活塞风影响因素分析

采用非恒定流活塞风计算理论,按列车行驶在单线无竖井隧道中的不同位置,分四种情况(列车部分进入隧道,列车全部进入隧道,列车部分驶出隧道,列车全部驶出隧道后活塞风的衰减过程)建立了简化的活塞风分析数学模型.在此基础上,通过MATLAB软件进行数值求解,得到列车经过某区间隧道时的活塞风速度变化情况.分析了列车运行速度、列车长度、列车对隧道的阻塞比以及区间隧道长度对活塞风的影响.本方法可以作为列车以不同速度行驶在各种单线、无竖井隧道内活塞风速度的试用计算工具.     

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.     

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.     

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。     

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。     

隧道活塞风模型试验研究

随着长及特长单线铁路隧道的大量修建,利用活塞风改善隧道内空气质量,降低隧道通风能耗已成为可能。国内外对于隧道压力波和隧道内列车空气阻力问题进行了较多研究,但对隧道活塞风全面系统性的研究较少。为此,根据相似原理,考虑模型的变态,采用全模型试验方法设计搭建隧道活塞风模型试验台,用于活塞风风速的测试。将试验值与理论计算值、原型转换试验值与理论计算值进行比较,结果表明活塞风速度的符合度较好。由此,取线性比尺为60,以水为工作介质的模型试验用于隧道活塞风研究是可行的。     

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;     

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.     

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。     

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。     

车辆编组对区间隧道活塞风设计的影响

对天津地铁原设计采用车辆"小编组、大密度"运营,近两年高峰时段不能满足客运要求的实际,提出将6节编组改为8节编组,由此增加区间隧道内散热量,对此进行论述与分析。分析与计算表明,6节改8节编组后,若将区间隧道温度仍控制在规定的40℃内,需将车站内的活塞风道、活塞风孔、风阀及活塞风井扩大至原面积的4/3倍,或增加1/3的通风量,同时引起机房宽度的增加,此项土建费用每个标准站将增加约200万元。     

深埋地铁隧道通风设计计算

通过设置合理的边界条件和参数,运用隧道环境模拟计算程序,对广州地铁6号线的隧道通风设计进行计算,并针对隧道内温度和风量进行了分析。在合理配置隧道通风系统的情况下,深埋隧道内全线温度满足要求;活塞效应作用较大,且隧道区间换气量满足要求。     

大跨度隧道塌方处理技术

研究目的：大跨度隧道洞口地形地质情况复杂，围岩完整性差，易出现塌方，对隧道施工进度和质量影响较大，本文结合大丽线禾洛山隧道出口段塌方的处理，对复杂地形地质情况下大跨度隧道洞口段的施工进行总结。 研究方法：针对禾洛山隧道出口段的地形、地质条件以及塌方情况，采用工程类比、数据分析和优化方案的方法，确定经济合理的处理措施，并对围岩、结构变形等进行了量测和分析，对主要结构进行了必要的检算。 研究结果：针对禾洛山隧道出口段具体的地形、地质以及塌方情况，采取有效的处理措施，取得了良好的效果。 研究结论：大跨度隧道洞口段地形、地质情况复杂，围岩软弱，有效预防和处理隧道塌方，顺利通过洞口段是隧道施工成败的关键。本工程采用大管栅、小导管注浆联合超前支付、预留核心土开挖塌体的处理方法，使塌方得到了有效控制和处理，保证了安全顺利通过塌方段，解决了隧道施工进洞难的问题。     

风沙流对戈壁地区挡风墙响应规律的数值模拟分析

基于FLUENT欧拉双流体模型,对兰新铁路沿线既有挡风墙周围风沙两相流运动特性进行数值模拟,得到挡风墙背风侧的流场分布特点以及积沙情况。结果表明:挡风墙背风侧风速廓线变化规律呈指数增长趋势,在0.5 m至挡风墙自身高度区间内变化较为复杂,呈先减小后增加的趋势;挡风墙背风侧近地表气流速度反向增大后沿着初始速度的方向减小为0且继续增大至初始速度大小,风速最大值增加的幅度保持在50%左右,风速越大,气流的削弱作用越明显;当初始气流速度为较小时,线路上积沙较少,沙粒多数堆积在挡风墙背风侧墙角处;随着风速的增加,单位时间内通过挡风墙的沙粒增多,由于过流断面减小,气流扩散,更多沙粒沉积在线路上;在强风地区,布设挡风墙时应考察线路上风向的地表情况,沙源比较丰富时应采用工程治沙措施来减小风沙流密度,达到防沙的目的。     

兰新高铁大风区接触网正馈线悬挂结构适应性分析

试验和运行经验表明,兰新高铁大风区接触网正馈线(AF线)疲劳磨损问题非常突出。通过理论结合实际的方法,利用有限元三维流体场仿真辅助手段,分析百里、三十里风区挡风墙后方大风运动特征及AF线风场内受挡风墙结构增速影响的运动特点,提出AF线受激励源干扰产生大幅振动的机理。利用现场样本空间数据累计及AF线V形悬挂铰接零部件的运动频次,提出AF线V形悬挂结构合理性设计的关键点及结构匹配重要性,以及限制零部件间磨损的有效措施。     

台风区钢管格构支架稳定性和优化设计分析

以台风区的平潭海峡大练岛特大桥新建工程中现浇公路桥的钢管格构支架体系为研究背景,对钢管格构支架稳定性进行分析,通过Midas Civil软件建立钢管格构支架体系空间有限元模型,从不同的肢数、节段长度、高度等参数进行分析,并对四肢格构支架进行均匀流风场作用下的风洞试验。计算结果表明:当钢管结构的壁厚与直径比δ/d一定时,支架结构的临界屈曲荷载系数随着钢管直径的增大而增大,整体呈指数上升趋势;六肢与四肢钢管格构支架临界荷载系数相差不大,四肢钢管格构支架是最经济支架结构;当支架总高度小于70 m时,钢管格构支架结构基本能满足结构稳定性要求;支架钢管立柱横向间距在5~7 m时,其稳定性呈现较快的上升趋势,横向间距为7 m左右时,支架稳定性最好。风洞试验结果能反映四肢格构支架的实际受力特性,并指导四肢格构支架现场实际施工。该分析可为类似钢管格构施工支架的设计提供参考。     

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。