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高速列车进入隧道产生压缩波的数值模拟及试验研究

骆建军  
【摘要】:高速列车进入隧道时,一方面,在隧道入口处与列车运动方向相反的方向产生出口流。另一方面在隧道内产生以声速向前传播的压缩波。这些压缩波对列车车体产生较强的作用力,并且与压缩波相关的压力梯度对列车内的乘客和隧道内的维修人员产生生理上的不舒服感。在隧道出口处,产生一种叫做微气压波的压力脉冲,并造成环境问题。 为了解决这个问题,本文以西南交通大学承担的国家自然科学基金项目“隧道缓冲结构空气动力学特征试验”的研究为依托,同时根据高速列车进入隧道所产生的流场的特征,建立了三维粘性、可压缩、不等熵非定常流模型。对高速列车通过有或无缓冲结构的隧道所产生的压缩波的机理进行了大量的实验和数值计算研究。研究结果表明: 压缩波是列车进入隧道时形成的。隧道中正压最大值是由列车头部突入隧道时形成的压缩波引起的,并且该压缩波在隧道中以声速传播,而隧道中负压最大值是由列车尾部经过测点时形成的。在影响隧道压缩波的压力以及压力梯度的各种因素中,列车速度以及隧道阻塞比是主要因素,同时得出了隧道内压缩波的最大压力与列车速度的平方成正比,对于给定的列车断面积,隧道断面积越大,则压缩波的压力峰值及压力梯度越小。同时,还与列车在隧道内的运行方式有关。 列车进入隧道的过程中,在隧道内产生活塞风,在隧道出口处产生出口流。隧道内活塞风不仅具有水平方向的波动,而且也有垂直方向的波动变化,其风速流场结构十分复杂,具有非定常的特性。同时,高速列车进入隧道时在隧道入口附近发生出口流现象,并形成涡流。在整个涡流的形成过程中,可以将这个过程分为连续的4个阶段,即① 涡的形成之前阶段;② 涡的发展阶段;③ 涡的传播阶段;④ 涡的破坏阶段。列车头部形状和列车速度对喷射流速度没有多大影响。 三角形、钝头形、椭圆形、圆锥形和抛物线形共5种基本的列车头部形状对降低压力及压力梯度有一定的效果,其原因在于变化的列车头部形状延缓了压缩波上升的时间。其中,三角形列车头部形状具有最好的降低压力梯度的效果,其次为抛物线形,效果最差的为钝头形列车。列车头部长细比越大,降压效果越明显。 竖井断面积的变化和竖井位置的改变均能够有效地降低隧道内的最大压力峰值和压力梯度的大小,其原因在于竖井的存在可以改变初始压缩波的波形, 西南交通大学博士研究生学位论文 第日页 将初始压缩波分成几个小的波形。对于竖井的断面积对压力变化的影响,一般 是断面积越大,压力变化越明显,但继续增大竖井的断面积后,降压效果反而 不明显,最理想的竖井的断面积的大小为隧道断面积的30%~40%。对于竖井 位置对压力变化的影响,在某一确定长度的隧道中,总存在着一个最佳的位 置,在这个位置的竖井具有最佳的降压效果。 缓冲结构的设置能够有效地降低隧道内的压力和压力梯度的最大值,其原 因在于缓冲结构延长了压缩波压力上升的时间,降低列车突入隧道时所形成的 最大压力梯度。 当缓冲结构长度一定时,三种形状的缓冲结构对压缩波最大压力的影响的 差异是很小的。而压缩波的压力梯度最大值,以不连续型最小,其次是线形 的,而二次函数型最大。至于压缩波的压力梯度的平均值,按二次函数型、线 形、不连续型缓冲结构的顺序变小。不管何种形式的缓冲结构,都是缓冲结构 越长,断面积越大,则压力梯度值越小。但缓冲结构长度超过隧道的等效直径 时,缓冲结构长度的影响变得很小。 在缓冲结构上开口,能够继续降低最大压力梯度。最大压力梯度值,在缓 冲结构的长度一定时,随开口率增大而增大。通过实验及计算表明,开口率在 0.05~0.1的缓冲结构,是比较优越的。


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