复杂结构铁路隧道压力波效应数值模拟研究

摘要

在列车高速化的推进过程中，包括隧道压力波在内的空气动力学问题变得十分突出，严重影响着铁路快速、舒适、可靠、经济以及安全性。由于多山地貌，我国高速铁路隧线比高，隧道压力波问题变得尤为突出。此外，近年来我国城市地铁高速化过程中也出现了明显的隧道压力波问题。在过去的很多年，国内外对这一问题已经进行了大量的研究，但系统研究设置竖井、横通道等复杂结构较长隧道内单车及会车压力波的成果较少。
　　本文主要采用数值计算方法，以高速铁路隧道和地铁隧道为对象展开隧道压力波效应问题的研究，主要内容具体如下：
　　（1）根据列车通过隧道过程中引起的空气流动具有很强的一维流动特性，在对复杂空气流动进行合理简化的基础上，采用一维可压缩不等熵非定常流体流动模型和广义黎曼变量特征线法分别发展了（多）竖井、（多）横通道以及竖井、横通道和截面变化耦合下的隧道压力波的数值计算方法。
　　（2）研究了竖井对单车和会车隧道压力波的影响。研究发现竖井合理布置有助于降低列车过隧道以及在隧道内交会时车外和隧道内压力最大变化幅值，而且发现在较短隧道时单列车车外压力变化幅值更易受竖井布置位置的影响，以及竖井同一布置位置对隧道内各点压力影响也并不一致；竖井截面积对车外压力变化幅值的影响还与竖井布置位置有关系，但就缓解压力变化而言选择较小的竖井截面积更为有利；在隧道长10000m时竖井数目增多对列车车外和隧道内压力影响并不显著，但从隧道内各测点来看竖井附近压力变化幅值都有明显降低。
　　（3）研究了横通道对单车和会车隧道压力波的影响。研究发现横通道任意位置布置都有助于降低单列车过隧道时车外和隧道内压力最大变化幅值，横通道同一布置位置对隧道内各点压力影响并不一致；当横通道布置位置小于临界位置时，横通道截面积对列车过隧道和隧道内会车时列车车外和隧道内压力变化影响很小，但当横通道布置位置大于临界位置时，列车车外和隧道内压力最大变化幅值随着横通道截面积的增大而增大；横通道在隧道内布置间距小于特定值有利于降低列车车外和隧道内压力变化幅值。
　　（4）研究了高速地铁隧道内压力波的特性。研究表明在目前盾构直径6m的情形下，列车以120km/h全速驶入简单隧道时列车车外压力变化超过压力舒适性要求，而在隧道内列车启动后以120km/h运行时车外压力变化满足压力舒适性要求，并且发现列车通过竖井和横通道时车外压力波动加剧；研究证明在列车高速运行时，为了满足乘坐压力舒适性的目的，仅采用增大隧道截面积方法在地铁领域是不经济的，需同时提高车体密封性。
　　（5）通过分析列车通过隧道产生的压力波的特性，得出了压力波可看出是由一组特征波叠加构成的结论。在此认识基础上本文推导出相对于隧道压力极值的特征隧道长度计算公式，同时发展了基于叠加波的单车和会车隧道压力波的快速预估方法，并尝试将该方法用于估算设置竖井隧道中的压力波。与试验或数值计算结果的对比，表明采用波叠加法对简单隧道压力波估算计算是可行的，能较快速和准确的获得压力波峰值，但缺点也是由于其把隧道压力波问题与隧道内流动割裂开，得到的压力波比较“有棱有角”，无法反映流动耦合作用下隧道压力波变形和传播，所以此方法用于数值计算的工况的筛选更为合理。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状和存在的问题

1.3 本文的任务来源和主要研究内容

2 隧道压力波的数学模型及分类

2.1 现象描述

2.2 三维流动模型

2.3 一维流动模型

2.4 波叠加方法

3 一维流动模型及特征线数值方法

3.1 复杂隧道结构隧道流动的特点

3.2 一维可压缩非定常不等熵流动模型

3.3 特征线方程

3.4 网格系统

3.5 特征方程数值求解过程

3.6 算法验证

4 竖井对隧道压力波的影响分析

4.1 基本理论和计算模型

4.2 竖井边界条件

4.3 网格系统及程序设计

4.4 计算程序的验证

4.5 竖井对单车压力波的影响

4.6 竖井对会车压力波的影响

4.7 竖井对初始压缩的影响

5 横通道对隧道压力波的影响分析

5.1 计算边界条件

5.2 网格系统和计算程序设计

5.3 计算程序的验证

5.4 横通道对单车压力波的影响研究

5.5 横通道对会车隧道压力波的影响研究

5.6 横通道对隧道活塞风的影响研究

5.7 横通道对列车空气阻力的影响研究

6 高速地铁隧道内空气动力学效应特征

6.1 地铁隧道结构特点概述

6.2 高速地铁的隧道压力特点

6.3 地铁隧道各参数对隧道压力波影响研究

6.4 大断面下地铁隧道压力波特点

7 波叠加法及应用

7.1 方法的提出

7.2 特征隧道长度的解析方法

7.3 基于叠加波的单车隧道压力波计算方法

7.4 基于叠加波的会车隧道压力波计算方法

7.5 带竖井隧道压力波的波叠加法

7.6 波叠加法关键公式讨论

7.7 基于一维可压缩不等熵流动模型叠加波关键公式

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果