高速列车车内压力波动特性研究

摘要

我国人口庞大，越来越多的人选择铁路出行，从而高速列车开行次数不断增多，造成了明线上会车工况增加;且我国地域辽阔山丘地貌占据比例较大使得隧道里程不断增长，因此列车单车过隧道以及隧道内会车次数逐步攀升。高速列车在明线会车、单车过隧道以及隧道内会车时的车内压力波动问题比较突出，并且伴随着车速的提高以及线路条件的变化，人们对列车上车内人员的压力舒适性问题越来越关注。
　　鉴于目前的高速列车车内压力波动特性问题的研究现状以及存在的问题，本文提出兼顾效率与精度的高速列车内外流场一三维耦合计算方法，开发了相关的耦合计算程序，运用该程序计算了典型瞬态工况下的高速列车车内压力波动情况，并对车内压力波动成因、迟滞效应、波动规律、舒适性、控制方法等开展了一系列的研究。
　　高速列车的内外流场被分成两个子系统，外流场系统的计算由三维流体计算方法完成，内流场系统则由一维流体计算方法完成，运用加入“多次修正法”的改进型一三维耦合计算方法，实现对列车内外流场系统的同步联合求解。并使用计算机语言构建了一三维耦合计算程序，用于内外流场的耦合数值模拟计算。
　　根据具体高速列车车型的通风系统结构以及车体外形，建立了用于数值模拟计算的一维列车内流场系统管网计算模型、三维列车外流场系统计算模型以及内外流场耦合计算模型。对高速列车单车明线恒速行驶工况进行了研究，其结果用于预测耦合变量的初始值;该类型工况下列车进排风口以及车内的压力值均为负值，并与车速的平方呈正比关系;列车进排风口的质量流量总是维持平衡，与车速成线性关系，随着车速的增加呈现下降趋势。通过对运用耦合计算方法和分开计算方法分别求解列车不同速度单车明线恒速工况，得出耦合计算方法相对分开计算方法更有优势。
　　研究了高速列车内流场系统边界——进排风口的压力在典型瞬态工况下产生波动的机理:明线交会时，研究车进排风口的压力波动是由参考车的正负压力区域通过所引起;过隧道情况下，隧道内多个压缩波、膨胀波的交替或叠加作用导致了进排风口的压力波动。通过分析明确了进排风口质量流量不平衡是车内压力波动形成的诱因:迸排风口压力的变化引起了质量流量的改变，致使存在质量流量不平衡现象，车内总质量相应的发生变化导致压力波动形成。同时得到车内压力值与进排风口质量流量差成线性关系;通风管道的存在使得车内压力波动相对于进排风口具有一定的滞后性，迟滞时间决定于进排风口峰值时刻以及流速，流速越大则车内的峰值响应时间越短。
　　分析了高速列车在明线会车、单车过隧道、隧道内会车这三种典型瞬态工况下，车速以及线路条件的改变对车内压力波动规律所产生的影响。高速列车的车速会改变车内压力以及压力变化率随时间的变化趋势;车内压力和压力变化率的幅值与车速呈幂函数关系，车速增大则两个幅值均变大;明线线间距的增大或隧道阻塞比的减小都会缓和车内压力波动的剧烈程度，车内压力和压力变化率幅值与这两个线路因素都呈指数函数关系，当线间距足够大或是隧道阻塞比足够小时，列车类似单车明线恒速行驶，车内压力基本恒定。隧道长度的变化改变了压力以及压力变化率的时程曲线;“隧-车”长度比与压力波动最大幅值呈指数函数关系，得出了最短隧道模型长度为5倍的车长。
　　运用现有的舒适性评价标准，分析了满足车内压力舒适性标准的列车运行工况参数临界点，用以评价其他工况下的车内压力舒适性;对比两个标准发现压力变化率幅值的舒适性标准要比压力幅值的舒适性标准严格。
　　空调单元的特殊结构引起了其周围区域“高正压-高负压-低负压-高负压-高正压”这样的压力分布规律，将处于“低负压”区域的两个进风口优化至“高正压”区域时，车内压力波动情况都得到了一定的改善。通过建立逆向思维计算推导方法，得出优化后的阀门开度和风机转速方案;在优化后方案基础上得到的车内压力以及压力变化率幅值相比于优化前都显著减小，并满足压力舒适性标准，这两种控制方法都有效地解决了车内压力波动的舒适性问题。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究历史与现状

1．2．1 列车车内压力计算方法研究现状

1．2．2 一三维耦合方法研究现状

1．2．3 列车车内压力特性研究现状

1．2．4 列车车内压力波动缓减措施研究现状

1．3 问题的提出

1．4 本文的工作

1．4．1 本文的研究内容

1．4．2 本文的论文结构

2 高速列车内外流场一三维耦合计算方法研究

2．1．1 一维线性方程构建

2．1．2 一维可压缩流动求解方法

2．2 三维数值计算方法的基本原理

2．2．1 流动的控制方程

2．2．2 湍流的数值模拟

2．3 一三维耦合计算方法研究

2．3．1 耦合计算方法定义

2．3．2 耦合面及耦合变量

2．3．3 耦合变量的数据处理方法

2．3．4 耦合算法

2．3．5 耦合程序构建

2．4 本章小结

3 高速列车内外流场一三维耦合计算模型研究

3．1 一维高速列车内流场系统管网计算模型

3．1．1 列车内流场系统结构组成

3．1．2 高速列车车内流场系统管网模型搭建

3．1．3 模型的调试与标定

3．2 三维高速列车外流场系统数值计算模型

3．2．1 物理模型

3．2．2 网格划分

3．2．3 边界条件

3．2．4 模型验证分析

3．3 高速列车内外流场耦合模型

3．3．1 耦合工况

3．3．2 耦合变量初始值研究

3．3．3 耦合计算优势分析

3．4 本章小结

4 高速列车内压力波动成因分析及迟滞效应研究

4．1 高速列车进排风口压力波动成因研究

4．1．1 列车明线交会进排风口压力波动成因研究

4．1．2 列车单车过隧道进排风口压力波动成因研究

4．1．3 列车隧道内会车进排风口压力波动成因研究

4．2 高速列车车内压力波动成因分析

4．2．1 进排风口压力与质量流量的相关性

4．2．2 车内空气总质量与车内压力值的关系

4．2．3 流量不平衡与车内压力值的相关性

4．2．4 流量不平衡与车内压力变化率的关系

4．3 车内压力波动的迟滞效应

4．4 本章小结

5 高速列车车内压力波动变化规律研究

5．1 明线会车时车内压力波动规律研究

5．1．1 速度比对车内压力波动的影响研究

5．1．2 车速对车内压力波动的影响研究

5．1．3 线间距对车内压力波动的影响研究

5．2 单车过隧道时车内压力波动规律研究

5．2．1 车速对车内压力波动的影响研究

5．2．2 阻塞比对车内压力波动的影响研究

5．2．3 隧道长度对车内压力波动的影响研究

5．3 隧道内会车时车内压力波动规律研究

5．3．1 车速对车内压力波动的影响研究

5．3．2 阻塞比对车内压力波动的影响研究

5．3．3 隧道长度对车内波动的影响研究

5．4 本章小结

6 高速列车车内压力舒适性评价及控制方法探究

6．1 高速列车车内压力舒适性评价

6．1．1 舒适性评价标准

6．1．2 压力幅值评价

6．1．3 压力变化率评价

6．2 高速列车车内压力波动控制方法探究

6．2．1 进排风口位置优化

6．2．2 进排风口阀门开度方案研究

6．2．3 风机转速方案研究

6．3 本章小结

7．1 论文主要结论

7．2 论文创新点

7．3 工作展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集