基于气动特性的单线隧道缓冲结构参数优化

摘要

高速列车突然进入隧道时，会在隧道入口处产生一个压缩波，压缩波以近似声速的速度沿着隧道方向传播，大部分能量将在隧道出口释放，形成微气压波，会对周围环境产生噪声污染。为了减缓列车在隧道内运行时的压力波动和隧道出口的微气压波现象，在隧道入口处修建缓冲结构，可以有效地减小初始压缩波的压力值和压力梯度值。为了优化单线隧道缓冲结构参数，本文基于三维、非稳态、可压缩流体控制方程并结k-ε两方程湍流模型，采用计算流体力学三维动态仿真计算的方法，分析了缓冲结构参数单因素变化对隧道内初始压缩波的最大压力值和最大压力梯度值的减缓效果的影响，并设计多因素计算方案来研究缓冲结构参数对初始压缩波减缓效果的影响，分别对断面扩大开孔型缓冲结构和喇叭形缓冲结构参数进行了优化。计算分析结果表明： （1）断面扩大开孔型缓冲结构各参数对压缩波的最大压力梯度值的交互影响十分明显。通过缓冲结构的多参数综合优化得到：缓冲结构的长度为80m，截面积为120m2，开孔率为40%时，最大压力梯度值能得到有效降低；最大压力值最小时所对应的缓冲结构长度为80m，截面积为140m2，开孔率为20%。主要考虑压力梯度减小的优化，则本文计算模型所得到的单线隧道最优断面扩大开孔型缓冲结构参数为：长度为80m，截面积为120m2，开孔率为40%。 （2）对于修建有喇叭形缓冲结构的隧道，初始压缩波的最大压力值主要受缓冲结构长度影响，最大压力梯度值主要受缓冲结构截面积影响。当喇叭形缓冲结构的长度为120m，截面积为240m2时，最大压力值和最大压力梯度值都得到了最有效降低。主要考虑压力梯度减小的优化与建造成本的影响，本文计算模型所得到的单线隧道最优喇叭形缓冲结构参数为：长度为80m，截面积为240m2。

目录

第一个书签之前

第1章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究现状

1.2.1隧道空气动力学研究方法

1.2.2隧道压缩波的研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 数值计算方法与计算模型

2.1 数值计算方法

2.1.1 流体控制方程

2.1.2 湍流流动数值计算方法

2.1.3 Reynold时均方程法[55]

2.1.4 求解流体流动的数值计算方法

2.2列车通过隧道计算模型的建立

2.2.1计算模型的简化

2.2.2 建立计算区域

2.2.3 网格的生成

2.2.4 边界条件设置

2.3计算分析与模型验证

2.4 本章小结

第3章 断面扩大开孔型缓冲结构参数优化

3.1压缩波波形变化分析

3.2单因素计算结果与分析

3.2.1 缓冲结构长度的影响

3.2.2缓冲结构截面积的影响

3.2.3缓冲结构开孔率的影响

3.3多因素计算结果与分析

3.3.1构建计算方案

3.3.2方差分析及检验

3.3.3各因素对压力值的交互影响

3.3.4各因素对压力梯度值的交互影响

3.4本章小结

第4章 喇叭形缓冲结构参数优化

4.1 喇叭形缓冲结构下压缩波波形变化分析

4.2 单因素计算结果与分析

4.2.1 缓冲结构长度的影响

4.2.2 缓冲结构截面积的影响

4.3 多因素计算结果与分析

4.3.1 构建计算方案

4.3.2 方差分析及检验

4.3.3 长度和截面积对压缩波减缓效果的交互影响

4.4 断面扩大开孔型缓冲结构和喇叭形缓冲结构对比分析

4.5 本章小结

结论与展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文