高速列车在隧道内会车过程的气动特性研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 理论模型和数值模拟方法研究
• 1.2.2 试验研究
• 1.3 研究内容、方法及主要工作
• 第2章 流体数值模拟方法理论基础
• 2.1 流体流动的控制方程
• 2.1.1 场论的基本概念
• 2.1.2 质量守恒方程
• 2.1.3 动量守恒方程
• 2.1.4 能量守恒方程
• 2.2 湍流的数值模拟
• 2.2.1 雷诺时均方程法
• 2.2.2 湍流模型
• 2.2.3 壁面函数法
• 2.3 求解流体流动的数值计算方法
• 2.3.1 常用的数值计算方法介绍
• 2.3.2 有限体积法的基本思想和特点
• 2.3.3 差分格式
• 2.3.4 求解N-S方程的压力修正方法
• 2.3.5 代数方程组的求解
• 2.4 滑移网格与动网格模型
• 2.4.1 滑移网格
• 2.4.2 动网格
• 2.4.3 滑移网格和动网格的比较
• 第3章 列车在隧道会车计算模型的建立与验证
• 3.1 高速铁路隧道内会车空气流动的物理特性
• 3.2 计算模型的建立
• 3.2.1 数学模型
• 3.2.2 几何模型
• 3.2.3 计算网格
• 3.2.4 初始条件和边界条件
• 3.2.5 方程的求解
• 3.3 列车在隧道会车的气动作用模拟
• 3.4 计算结果验证
• 第4章 列车在隧道内会车过程的压力变化
• 4.1 不同条件下压力变化的比较
• 4.2 洞口效应对压力变化的影响
• 4.2.1 列车表面的压力变化
• 4.2.2 洞口效应对压力变化的影响
• 4.3 列车运行速度对压力变化的影响
• 4.3.1 等速会车对压力变化的影响
• 4.3.2 不等速会车对压力变化的影响
• 4.4 隧道长度和列车编组长度对压力变化的影响
• 4.4.1 隧道长度对压力变化的影响
• 4.4.2 列车长度方向上的压力变化
• 4.4.3 列车编组长度对隧道压力变化的影响
• 4.5 隧道横断面对压力变化的影响
• 4.5.1 隧道壁面的断面压力变化
• 4.5.2 隧道横断面积对压力变化的影响
• 4.6 不同会车位置压力变化研究
• 4.7 压力变化的影响因素
• 第5章 列车在隧道内会车所受气动力研究
• 5.1 不同条件下气动力的比较
• 5.1.1 列车所受的气动力
• 5.1.2 列车在隧道内会车时所受到的气动力
• 5.1.3 不同条件下气动力的比较
• 5.2 列车时速对气动力的影响
• 5.2.1 等速会车时列车运行速度对气动力的影响
• 5.2.2 不等速会车时列车运行速度对气动力的影响
• 5.3 隧道长度对气动力的影响
• 5.4 隧道横断面积对气动力的影响
• 5.5 不同会车位置对气动力的影响
• 5.6 气动力变化的影响因素
• 第6章 缓冲结构对列车在隧道内会车的影响
• 6.1 隧道缓冲结构
• 6.2 缓冲结构对列车在隧道内会车压力变化的影响
• 6.3 缓冲结构对列车在隧道内会车气动力的影响
• 6.4 不同缓冲结构形式对单列车在隧道运行压力变化的影响
• 6.4.1 过渡段长度对压力变化的影响
• 6.4.2 缓冲段长度对压力变化的影响
• 6.4.3 开孔形式及数量对压力变化的影响
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文