高速列车通过隧道时气动影响研究

随着列车运行速度的不断提高,高速列车隧道空气动力学问题越来越重要。列车以较高速度通过隧道时在隧道内产生强烈的压力波动。出现了列车过隧道出入口效应,车厢内压力变化以及隧道周围的气动噪声等问题,对旅客、列车、隧道以及周围环境造成不良影响。出于对列车行驶安全,旅客舒适度及环境、经济等诸多因素的考虑,需要对高速列车通过隧道时引起的气动效应的机理和减缓措施加以深入研究。本文在高等学校博士学科点科研基金和国家科技支撑计划项目支持下,以数值模拟计算为主要研究手段结合实测数据对高速列车通过隧道的空气动力学问题进行研究。基于三维、非稳态、粘性流的雷诺平均Navier-Storkes方程及k-ε两方程紊流模型,利用包含移动网格技术的计算流体力学方法,对高速列车隧道空气动力学问题进行了数值模拟研究。其主要工作包括：1.对列车通过隧道以及列车在隧道内会车条件下的流场进行全面分析。通过对流场内流动情况的三维仿真计算得到隧道上以及列车表面的压力分布及其变化情况。并对隧道内的瞬时压力变化、隧道入口压力波以及列车在隧道中的会车压力波进行了初步分析。计算结果表明,列车进入隧道时,隧道口处气流的三维特性十分显著。具体表现在,同一隧道横截面上各处的压力明显不同,压力的最高值已接近最低值的两倍。计算结果还表明,在两辆列车同时通过隧道的条件下,隧道中部的压力是由两辆列车的入口压力波在此叠加而成的；列车在隧道内的会车压力波可以看成两辆列车的入口压力波与列车交会压力波在交会位置上叠加而成。2.通过对作用在列车表面的压力场进行积分求得行驶在隧道中的列车受到的气动作用力和力矩。并且对列车进入隧道和列车在隧道交会条件下的气动作用力和力矩的变化情况进行了研究。计算结果表明,列车在隧道内行驶时受到的气动作用力和力矩比在明线时要大得多；列车进入隧道时和列车在隧道内会车过程中受到的气动作用力和力矩大小存在突变、方向多次换向,这将会直接威胁到列车行车的安全性和平稳性。3.结合我国铁路隧道建设的实际情况,分析了包括阻塞比、隧道横截面形状、入口缓冲结构和横通道等隧道结构对列车受到的气动作用力以及隧道内的压力场的影响。分析结果表明,阻塞比与隧道内的压力以及列车受到的气动阻力的最大值之间成线性函数关系；隧道横截面形状对隧道入口压力波的影响不大,而对列车进入隧道时隧道入口处流场以及对列车的气动作用力有定影响；修建入口缓冲结构能够有效缓解列车通过隧道时的气动效应；多条隧道间连通横通道可以有效降低隧道内的压力。