高速铁路隧道空气动力学数值模拟方法分析

摘要

20世纪60年代以来，高速铁路在世界发达国家崛起，铁路发展进入了一个崭新阶段。高速铁路的蓬勃发展，在世界范围内引发了一场深刻的交通运输革命。但是，随着列车运行速度的提高，列车通过隧道时会放大一系列在低速运行时不明显的空气动力学问题。当列车以较高速度通过隧道时，将会在隧道内产生明显的压力波动和引起隧道出口处的微压波现象，进而影响到列车内乘客的舒适性和隧道周围环境。因而，对于隧道空气动力学效应的作用机制和其减缓措施进行深入研究是非常必要的。 本文以铁道第二勘察设计院科研项目《高速铁路车站隧道空气动力学效应及工程对策研究》和铁道部科技研究开发项目《狮子洋水下隧道气动效应及缓解措施研究》为依托，结合我国国情，对隧道空气动力学效应的作用机制和其减缓措施进行研究。 本文对计算网格的种类、特点以及网格划分方法进行了研究，简化了列车网格，优化了竖井网格。同时也对Fluent下计算边界的原理及实现方法进行了研究，确定了一些关键边界参数的大小；对滑移网格和动网格技术进行了比较，得出模拟车隧过程的一个合理方法；对两种物理模型对计算结果的影响进行了比较，得出模拟车隧过程的相对合理物理模型；对气动噪音和UDF进行了尝试，为今后工作作出了准备。 本文在以下三个方面作出了一些研究：采用数值计算的方法，比较了三种车长对隧道内压缩波的影响，得出车长对压缩波的影响的规律；通过模型试验和数值计算，在压力梯度和首波压力峰值两个指标上，比较了四种开口率下竖井对微压波的影响，得出最优竖井开口率；对竖井位置进行了优化，提出了一个不利的竖井位置。

目录

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第一章 绪论

1.1高速铁路发展概况

1.2高速铁路隧道运行问题

1.3微压波研究概况

1.4竖井研究概况

1.5研究方法

1.5.1基本假设

1.5.2研究方法概述

1.5.3本文研究方法

第二章模型试验系统

2.1相似理论

2.2高速列车动模型试验测试系统

2.2.1中南大学动模型实验测试系统

2.2.2西南交通大学动模型实验测试系统

2.3本文试验方案

第三章数值计算原理与方法

3.1数学方法与物理模型

3.1.1有限体积法

3.1.2基本物理方程

3.2网格划分

3.2.1结构网格

3.2.2非结构网格

3.2.3网格质量

3.2.4网格划分实例

3.3两种模拟计算方法

3.3.1滑移网格

3.3.2动网格

3.3.3滑移网格与动网格的比较

3.4边界处理

3.4.1壁面边界

3.4.2对称边界

3.4.3交互边界

3.4.4无穷远域边界

3.5气动噪音

3.6UDF

3.7本章小结

第四章工程应用

4.1车长对压缩波的影响

4.1.1计算方案

4.1.2结果分析

4.1.3本节小结

4.2竖井开口率设置

4.2.1竖井开口率模型试验

4.2.2竖井开口率数值计算

4.2.3本节小结

4.3竖井位置优化

4.3.1两个竖井位置

4.3.2第二竖井位置

4.3.3本节小结

结论

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果