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高速列车在隧道内会车过程的气动特性研究

关永久  
【摘要】: 随着高速铁路的飞速发展,线路技术标准的更高要求使得隧道工程的数量有较大增加。高速列车进入隧道时,列车周围的空气压力由于突然受到隧道有限空间的约束而在短时间内产生巨大变化,造成行车阻力加大,旅客乘车舒适度下降,在隧道出口产生微气压波等空气动力学效应。高速列车在隧道内会车过程中所产生的压力瞬间变化比单列车通过隧道时要更剧烈,由此产生的瞬变压力、空气阻力、横向气动力、微气压波、气动噪声等更为严重和复杂,对高速列车在隧道内会车产生的气动特性进行深入全面的研究就显得极为必要。 基于三维、非定常、可压缩、粘性流体流动N-S方程和k~ε两方程紊流模型,采用有限体积法仿真分析了高速列车在隧道内会车时压力和气动力的变化。采用多工况计算,分析了车速、隧道长度、列车编组长度、隧道横断面积、列车在隧道会车位置等影响因素对高速列车在隧道内会车时车体和隧道壁面的压力变化及列车所承受的气动力变化,得出了压力和气动力的变化与影响因素的关系,提出了改进建议。另外,研究了洞口效应对列车在隧道内会车时产生的压力变化的影响;研究了缓冲结构对压力和气动力变化的影响。 研究结果表明,高速列车在隧道内会车产生的瞬变压力确系洞口效应产生的压缩波和膨胀波的传递、反射,并与会车压力波叠加所形成复杂波系共同起作用的结果,并受到多种因素的影响。瞬变压力与车速的幂函数幂值大于2,并随着隧道长度的增加而微弱减小;隧道长度为列车长度的2-4倍时,压力变化幅值较大;当两列车以350-400km/h的车速在横断面积为100m2的隧道内会车时,最大压力变化超出了人体承受极限,增大隧道横断面积可显著降低压力变化;两列车在隧道中点处会车的压力变化幅值最大,是最危险的会车情况。列车上的空气阻力与车体上瞬变压力有着一致的变化趋势,二者在同车速下远大于明线会车和单一列车通过隧道。列车上的横向力和升力主要受会车压力波的影响,与车速的平方成正比,和隧道长度、隧道横断面积、会车位置的关系不大。缓冲结构可有效降低高速列车在隧道内会车时压力和空气阻力的变化。


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