高速铁路隧道压力波数值模拟研究

摘要

现代高速列车的设计速度和试验速度分别达到了0.3和0.5马赫。列车空气动力学问题日益显著，逐渐成为高速铁路建设中的关键技术问题和难点。当列车高速进入隧道时，车头前方和车尾后方分别产生压缩波和膨胀波。压缩波和膨胀波在隧道内以声速传播，并在隧道两端反复反射，造成隧道内、隧道表面、列车外表面和车内压力剧烈变化。该现象被业界称为“瞬变压力问题”，瞬变压力关系到列车气动力性能、列车和隧道结构承载以及乘客压力舒适度。当压缩波传递到隧道出口位置，少部分能量以脉冲波的形式辐射到隧道外，形成爆破音，其强度正比于隧道内压力时间梯度。该现象被业界称为“微压波问题”。微压波以次声波的形式传播很远，造成声污染和建筑结构振动。
　　各国学者对瞬变压力和压缩波压力时间梯度开展了大量研究。先期的研究构建了基于简化模型的解析方法；为车外瞬变压力向车内传递规律设计了数学模型；设计了乘客舒适度评价标准；对普通入口隧道产生的压力波，提供了比较完备的影响因子分析和工程计算公式。但是对瞬变压力问题，以及复杂隧道入口，如斜切式洞门、断面扩大型不开孔和开孔缓冲结构的气动特性，仍然以个案研究居多，机理研究和规律研究还不充分。随着列车速度不断提高，个案研究远不能满足工程建设需要。本文工作的主要目的在于对瞬变压力和压缩波压力时间梯度开展系统的机理研究和规律研究。主要贡献为：
　　（1）基于CFD商业软件及其二次开发，设计高速列车隧道气动效应的数值计算平台，提出了若干简化模型及其适用范围；通过误差分析研究，建立了该数值模型的计算分辨率选取标准。
　　（2）对斜切式洞门，断面扩大型不开孔和开孔缓冲结构开展数值研究。分析、归纳了列车速度，列车偏心进入隧道、列车/隧道截面积阻塞比、隧道洞门倾斜角、缓冲结构长度、缓冲结构截面积扩大率、泄压孔位置和开孔面积对压缩波压力时间梯度的影响规律；探讨了优化设计原理
　　（3）对瞬变压力问题开展机理研究和参数研究。阐明了隧道表面和列车表面瞬变压力形成机理；对乘客压力舒适度问题进行系统评价；分析、归纳了列车速度、列车/隧道截面积阻塞比、列车长度、隧道长度、以及列车密封指数对车内瞬变压力的影响规律。

目录

声明

答辩决议书

符号表

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究进展

1.3 本文的主要工作

第二章 高速列车隧道气动效应数值建模

2.1流动控制方程

2.2 计算模型简化

2.3 现代数值方法

2.4 初始压缩波压力时间梯度数值计算模型及验证

2.5 瞬变压力数值计算模型及验证

2.6 本章小结

第三章 隧道入口形状对压力时间梯度的影响

3.1 隧道入口形式

3.2. 斜切式洞门对压力时间梯度的影响

3.3 断面扩大型不开孔缓冲结构对压力时间梯度的影响

3.4 断面扩大型开孔缓冲结构对压力时间梯度的影响

3.5本章小结

第四章 瞬变压力研究

4.1 研究对象分类

4.2 计算工况设计

4.3 隧道内压力分布和演化

4.4车内瞬变压力研究

4.5本章小结

第五章 总结和展望

5.1 本文的主要工作

5.2 后续研究的建议

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文