基于旋成体模型的高速铁路隧道进出口波的数值模拟研究

论文摘要

高速列车通过隧道的空气动力学效应较明线上的更加剧烈,造成的后果也更加严重。国内外学者已经对隧道内的瞬变压力及洞口微压波等现象进行了大量研究。列车进入/离开隧道时直接由隧道入口/出口向外界辐射出脉冲压力,是一种新的空气动力学现象,称为隧道进/出口波。该现象的物理机理较为复杂,且为频率小于20Hz的次声波。该现象会导致隧道周围居民住房或其它建筑物窗框强烈振动或发出“咔嗒咔嗒”声,随着高速列车不断提速,造成的环境问题不容忽视。该现象出现在日本新干线的提速线上,对此现象的研究成果也主要由日本学者得出。我国是多山国家,高速铁路线上隧道数量较多。随着高速列车不断提速,该现象会更加剧烈,对列车运营的安全性会带来不良影响,成为制约高速列车速度进一步提升的一个因素,因此对该现象的研究具有重要意义。本文采用基于有限体积法的计算流体力学通用软件STAR-CD,运用滑移网格技术,以三维、可压缩、不稳定湍流流动的数学模型为基础对隧道进/出口波进行数值模拟研究。本文计算结果比较准确,并且与实验结果吻合的较好,验证了本文方法和结果的合理性和正确性。本文分析了隧道进/出口波的形成机理及基本特性,对隧道进/出口波现象有了较为清晰的认识。另外,本文对隧道进/出口波和列车速度的关系以及三种不同列车头型（椭圆旋成体、抛物线旋成体和圆锥旋成体）对隧道进/出口波的影响进行了研究,得到了隧道进/出口波幅值和列车速度的拟合关系及在其他条件不变的情况下,对于旋成体的对称模型为减小隧道进/出口波幅值应采用的列车头型。本文建立了一套完整的求解基于旋成体对称模型的隧道进/出口波的模型和方法,对于今后相关问题的研究提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 隧道进/出口波现象及危害
• 1.3 国内外研究现状及存在的问题
• 1.4 本文研究方法及研究内容
• 2 理论分析与建模
• 2.1 明线及隧道内空气流动特征
• 2.1.1 列车稳态运行时空气绕流特性
• 2.1.2 隧道内列车空气流动特性
• 2.2 流场控制方程
• 2.3 湍流流场的数值模拟方法
• 2.4 湍流流动的雷诺时均方程
• 2.4.1 统计平均法
• 2.4.2 雷诺时均法的基本方程
• 2.5 湍流模型
• 2.5.1 湍流黏性系数法
• 2.5.2 高雷诺数线性k-ε模型
• 2.5.3 壁面函数与高雷诺数湍流模型相结合
• 3 湍流流场计算的有限容积法
• 3.1 常用数值计算方法概述
• 3.2 流体通用的控制方程
• 3.3 离散化的控制方程
• 3.3.1 流场积分控制方程
• 3.3.2 时间离散
• 3.3.3 空间离散
• 3.3.4 源项及边界条件的处理
• 3.3.5 流场离散方程组
• 3.4 同位网格中的可压流动PISO算法
• 3.4.1 交错网格和同位网格
• 3.4.2 同位网格上PISO算法的计算步骤
• 3.5 代数方程迭代求解及收敛判据
• 3.5.1 共轭梯度方法（CG）
• 3.5.2 多重网格法（AMG）
• 3.5.3 迭代求解的收敛判据
• 4 网格系统及边界条件
• 4.1 STAR-CD软件简介
• 4.2 动网格概述
• 4.2.1 动网格理论
• 4.2.2 动网格实现形式
• 4.3 滑移网格技术
• 4.3.1 计算域分区
• 4.3.2 网格信息交换
• 4.3.3 网格的添加与移除
• 4.4 网格系统和边界条件
• 4.4.1 不规则区域网格生成方法
• 4.4.2 网格几何品质
• 4.4.3 计算模型的网格分布
• 4.4.4 初边值条件
• 5 隧道进/出口波的数值模拟
• 5.1 非物理现象
• 5.1.1 非物理现象的产生
• 5.1.2 非物理现象的消除方法
• 5.2 隧道进/出口波的数值模拟方法
• 5.2.1 隧道进口波的数值模拟方法
• 5.2.2 隧道出口波的数值模拟方法
• 5.3 隧道进/出口波与列车速度的关系
• 5.4 不同列车头型对隧道进/出口波的影响
• 5.4.1 几何模型的生成方法
• 5.4.2 不同列车头型对隧道进/出口波的影响对比分析
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果