（载运工具运用工程专业论文）辅助工程措施对隧道空气动力效应影响的研究.pdf

摘要 列车高速度通过隧道引起的隧道内压力波动及隧道口微气压波 对行车安全 环境和旅客乘车舒适度均有不良影响 是既有线隧道能 否适应列车提速和高速铁路隧道设计中必须考虑的重要问题 为真实模拟隧道内空气的复杂流动 本文通过求解三维 可压缩 非定常n s 方程 采用滑移网格技术实现列车与隧道 列车与列车之 间的相对运动 并结合动模型试验 对缓解隧道空气动力效应的辅助 措施进行了系统研究 得到了以下重要结论 隧道辅助设施 通风竖井 横通道 的存在 使列车进入隧道产 生的空气动力效应得到有效缓解 设置辅助设施后 车体表面和隧道 壁面测点的压力幅值与车速近似成平方关系 而微气压波与车速近似 成三次方关系 竖井位置 竖井面积和竖井数量对降低隧道内空气压力变化幅 值均有重要作用 三者都存在一个最佳值 且这一最佳值与隧道参数 及车型和车速密切相关 如本文中计算的隧道截面积5 9 m 2 长9 8 6 m 的单线隧道 当列车运行速度为2 0 0 k m h 时 其最佳竖井断面积为 1 4 m 2 而最佳竖井数是3 个 与竖井情况类似 横通道断面积 间距和并联隧道间距对隧道 空气动力效应有较大影响 三者同样存在一个最佳值 且这一最佳值 与隧道参数及车型和车速密切相关 通道形状的变化对隧道壁面及车 体表面测点压力影响不明显 但对于微气压波 圆形横通道的缓解效 果明显优于拱形横通道 前者要比后者多减小1 1 2 关健词 高速列车 隧道辅助措施 瞬变压力 微气压波 a bs t r a c t o b v i o u sp r e s s u r ef l u c t u a t i o ni nt u n n e la n dm i c r o p r e s s u r ew a v e r a d i a t e d 厅o mt h ee x i to ft h et u n n e l w h i c ha r ec a u s e db yat r a i ne n t r yi n t o at u n n e la tah i g hs p e e d w i l lm a k es e r i o u si m p a c to nd r i v i n gs a f e t y p a s s e n g e rr i d i n gc o m f o r ta n de n v i r o n m e n ta r o u n da t u n n e l t h e r e f o r e i t i sb a s i cq u e s t i o nt h a tm u s tb ec o n s i d e r e dw h e nr e l a t e dt ot h eh i g h s p e e d r a i l w a y t u n n e ld e s i g n s a n dw h e t h e r e x i s tt u n n e l s a d a p t t ot h e s p e e d r a i s i n go f t r a i n i n o r d e rt os i m u l a t et h ec o m p l e xa i r f l o wi n n e rt u n n e lt r u l y t h e n a v i e r s t o k e se q u a t i o n sw i t ht h r e ed i m e n s i o n a l c o m p r e s s i b l e a n d u n s t e a d yv i s c o u sf l u i dw e r et a k e na st h ec o n t r o le q u a t i o n s t h em o v e m e n t b e t e e nt i i a i l la n dt u n n e l a n dt w ot a i n sw a si m p l e m e n t e db ya d o p t i n g t h e t e c h n o l o g yn a m e ds l i p p a g eg r i d t h e n t h ea s s i s t a n tm e a s u r e sw h i c hc a n a l l e v i a t et h et u n n e la e r o d y n a m i c s e f f e c tw e r es t u d i e ds y s t e m i c l y c o m b i n i n gw i t ht h em o d e le x p e r i m e n t a n ds o m ei m p o r t a n tc o n c l u s i o n s w e r eg a i n e da sf o l l o w i n g t h ea e r o d y n a m i ce f f e c tw a sa l l e v i a t e de f f e c t i v e l yb e c a u s eo ft h e a s s i s t a n te s t a l i s h m e n t so ft u n n e l s h a f t c r o s sp a s s a g e a i rp r e s s u r e a m p l i t u d eo fm e a s u r i n gp o i n t s o nt r a i ns u r f a c ea n dt u n n e l w a l li s a p p r o x i m a t e l yp r o p o r t i o n a lt ot h es q u a r eo fr u n n i n gs p e e do f t h et r a i n a n dm i c r o p r e s s u r ew a v ei sa p p r o x i m a t e l yp r o p o r t i o n a lt ot h ec u b eo f r u n n i n gs p e e do f t r a i na f t e rs e t t i n gt h ea s s i s t a n te s t a b l i s h m e n t s t h ep o s i t i o n c r o s s s e c t i o na r e aa n dn u m b e ro ft h es h a f tt a k ea n i m p o r t a n tr o l ei nd e c r e a s i n gt h ea r e o d r n a m i c sp r e s s u r ea m p l i t u d e a n d m e r ea r et h ei d e a l i s tv a l u e sf o rt h et h r e ea b o v e w h i c ha r en e a r l yr a l a t i o n a l t op a r a m e t e ro ft h et u n n e l t h et y p ea n dr u n n i n gs p e e do ft r a m f o r 一 一 一 i i e x a m p l e w h e nt h et r a i na tt h es p e e do f2 0 0 k r n hp a s s e st h r o u g ht h e t u n n e lw h i c hc r o s s s e c t i o na r e ai s5 9 m 2 a n dl e n g t hi s9 8 6m e t e r t h e i d e a l i s ta r e ao ft h es h a f ti s14 m 2 a n di d e a l i s tn u m b e ri s3 a ss i m i l a ra st h es h a f t t h ec r o s s s e c t i o na e r a s p a c i n go fc r o s s p a s s a g ea n dt h es p a c i n go fp a r a l l e lt u n n e lh a v es i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo n a e r o d y 7 n a m i c se f f e c t s t h e r ea r ea l s ot h ei d e a l i s tv a l u e sf o rt h r e ea b o v e a n dw h i c ha r en e a r l yr a l a t i o n a lt ot h ep a r a m e t e ro ft h et u n n e l t h et y p e a n dr u n n i n gs p e e do ft r a i n t h ei n f l u e n c eo np r e s s u r eo fm e a s u r i n gp o i n t s o nt r a i ns u r f a c ea n dt u n n e lw a l lc a u s e db yt h ec h a n g eo ft h ec r o s sp a s s a g e s h a p ei sn o to b v i o u s h o w e v e r f o rt h em i c r o p r e s s u r e t h ea l l e v i a t i n g e f f e c to ft h ec r o s sp a s s a g ew i t hc i r c l es h a p ei sb e t t e rt h a nt h ea r c h e d s h a p e a n dt h ef o r m e rc a nd e c r e a s em o r e11 2 t h a nt h el a t t e r k e yw o r d s h i g h s p e e dt r a i n t u n n e la s s i s t a n tm e a s u r e s t r a n s i e n t p r e s s u r e m i c r o p r e s s u r e i i i 原创性声明 本人声明 所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果 尽我所知 除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料 与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明 作者签名h 之叁查 主 日期 丝年 月立日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有 权保留学位论文 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论 文的全部或部分内容 可以采用复印 缩印或其它手段保存学位论文 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文 作者签名 越导师签名 邋日期 盟年 月鱼日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 高速铁路的发展必然伴随着大量隧道工程的出现 据统计 国外在已经投入 运营的高速铁路中 已建成的高速铁路隧道大约有1 1 8 3 8 k m 不含意大利的隧道 其中 日本6 9 8 6 k m 法国5 9 7 k m 德国1 8 5 7 k m 西班牙1 5 8 k m 韩国1 8 9 4 k m 2 0 0 7 年6 月1 5 日 世界上最长的陆上高速铁路隧道 瑞士建设的穿越阿尔卑斯 山的勒奇山隧道正式建成通车 全长3 4 6 公里 在我国 在建隧道有客运专线 含高速铁路 城际铁路 隧道和客货共线隧 道 截止到2 0 0 6 年1 0 月 在建铁路客运专线隧道约5 1 6 座 总长度约7 0 8 k m 在建客货共线隧道约1 2 6 9 座 总长约1 4 5 6 k m 即将开工建设的铁路客运专线隧 道约1 4 6 座 长约1 8 4 k m 根据中长期铁路网规划 近十几年内将修建超过1 2 0 0 k m 的客运专线隧道工程 相当于国外己通车运营的高速铁路隧道的总长度 隧道的存在 使得高速列车运行过程中出现明线运行时所没有的一些特殊现 象 列车过隧道运行的特点类似于活塞进入气缸的情况 列车风引起隧道内空气 流场剧烈变化 i 列车进入隧道后将隧道内原有的部分空气排开 由于空气粘性和 隧道内壁 列车外表面摩擦阻力的存在 被排开的空气不能像明线空气那样及时 顺畅地沿列车周侧形成绕流 列车前方的空气受到压缩 而列车尾部进入隧道后 形成一定的负压 因此产生了压力波动过程 这种压力波动以声速传播至隧道口 大部分发生反射 产生瞬变压力 而另一部分则形成向隧道外的脉冲压力波辐射 即微气压波 由于列车高速通过隧道所引发的隧道空气动力效应会对高速列车运 行 人员舒适度和环境造成一系列严重影响和危害 2 刮 1 瞬变压力造成旅客和乘务人员耳膜明显不适 舒适度降低 并对铁路员 工和车辆产生危害 2 高速列车进入隧道时 会在隧道出口产生微气压波 发出轰鸣声 形成 空气动力学噪声 污染环境 并使隧道口附近建筑物门窗发生振动 影响居民生 活 3 行车阻力增大 从而使运营能耗增大 4 由于列车的行车阻力加大 在隧道中积聚引起温度升高等 伴随着铁路高速化进程 鉴于列车过隧道时引发的一系列问题 逐步形成了 列车 隧道耦合空气动力学 7 世界各国在发展高速铁路和高速列车时 也都将隧 道空气动力学问题作为关键内容之一进行研究 s 9 1 随着我国既有线提速和高速客运专线的发展 列车运行速度大幅度提高 上 硕士学位论文 第一章绪论 述隧道空气动力效应对列车运行安全性 经济性和旅客乘坐舒适性等带来的影响 将更为严重 1 2 隧道空气动力效应国内外研究现状 高速列车隧道压力波及其引起的人体不舒适感 列车强度等问题的研究起始 于2 0 世纪6 0 年代日本新干线高速铁路的修建和运营 随着铁路高速化进程的推 进和城市地铁发展的需要 英 日 德 法以及近1 0 余年成长起来的中国等国家 分别展开了隧道压力波的理论和试验研究 目前 世界各国对列车进出隧道的空 气动力学特性研究的主要方法有数值模拟方法和试验方法 数值模拟研究方法有 特征线法 有限差分方法 有限元方法 面元法 p a n e l 和有限体积法 试验方法可 分为在线实车试验和模型试验 1 2 1 研究方法 一 数值模拟研究 早在2 0 世纪2 0 年代 就已经研究了隧道空气动力学问题 2 0 世纪6 0 年代后 随着列车运行速度的提高和长大隧道的修建 及计算机技术和计算技术的发展 高速铁路隧道压力波的理论和数值模拟研究得到不断地发展和完善 在研究这一问题之初 不少学者都采用一维空气流动模型来研究 即为特征 线法 日本学者t m a e d a 等 1 0 一4 基于一维流动理论对环状空间中某点的压力是与 进口端距离的关系及对横通道进行了研究 英国学者w o o d s 等 1 5 1 6 1 人利用一维可 压缩非定常不等熵流动理论和广义黎曼变量特征线法模拟了初始压力波 研究中 将车头驶入隧道过程比拟为喷管 v a r d y 等 1 7 1 9 人采用考虑摩擦的等熵非定常流动 模型 利用一维特征线法发展了会车压力波数值模拟软件 并利用该软件进行了 压力变化的参数研究 v a r d y 的方法可能是最具有综合性的隧道非定常气流的预测 方法 它可以处理在带有通风竖井和支洞的复杂隧道网中的多种列车的运行状态 v a l e n s i f 2 0 1 利用不可压缩定常流动模型提出了地铁系统中列车交会和双孔双线 隧道压力波的理论预测方法 b a r o n 等 2 i 人采用准一维模型 利用有限体积法模拟 了带通风竖井的小截面长隧道 并且在隧道中设有站台 隧道的截面积发生变化 的压力波和运行阻力问题 随着现代计算机技术和数值计算方法的不断发展 对 隧道压力波波动规律的理论模型研究从简单到复杂 特别是近年来 在列车 隧道 相互作用问题的研究中 采用二维 三维有限差分方法 有限元方法 面元法 p a n e 法 和有限体积法进行研究成为可能 s t e i n b e u e d 2 2 采用面元法分析了列车驶入隧道瞬间压力波动的形成规律 b e r e n g e r 2 3 1 等采用面元法研究了高速列车在明线和在隧道中引起的不稳定效应 a i t a f 2 4 等人采用二维和三维有限元法 在c o n v e x 超级计算机上模拟了法国t g v 2 硕士学位论文 第一章绪论 高速列车驶入隧道端口时压缩波的形成过程 日本学者饭田雅宣 2 5 j 利用t v d 计算 格式的有限体积法研究了0 系列高速列车引起初始压缩波的形成过程和车头形状 的影响 f u j i i 等人 2 6 2 7 j 对两列车在隧道中相会和列车进入隧道时引起的三维流动 采用求解欧拉方程或n s 方程进行了模拟 韩国学者c hs h i n 等人i 孙j 通过求解三 维雷诺平均n s 方程 对列车进入隧道和在隧道中运行时的流动特性进行了模拟 s u z u k i l 2 9 利用m a c m a r k e ra n dc e l l 方法通过求解三维不稳定不可压缩雷诺平均 n s 方程 对高速列车在空旷地面和进入隧道的流场及在隧道中作用在列车上的不 稳定空气动力学作用力进行了研究 国内关于隧道空气动力学的数值模拟研究起步较晚 清华大学朱克勤 3 0 等采 用一维非定常流动对高速列车进入隧道的初始压缩波进行了初步模拟 另外还有 王韦 余南阳 梅元贵掣3 1 出 也曾利用一维流动模型隧道内活塞风及压力波动影 响参数进行了研究 我国台湾学者宋c c 1 3 5 曾利用t v d m a c c o r m a c k 格式 采用 无反射边界条件和滑移网格技术在s g ip o w e rc h a l l e n g e 工作站上对高速列车隧道 空气动力学问题进行过三维分析 西南交大的骆建军p 6 3 7 采用三维数值模拟方法 对于高速列车突入隧道时的压缩波进行了研究 近几年快速发展起来的中南大学轨道交通安全教育部重点实验室 在列车隧 道空气动力学方面也投入了大量的科研力量 具备大型计算机工作站 对列车过 隧道的数值算法及其应用进行了深入系统的研究 取得了一系列的重要成果 3 8 4 2 j 二 试验研究 试验结果是验证理论计算结果正确性的唯一手段 隧道压力波的试验研究可 以分为两类 一类是在线实车试验 另一类是模型试验 1 实车试验 在国外 许多研究组织和研究者进行了一系列实车试验 对列车通过隧道时 诱发的隧道压力瞬变和速度变化等进行现场测试 主要工作是在欧洲和日本完成 日本在新干线进行了大量的实车试验 欧洲铁路联盟o r e c l 4 7 和o r e c l 6 9 的实 车试验工作参见文献 4 3 和 4 4 大量的实车试验结果揭示了压力波及其影响因素 为压力波理论计算模型提供了验证必需的试验参数 m a n c i n i 和v i o l i l 4 5 j 进行了两 列高速列车 e r r 5 0 0 在隧道内相会的实车试验 k o m a t s u 和y a m a d a h 6 i 测量了3 0 0 系列车在隧道中会车时的压力变化和横向加速度 国内1 9 9 5 年由铁道部科学研究院铁道建筑研究所主持 在山西南同蒲下行线 许家店l 号隧道 对列车通过隧道的气动压力波进行全过程量测 并初步总结出 普通列车通过隧道时压力波的一般规律 4 7 2 0 0 5 年5 月1 6 日至6 月5 日在遂渝线 首次成功开展了2 0 0 k m h 动车组 长白山号列车 通过隧道的空气动力学试验 4 列 2 0 0 7 年2 月在遂渝线再次开展了无碴轨道隧道空气动力学试验1 4 9 j 两次实车试验 硕士学位论文第一章绪论 主要由中南大学轨道交通安全教育部重点实验室参与完成 试验结果为制定我国 相关的技术条件和技术标准奠定了基础 2 模型试验 在线实车试验是检验 评价其他研究方法正确性的必要手段 但由于实车试 验首先需要己建成高速线路和具备了进行试验的车辆 其次是实车试验费用高 试验的工况有限 试验结果也易受环境因素的影响因此 于是 人们就想用模型 试验来代替实车试验 模型试验可分为以空气为介质和以水为介质两种 1 以水为介质的模型试验有浅水槽模型试验装置 又称水槽法试验装置 2 0 世纪6 0 年代中期 美国麻省理工学院学者m i l l s 和w i l s o n 5 汹1 利用浅水槽定 性模拟了高速列车通过隧道时的运动情况 1 9 7 9 年英国和1 9 9 3 年日本等 5 2 有关部 门采用水槽模型试验 研究列车通过隧道时的空气动力学问题 浅水槽模型装置 的试验原理是利用可压缩气体与自由表面液体的相似性 即可压缩气体的无涡等 熵流相似于有自由表面液体的无涡无摩擦流 在国内 西南交通大学和中铁西南 院曾对沉管隧道空气动力效应进行了分析研列5 3 巧4 1 2 以空气为介质的隧道压力波试验一般有沿钢丝滑行式模型试验和橡皮筋 弹射式模型试验两种 沿钢丝滑行动模型试验装置 又称发射式列车模型试验装置 主要有压缩空 气发射式和旋转轮发射式两种 1 9 9 1 年日本铁路部门使用沿钢丝滑行的模型试验 装置研究列车驶入隧道时隧道出口产生的微气压波等问题 目前新型的试验装置 采用旋转轮发射式 电机驱动3 对旋转轮旋转 高速旋转轮对将其中间的模型列 车发射出 模型列车速度可达4 5 0 k m h 橡皮筋弹射式模型试验 1 9 7 9 年美国加利福尼亚理工学院与英国剑桥大学联 合 利用机械弹射式模型试验装置 进行 缓解隧道入口处压力瞬变现象的试验 研究 该试验装置采用橡筋绳作为弹射动力 模型列车速度3 0 m s 模型列车及 隧道几何缩比1 1 0 0 模型列车长度分为5 5 c m 和1 1 0 c m 两种 隧道模型长度2 0 m 1 9 9 1 年英国d e r b y 铁路研究中心研建成功大型列车气动性能模型试验装置 5 5 该 装置采用橡筋绳作为弹射动力 模型列车试验速度可达2 0 0 k m h 线路长1 5 0 m 其中4 8 m 为试验段 模型几何缩比为l 2 5 该装置主要用于研究列车与列车 列车与地面及列车与隧道壁面有相对运动时引起的非定常流动 利用该模型 对 短隧道中压力波的传播 隧道入口处压力的升高及交叉隧道的影响等进行了模拟 试验结果与实测数据完全吻合 1 9 9 9 年中南大学 原长沙铁道学院 成功研建了能有效模拟列车高速通过隧 道空气动力问题的大型列车气动性能模型试验装置 7 并开展了一系列研究工作 4 硕士学位论文第一章绪论 该试验装置为世界上第二套同类型的试验装置 模型比例 试验线长度和列车模 型运行速度均超过英国d e r b y 铁路研究中心建成的第一套装置 试验装置由双轨 组成 列车模型几何缩比1 2 0 试验线分为三段 发射段 试验段和减速段 总 长1 6 4 m 其中试验段长6 0 m 列车模型最大运行速度2 8 0 k m h 比较几种模型试验装置可以发现 隧道压力波浅水槽模型试验装置 是一维 方式的近似模拟方法 故试验结果精度较低 沿钢丝滑行动模型试验装置 这种 装置优点是成本低 速度高 缺点是模型比例小 模型列车上无法安装测试仪器 不能反映列车受到的空气动力和瞬变压力冲击波 仅能完成列车通过隧道试验 此外模型列车和隧道的外形采用轴对称形的柱状体 是对实际流动空间情况的一 种准三维模拟 测试精度受到一定的影响 大型动模型试验装置将列车和线路按缩比制作成与实际情况几何相似的模 型 通过弹射方式驱动两模型列车在试验线路上相对运行 模拟列车交会和过隧 道的情况 这种试验装置能较为真实地反映地面效应 在线实际列车在线路上的 运行状态 并且能进行列车交会模拟试验 这是这套试验装置的独到之处 这也 是流体力学界公认的用于列车交会 列车过隧道试验研究的最佳试验设备 1 2 2 缓解隧道空气动力效应的主要措施 由于列车通过隧道时引发的隧道空气动力学问题比明线时更加剧烈和严重 因此为降低隧道空气动力效应的影响 通过对大量的理论和实验研究 5 7 1 人们 已经找到了许多有效缓解隧道空气动力效应的措施 可以归纳如下 1 车辆方面 车辆的密封性 车辆密闭性能越好 车辆内的最大瞬变 压力就越小 从而提高旅客的舒适度 车辆的外形 在隧道横断面净面积不 变的前提下 从车辆的横断面积和车头形状考虑以改善车辆外形的 减小车辆横 断面积可降低阻塞比 有效降低隧道内的瞬变压力 进而可缓解车内的瞬变压力 2 隧道方面 增加隧道断面面积 对于新建隧道来说 直接增大隧道 的有效净空面积就减小了阻塞比 进而也就减少了压力波动的影响 不过这种措 施会无形中增加造价 设置缓冲结构 在隧道的端口设置缓冲段可减d n 车 进入隧道时产生压缩波的波前压力梯度 进而可以明显地降低微气压波以及由此 而产生的噪声和对环境的影响 缓冲段的横断面形状可为拱形或为门形 要求在 其两侧可按一定的比例开孔 沿其纵向可做成逐渐扩大的型式或喇叭形 采 用有碴道床的长隧道 压缩波在传播过程中会衰减 压力梯度也逐渐平缓 而采 用无碴道床的长隧道 在一定长度范围 压力梯度将逐步增大 从而产生大的微 气压波 设置吸音材料 能减缓压力梯度 隧道的辅助坑道包括竖井 斜井 和横洞等 最初是因为长大隧道施工和线路投入运营后通风的需要而设 但当辅 助坑道在隧道内所处位置 设置的数量及选用的断面积合适 实现压缩波与膨胀 硕士学位论文第一章绪论 波的叠加 却能极为有效地减小隧道内空气压力变化幅值 减缓压缩波的压力梯 度 从而降低隧道和车辆结构承受的空气动力载荷及隧道出口的微气压波 由于 这些设施在隧道修建和运行时通常是必须修建的 所以利用这些设施来缓解隧道 空气动力效应是非常经济 有效的措施 因此在设计隧道时需对设置的辅助坑道 进行细致的空气动力学分析 以便合理确定有关的参数 3 其它缓解隧道空气动力效应的可行措施 现正开展研究的一些缓解隧道 空气动力效应的措施有 在隧道内设置水幕或喷洒水滴 用于迟滞压缩波的传 播 以减缓压力梯度 k a k u t s u 等人提出用风机调节车厢内部压力 以减小列 车进入隧道时车内空气压力的变化幅度等 1 2 3 课题的研究意义 隧道中的辅助坑道 竖井 斜井和横洞 或称分支隧道 是隧道修建和运行 时所必须修建的 所以利用这些设施来缓解隧道空气动力效应是非常经济 有效 的措施 对此国内外学者进行了研究 1 但国外许多用于减压措施在应用中 要受到很多条件的限制 有些并不 适合我国 同时我国的许多现有隧道属于单线隧道 断面较小 对这些隧道的改 造不能单纯照搬国外的方法 同时 由于环境 地理条件等的限制 每一条隧道 都会有其独特性 建立的隧道断面的尺寸以及各种附属设施也不同 2 国内外很多学者采用一维流动模型模拟列车进入隧道时诱发的空气动力 学效应 取得了较好的效果 但是 当隧道具有通风竖井或是横通道等隧道辅助 设施 列车进入隧道时产生的空气压缩波达到这些辅助设施与隧道的连接处时 由于隧道断面积变化 又会在隧道内产生更为复杂的波的叠加现象 具有三维流 动特性 3 一些学者曾采用多维模型进行研究 取得了一些成果 但对具有通风竖 井或是横通道等辅助减缓措施研究仍然不够完善 还需要作系统的深入细致的研 究 对于我国既有线隧道提速 正在建设和即将建设的1 2 0 0 k m 客运专线隧道工 程 在设计隧道时就对设置的辅助坑道进行细致的空气动力学分析 以便合理确 定有关的参数是非常必要的 1 3 本文的研究内容和研究方法 1 3 1 研究内容 因此 本文以铁道部科技研究开发计划项目 缓解瞬变压力辅助工程措施的 研究 和 隧道群空气动力效应研究 为依托 结合我国高速铁路的发展国情 6 硕士学位论文第一章绪论 对于辅助设施对隧道空气动力效应的影响进行研究 主要内容如下 1 有无竖井时单线隧道内瞬变压力变化及竖井位置 竖井数量 竖井高度 和竖井面积对单线隧道瞬变压力影响的研究 2 有无竖井时双线隧道内瞬变压力变化及竖井位置 竖井高度和竖井面积 对双线隧道瞬变压力影响的研究 3 横通道截面形状 截面面积 横通道间距 并联隧道间距对隧道空气动 力学问题的研究 包括单车通过隧道情况和双车通过隧道情况 4 动模型试验结果的分析 1 3 2 研究方法 根据所具备的研究条件 本文采用数值模拟计算和动模型试验相结合的研究 方法 数值模拟方法基于三维粘性 可压缩 非定常n s 方程的数学求解模型 采 用分区滑移网格技术实现列车与隧道 列车与列车之间的相对运动 动模型试验是在中南大学轨道交通安全教育部重点实验室研建成功的世界上 第二套同类型的大型列车气动性能模型试验装置上完成的 7 硕士学位论文第二章隧道空气动力学效应数值方法理论基础 第二章隧道空气动力学效应数值方法理论基础 计算流体力学 简称c f d 是近代理论流体力学 计算数学和计算机科学结 合的产物 是一门具有强大生命力的应用科学 它的出现及迅速发展使其成为与 理论分析和模型实验相辅相成 并驾齐驱的重要研究手段 它以电子计算机为工 具 应用各种离散化的数学方法 对流体力学的各类问题进行数值模拟研究 以 解决各种实际问题 计算流体力学从基本物理定律出发 在很大程度上替代了耗 资巨大的流体动力学实验设备 在科学研究和工程技术中产生巨大的影响 6 8 7 0 l c f d 的基本思想是 把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场 用一系 列有限个离散点上的变量值的集合来代替 通过一定的原则和方式建立起关于这 些离散点上场变量之间关系的代数方程组 然后求解代数方程组获得场变量的近 似值 因此c f d 有时也称流场的数值模拟 数值计算 或数值仿真等 数值计算 方法具有速度快 周期短及比试验研究成本低且受到的约束条件少等优点 因此 在列车空气动力学问题的研究中 列车流场数值模拟计算 计算流体力学在列车 工程上的应用 是不可缺少的重要手段 c f d 方法与传统的理论分析方法 实验测量方法组成了研究流体流动问题的 完整体系 理论分析理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性 各种影响因 素清晰可见 是指导实验研究和验证新的数值计算方法的理论基础 实验测量方 法所得到的实验结果真实可信 它是理论分析和数值方法的基础 2 1 数值计算的基本控制方程 列车在隧道内运行时引起的空气流动是三维 可压缩 非定常湍流流动 它 的控制方程包括 2 1 1 连续性方程 根据质量守恒定律 控制体内的质量随时间的变化率与单位时间经过控制面 的流体质量净通量之和等于零 导出直角坐标系下微分形式的连续方程的张量形 式l 7 j 为 譬 兰 p u 0 研 田f 吼一o f i 型 塑 型 0 a t瓠 匆 a z 式中 列车周围流场速度 分别代表u v w 三个坐标方向的速 度分量 p 空气密度 8 堡主堂垡鲨文 第二章隧道空气动力学效应数值方法理论基础 二 一 一 坐标的三分量 分别代表x y z 三个方向坐标 2 1 2 运动方程 根据气体粘性应力与气体运动速度之间的关系 运用牛顿第二定律 忽略空 气的质量力 得到直角坐标系下可压缩粘性流体的三个运动方程 7 1 1 6 9 7 0 1 昙c 剐 考c 脚一 一善 考 考 警一2 38 a 两u q 一2 式中 u 或 为流场速度 代表 1 w 三个坐标方向的速度分量 t 或x 为三个坐标 代表x 少 z 三个坐标分量 p 为压力 嗡为克罗内克符号 当扛 时 毛 1 0 当f 时 磊 o 0 为空气动力黏度 一般而言 是温度的函数 在层流情况下 空气动力粘 度 的计算通常使用萨泽兰特 s u t h e r l a n d 半经验公式 旦 上 百288 15 c 2 3 po 2 8 8 1 5 7 t c 其中 u o 是丁 t o 2 8 8 1 5 k 时的 值 c 是常数 等于1 1 0 4 k 2 1 3 能量方程 根据能量守恒定律 可导出能量方程 7 1 昙 p 句 苦h p e p 1 丢 k 署托巧 2 4 舯 件c 考 挈一詈辔芬 r 绝对温度 e p i 1 为总能 在常温下 内能和温度的关系式为 e c o t g 为定容比热 k 为热传导系数 对于可压缩流动 假设空气是一种完全气体 则完全气体的状态方程为 p r p t 2 5 式中 r 气体常数 2 1 4 标准的k 一占两方程模型 目前 对于列车空气动力学中的工程湍流问题 应用最广泛的是七一s 两方程 9 硕士学位论文第二章隧道空气动力学效应数值方法理论基础 湍流模型 因此本次计算采用的是标准的k 一 两方程湍流模型 7 6 9 川 标准七一占模型是典型的两方程模型 是在一方程模型的基础上 新引入一个 关于湍流耗散率 的方程后形成的 七一s 湍流模型也是一种湍流粘性模型 它和代数模型的主要差别是七一g 湍流 模型的湍流粘性系数从包含了部分历史效应 将湍流粘性系数和湍流动能与湍流 动能的耗散率联系在一起 鸬 c 丝 2 6 式中 鸬 湍流黏性系数 s 湍流耗散率 巴 湍流常数 一般情况下取巳 o 0 9 湍流动能尼方程为 昙 霹 要 砌沪 丝 当 鸬誓 誓 晏 一声 2 7 o t a c 积io a c i蕊 a x o c i 湍流耗散率占方程为 昙 胪 毒 胪 毒 丝o e 罢j c d 4 i 6 瓦a u j 瓦 u j 每 c 2 p 等 2 8 式中 朋 层流黏性系数o c 1 c 2 吼 为经验常数 一般取值如下 c l 1 4 7 c 2 1 9 2 吒 1 o 吒 1 3 3 至此 由式2 1 式2 2 的三个方程 式2 4 式2 5 式2 7 式2 8 组成可压缩流动方程组 共八个独立方程 独立的未知量p p t 的三个分 量及后和s 共八个独立的未知量 因此方程组封闭可以求解 2 2 边界条件 2 2 1 固壁边界条件 对于列车表面 按光滑壁面处理 给定运动边界条件 3 6 列车壁面切向速度 与列车速度相同 列车侧壁表面气流的法向速度为零 即 0 流域底面 给定无滑移边界条件 对于隧道壁面 6 9 1 由于粗糙度的影响 可以采用七一占方程在壁面的边界条件 标准壁面函数模拟隧道壁面附近的流体 当y 1 1 2 2 5 v i i l 巨y 2 9 1 0 硕士学位论文第二章隧道空气动力学效应数值方法理论基础 当y 1 1 2 2 5 v y 2 1 0 式中矿 墼1 1 4 一1 1 2 y 盟1 1 4 1 1 2 l w p 弘 其中k 0 0 4 2 卡f j 伟 数 e 9 8 1 经验常数 圪是彳点的平均速度 幻 是彳点的涡流动能 流体的动态粘性系数 儿是彳点到隧道壁面的距离 2 2 2 入口和出口边界条件 流域两侧面 顶面为压力出口进口边乔条件 6 9 相对压强 o 出口边界 条件 相对压强 0 2 3 列车过隧道滑移网格技术 2 3 1 列车过隧道模型分区法 列车过隧道计算区域可以按图2 7 所标示的分为7 个子区域f 7 l 区域1 和区域4 随列车一起滑动 该区域离列车较近的地方 网格可以稍微 密一点 该区域离列车较远的地方 网格可以比较稀 区域2 为列车周围一个较小的区域 该区域随列车一起滑动 由于列车的外 形相当复杂 该区域的网格一般可采用非结构网格 而列车车壁附近的流场复杂 要求网格非常密 因此 该区域不宜太大 以减小网格的规模 区域3 为地面区域 一般该区域要求模拟附面层 由于该区域狭长 纵横比 非常大 可用结构网格生成网格 区域6 和区域7 为隧道外的大部分区域 可以用结构网格划分该区域 区域5 为靠近隧道壁区域 一般该区域要求模拟附面层 由于该区域狭长 纵横比较大 可用结构网格生成网格 图2 1 列车过隧道计算域分区示意图 2 3 2 信息交换与滑移网格法 列车进出隧道的过程所涉及的问题是相当复杂的 在进出隧道时 数值模拟 的边界条件是变的 所以用一般的计算方法求解很难得到满意的结果 滑移网格 硕士学位论文第二章隧道空气动力学效应数值方法理论基础 法1 7 儿 3 6 j 是在移动区域中设定滑移面和滑移体 由于滑移体所经过的区域不同 从而 反映边界的变化 其具体实现过程如下 在采用滑移网格技术时 要定义两个或 两个以上的单元区域 滑移区域通过滑移面来进行信息交换 滑移面将会发生相 互移动 由图2 1 可知 为模拟列车和隧道之间存在相对运动 当列车向前运动时 区 域1 2 和区域4 会和列车以同样的速度向前运动 而区域3 区域5 区域6 和 区域7 静止 静止区域和运动区域之间的边界定义为交换面 静止区域和运动区 域之间的信息交换通过交换面进行 信息交换可以以图2 2 说明 区域2 的边界面由a b c 组成 区域5 的边界面由d e f 组成 在计算过程中 两边界面相对滑动而形成交换面 面a b c 和面d e f 互相切割形成公共面a d b e c 单元4 的边界信息通过面d b e 由单元1 单元2 和单元3 插值提 供 同时单元1 单元2 和单元3 的边界信息 通过面a d b e c 由单元4 单元5 及区域5 的其它边界单元的信息插值提供 在计算区域中 随着列车不断的向前运动 与列车连接在一起的网格也一起 与列车以恒定的速度随着时间的变化向前运动 每个网格点的空间位置和速度必 须在每一个时间步内计算得到 在物理时间步的零时刻 即t 0 时刻 初始网格 通过复合网格法得到 在以后的每一个物理时间步 内 列车和网格点相对于隧 道的位置根据列车运动的速度的大小重新计算得到 而在其它的非移动区域内 网格的位置相对于隧道来说是相对静止的 因此 运动的网格与不运动的网格之 间的流场的信息交换是通过插值得到的 区域2 界面 d a 6 色 e d e l f k 4 5 i l 2 3 3 计算网格 区域5 单元 图2 2 交换面信息交换示意图 非结构网格虽然容易适应复杂外形 并对任意外形具有良好的普适性等特点 但相对结构网格而言 需要更多的计算机内存和耗费更多的c p u 时间 结合结构 非结构网格互补的优缺点 产生了结构 非结构混合网格 其中隧道和地面用六 面体结构化网格离散 列车由于其外形为三维自由曲面 用四面体非结构化网格 1 2 硕士学位论文 第二章隧道空气动力学效应数值方法理论基础 离散 为实现物体的相对运动 在两种网格间生成用于数据交换的公共滑移界面 对单线隧n n 环n n 对有列车交会的双线隧道 在两列车之间尚需增加一矩 形面 各种研究工况所用计算模型经离散后 其体网格总数均在1 5 0 万以上 图 2 3 为计算网格图 a 单线隧道壁面网格图 b 双线隧道入口断面网格 c 并联隧道入口的断面网格图 d c r h 2 头部网格图 e 单车过隧道计算网格图 d 双车过隧道计算网格图 图2 3 计算网格图 硕士学位论文第三章竖井对单线隧道内瞬变压力影响的研究 第三章竖井对单线隧道内瞬变压力影响的研究 列车在进入隧道过程中 列车头部的空气受到压缩 形成瞬变压力 过大的 瞬变压力将引起隧道内及车厢内部的压力波动 使隧道内的作业人员和旅客的耳 膜受到强烈的刺激 从而引起人体不舒适感 甚至造成车窗玻璃破损 严重影响 列车运行的安全性 利用隧道通风竖井 通称分支隧道 等辅助设施来降低隧道内瞬变压力是一 个比较经济而又有效的方法 竖井的存在会缓解压力波动的程度 本章重点对列车进入单线隧道时竖井对隧道瞬变压力的影响进行研究 3 1 流场数值计算 3 1 1 数值计算模型 1 列车模型 列车过隧道引发隧道内空气压力变化 其压力变化的幅值大小 主要与列车 运行速度 列车的车体外形 隧道几何参数有关 因此对计算模型进行适当简化 忽略转向架的影响 并以便与动模型试验结果做验证比较 本次计算模型均为缩 比模型 取两车编组 c r h 2 动车组和先锋号动车组 均由流线型头车和流线型尾 车组成 两种动车组计算模型示于图3 1 图3 2 一 1 4 6 m 一 一 图3 1c r h 2 动车组计算模型图 l 5 l n 图3 2 先锋号动车组计算模型图 由于试验装置的轨道复线间距为2 5 0 m m 而要研究的隧道复线间距为4 4 m 因此模型的缩尺比为1 1 7 6 图3 1 所示的2 9 2 m 车长 实际列车长度为5 1 4 m 图3 2 所示的3 0 2 m 车长 实际列车长度为5 3 m 1 4 硕士学位论文第三章竖井对单线隧道内瞬变压力影响的研究 2 隧道模型 隧道的计算模型 按1 1 7 6 的比 例缩比后 横截面积为5 9 m 2 的单线 隧道缩小为0 1 9 i n 2 隧道计算模型截 面形状示于图3 3 隧道模型长度根据动模型实验装 t i i 置可达5 6 m 折合到实际长度为 9 8 5 6 m 至此 列车一隧道耦合计算 的基本模型全部建立 剩余部分就是 根据研究的需求 相应按位置与几何 尺寸设置竖井 图3 3 单线隧道断面图 3 模型测点布置 为更好的进行数据分析 对列车及隧道模型监测数据点 其测点布置如下 高速动车组测点布置 示于图3 4 两种动车组均分别布置了1 6 个测点 隧 道壁面测点布置 单线隧道1 8 个点 示于图3 5 其中单线隧道在距入口o 1 5 0 2 4 8 0 3 9 8 0 5 6 8 m 截面上布置的测点 是用于检视隧道内的三维效应 所有测 点均进行了计算 但仅列出部分测点数据 用于和动模型实验结果对比 10 0 m 一 1o o m一 一0 3 m 一0 3 m 0 2 5 m qz 田 ll 址 国if 一 0l q m弭 固吲 百p敌r p 刍 r 丁i 9 翔l 刁r a d 00 9 m 0 0 9 m i a c r h 2 列车 1 1 2 m 一 一 一 1 1 2 m o 2 3 m q 2 3 f i l 0 1 6 m 0 1 6 m 0 1 0 m0 1 0 m 0 0 m o 0 m 一 囝p9 户吣q 一一 骰 爿 o 甄 h l 飞 一 国 西渤 o 1 5 o 1 5 mo 0 5 mo 1 0 m0 1 6 m b 先锋号列车 图3 4 列车车体表面测点布置 硕士学位论文第三章竖井对单线隧道内瞬变压力影响的研究 a 隧道测点纵向位置 b 截面a b c 测点布置图 图3 5 单线隧道布点示意图 图3 6 高速动车组单线隧道内运行计算区域