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高速磁浮隧道压力波特性及隧道净空面积研究

张芯茹  
【摘要】:高速磁浮可以填补航空与高铁客运之间的空白。目前我国已经开始开展高速磁浮交通隧道空气动力学的相关研究,其中高速磁浮隧道净空面积的研究是比较重要的部分。隧道净空面积值直接决定着隧道建设成本,也是影响列车通过隧道时气动效应剧烈程度的主要因素之一,也直接影响高速磁浮列车的安全运行。当采取减小车辆横截面积、提高密封性能等措施时,隧道最小有效净空面积可相应减小。高速磁浮列车与高速轮轨列车空气动力学现象基本类似,采用的研究方法也类似,故本文采用一维可压缩不等熵流动模型广义黎曼变量特征线法研究高速磁浮列车通过隧道产生的压力波效应。根据已有高速铁路空气动力学研究经验,通过车内舒适度准则、车辆动态气密指数、阻塞比等参数,确定高速磁浮隧道最小净空面积是合理的。本文以列车车内压力是否满足压力舒适性标准作为唯一评估依据。研究了基于车内瞬变压力的最不利隧道长度问题,确定了列车气密性对最不利隧道长度的影响规律。给出了高速磁浮列车通过最不利隧道长度时,满足不同压力舒适性标准的最小隧道净空面积建议值。主要结论如下:(1)高速磁浮列车车外压力波动是列车运行轨迹和压缩波、膨胀波综合作用的结果,并与其在隧道内的运行时间密切相关。单车与交会车外压力波同样是列车驶入隧道诱发压缩波和膨胀波的反射叠加形成。其最大的不同在于:单列车通过隧道情形仅有一列列车驶入或驶出隧道过程中产生膨胀波和压缩波。而交会时对向驶入列车引起的压缩波和膨胀波将与先期驶入列车诱发的压力波叠加,影响两列车车外压力分布。(2)高速磁浮列车不同车厢外压力波动曲线类似;从头车至尾车,车外压力最大正压值逐渐减小,最大负压值先增大后减小,中间车(第5节车)最大负压值最大;列车驶入隧道的过程中,列车头车压力较为缓慢线性增加。当列车全长进入隧道的瞬间,头车外压力达到最大正压值;在列车通过隧道的过程中,尾车测点的全程压力基本处于负压状态;(3)列车驶入隧道的过程中,列车头车车外压力较为缓慢的线性增加。当列车全长进入隧道的瞬间,头车外压力达到最大正压值;在列车通过隧道的过程中,测点的全程压力基本处于负压状态;随着隧道长度的增大,列车头尾车最大正压值几乎不变,最大负压值减小;列车车外最大正负压值均随着车速的增大而增大,与列车速度的二次方成正比;速度越高,出现最大正负压值的时间越早。(4)不同时间间隔内车内压力的分布特征如下:每1s内、每3s内、每10s内3个时间间隔内车内压力曲线类似,头尾车均呈现出先增大后减小的趋势,头尾车测点均遇到头车进入隧道产生的压缩波传播到隧道出口后反射回来的膨胀波时车内压力出现最大值;每30s内、每60s内两个时间间隔车内压力曲线类似,在列车刚进隧道时就出现车内压力最大值,且压力最大值相等。对于相同速度等级的磁浮列车,时间常数对基于车内不同时间间隔的最不利隧道长度无影响。(5)经过前期计算分析发现,标准规定的车内瞬变压力每1s内最宽松,通过隧道全过程内最严格,即时间间隔越长,规定车内瞬变压力越严格,最小隧道净空面积越大;对于短隧道,UIC标准中每60s内的车内压力限制较每10s内的较为宽松;而对于中长隧道等,UIC标准中每60s内的车内压力限制最严格,即满足标准规定的每60s内瞬变压力的最小隧道净空面积建议值,也能满足每10s内、每3s内、每1s内的瞬变压力;(6)在单列车通过和两列车交会情形下,随着时间常数增大,满足≤1.0kPa/10s、≤1.5kPa/30s、≤2.0kPa/60s、≤1.5kPa/全过程、≤2.0kPa/全过程等不同时间间隔压力舒适性标准的最小隧道净空面积建议值线性减小;(7)在单列车通过和两列车交会情形在下,随着磁浮列车运行速度的提高,不同时间间隔内最小隧道净空面积建议值也增大,影响规律呈现出二次函数的规律;(8)本文根据选取的4个压力舒适性标准提出了时速600公里磁浮隧道净空面积建议值。其中,UIC(2002年第一版)较UIC(2005年第二版)少了1.5kPa/60s这个限制,单线隧道的净空面积相差83m~2,双线隧道的净空面积相差63m~2,故时间间隔越长,所需的隧道净空面积越大;时间常数很大时,车内压力增加的幅度远远小于隧道净空面积增加的幅度;车内压力增加500Pa时,需要增大68m~2的隧道净空面积才能满足车内压力舒适性标准。本文通过研究高速磁浮列车车内外压力波动特性,提出了不同列车气密性、不同速度等级下,高速磁浮单双线隧道净空面积的建议值,可进一步完善补充“磁浮铁路技术标准(试行)”中隧道净空面积相关部分,为高速磁浮隧道建设提供基础的数据支撑。


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