基于实车试验的高速列车隧道压力波影响因素

搭建列车空气动力学在线实车高精测试平台,对列车通过隧道及隧道交会工况下的压力波特性进行实车测试;探究运行速度、隧道长度、阻塞比、编组长度、交会位置等因素对隧道压力波的影响规律;根据隧道内压缩波、膨胀波在隧道内传播、反射、叠加的原理,推导出隧道通过及隧道交会工况下,最不利单线隧道长度、最不利双线隧道长度、最不利交会位置、最不利编组长度等计算公式。研究结果表明:车体表面压力变化幅值与列车速度的平方成正比;车内压力幅值与列车速度的n次方成正比,n的范围为1.3~1.8,n随着隧道长度的变化而变化;研究结果可为高速列车在隧道内运行时的安全性指标提供了压力波评判依据。     

高速磁悬浮列车编组长度对车/隧耦合气动效应的影响

采用重叠网格法,基于SST k-ω两方程的DDES湍流模型,研究编组长度对高速磁悬浮列车/隧道耦合气动特性的影响。采用动模型试验结果对数值仿真方法进行验证,将3车编组的动模型试验所得测点压力与相同编组的仿真试验所得测点压力进行对比。分析3车编组高速磁浮列车以速度500、550和600 km/h通过隧道时车体表面、隧道壁面压力变化基本规律,在此基础上研究3车编组、5车编组和8车编组形式对高速磁浮列车/隧道气动特性的影响,并绘制瞬变压力波系传播的马赫波图,揭示编组长度导致测点压力变化差异的原因,得到高速磁浮列车编组长度对隧道出口微气压波的影响规律。研究结果表明：高速磁浮列车表面、隧道壁面压力幅值与车速呈正相关关系;当编组长度增加时,车/隧表面的压力随时间的变化趋势基本一致,但正、负压幅值及压力峰峰值明显增大：当磁悬浮列车以速度550 km/h通过长度为500 m、截面积为140 m²的隧道时,5车编组与8车编组的车体表面最大压力峰峰值比3车编组分别增加12.4%和8.5%,隧道表面最大压力峰峰值比3车编组分别增加49.6%和38.9%,因此,在隧道长度一定时存在最不利...     

风向角对高速列车驶出隧道过程中气动效应的影响

为研究风向角对驶出隧道过程中高速列车气动效应的影响,以某型高速动车组列车为研究对象,采用数值模拟方法对隧道内气动压力、列车风风速、流场分布及列车气动荷载进行分析。通过与动模型试验结果进出对比,验证数值模拟方法的准确性。研究结果表明：隧道壁面气动压力峰值及变化幅值最大值出现在隧道内部,且出现位置到隧道出口距离与风向角有关;背风侧气动压力受风向角影响更大,气动压力变化幅值随风向角增大呈现先减小后增大再减小的趋势;出口处列车风风速随风向角增大基本呈现先增大后减小的趋势,30°风向角时列车风风速最大,但迎、背风侧列车风风速峰值出现时刻不同;随着风向角增大,流场分布不对称性增强,列车绕流特性由流线型绕流逐渐过渡到钝体绕流,流动分离点到头车鼻尖的距离呈现先增大后减小最后再增大的变化规律,隧道内流动结构愈加复杂;气动横向力、升力变化幅值随风向角增加呈现先增后减趋势,头车横向力系数最大变化幅值分别是中车、尾车的2.4倍和2.6倍,升力系数最大变化幅值分别是中车、尾车的1.1倍和1.5倍,故保证头车安全是控制整车运行安全的关键;侧风下高速列车驶出隧道情形下的最不利风向角为30°,此时头车发生列车事故风险...     

高速列车通过带有套衬结构隧道气动效应分析

采用三维、可压缩、非定常N-S方程的数值计算方法,对8辆编组的高速列车以300 km/h速度通过带有套衬结构隧道时车体表面及隧道壁面的瞬变压力进行分析。研究结果表明:数值计算结果与动模型实验结果较吻合,2种方法得到的压力曲线变化规律一致,幅值误差在5%以内;列车通过隧道时,车体头、尾处测点压力差别较大,中部测点压力差异较小;沿列车车身方向,测点正压幅值逐渐减小,负压幅值逐渐增大;隧道壁面测点压力峰峰值在隧道进、出口附近较小,而在靠近隧道中部时较大;隧道内安装套衬对于高速铁路双线隧道气动效应影响很小,加装套衬前后,测点压力幅值差异在2%以内。因此,建议在对高速铁路隧道病害整治中,考虑使用套衬技术。     

隧道结构对高速列车穿行过程气动特性的影响

以CRH2型高速列车穿行隧道过程的气动特性为研究对象,建立了列车模型及具有不同缓冲结构、不同阻塞比的隧道计算模型,并与相同工况下的模型实验进行对比,验证了仿真模型的可行性.以kε-湍流模型为基础,对高速列车以不同速度进入具有不同缓冲结构、不同阻塞比的隧道时的外流场进行了仿真模拟.分析了列车在进入隧道时压缩波的产生机理,得到了列车表面风口在车体进入隧道过程中的压力波动情况.仿真结果表明:隧道缓冲结构的缓冲性能按抛物线型、线性、不连续性的顺序依次减小;压力值随阻塞比增大而线性减小.由此提出了减小列车进入隧道时表面压力波动的方法.     

头部主型线变化对列车隧道交会气动性能的影响

基于三维、可压缩、非定常N-S方程和k-ε双方程湍流模型,对不同主型线头部列车隧道交会气动效应进行数值模拟,得到列车在隧道内交会时的侧向力、总阻力以及隧道壁面压力变化。研究结果表明:隧道壁面和列车表面压力测点数值计算结果与动模型实验、实车试验结果较吻合,相对误差均在5%以下;单拱型列车隧道交会气动性能略优于双拱型;纵剖面型线对列车隧道交会气动力影响较大,纵剖面型线从下凹变化到上凸,头车、中间车和尾车侧向力幅值系数分别增加11.2%,14.0%和23.7%,最大总阻力系数增加7.2%;水平剖面型线从最宽外形变化到最窄外形,头车、中间车和尾车侧向力幅值系数分别增加3.4%,2.4%和4.6%,最大总阻力系数减小4.0%;改变头部主型线对隧道壁面压力变化影响较小,最大相对误差为1.7%。     

竖井面积对高速列车越站瞬变压力影响的试验研究

针对高速列车全速通过地下车站时所引起的瞬变压力问题,采用列车气动性能动模型试验装置,对8编组高速列车以速度300 km/h通过地下车站时的气动效应进行模拟,分析车站内设有竖井时列车表面、站台屏蔽门表面压力分布特性以及竖井面积对瞬变压力的影响。研究结果表明：当高速列车通过设置有竖井的地下车站时,列车表面、屏蔽门表面左右对称测点压力变化趋势基本一致,压力幅值相差不大;屏蔽门表面压力幅值沿纵向逐渐增大,沿高度方向则变化不大;随着竖井面积增大,列车、屏蔽门表面测点压力幅值均不断下降,相较于无竖井工况,列车表面测点压力幅值最大可降低48.87%,屏蔽门表面测点压力幅值最大可降低71.07%,其中,当竖井面积与隧道面积之比超过0.26时,进一步增大竖井面积,竖井对列车表面、屏蔽门表面的压力幅值的影响不明显。     

线间距对600 km/h高速磁浮列车明线交会气动性能的影响

为探明不同线间距下600 km/h高速磁浮列车明线交会时的气动特性,基于三维、非定常、可压缩的N-S方程和SST k-ω湍流模型,采用重叠网格技术,分析列车明线交会时的车身周围流场结构、列车交会压力波和列车侧向力,通过动模型试验来验证数值模拟方法的准确性。研究结果表明：在不同线间距下,列车交会时的车身周围流场分布特征相似,随线间距增大,列车尾涡展向角逐渐增大,两交会侧车身之间流场的速度和压力不断减小;不同线间距下的列车压力波变化规律一致,压力波幅值与列车运行速度的二次方近似呈正比,当线间距由5.1 m分别增大至5.6 m和6.1 m时,压力波幅值分别减小28.2%和42.4%,且增大线间距对列车压力波正波缓解作用比负波的大,头波的缓解作用比尾波的大;列车交会过程中头车侧向力幅值比尾车和中间车的幅值大,增大线间距对尾车侧向力的缓解作用比头车和中间车的大,当线间距由5.1 m增大至6.1 m时,头车、中间车和尾车的侧向力幅值分别减小33.8%、34.1%和35.7%。     

缓冲结构对隧道气动效应减缓效果

基于三维、非稳态、黏性Navier-Stokes方程,采用k-ε两方程紊流模型,通过数值仿真技术,计算了列车高速进入隧道时产生的复杂压力场,对列车通过隧道引发的初始压缩波和压力梯度曲线进行了具体分析,比较了10种缓冲结构对初始压缩波最大压力值和最大压力梯度值的减缓效果.研究表明:设置缓冲结构对降低初始压缩波最大压力值的效果并不明显,减缓效果均在5.0%以内,但能有效降低最大压力梯度值,其中长度为20 m、断面面积为150 m2、开2个孔的缓冲结构的减缓效果最佳,减缓率为48.1%,并且隧道缓冲结构的长度、截面积、开口率和开口数量均对初始压缩波最大压力梯度值的减缓效果有影响.     

双层集装箱车通过隧道气动性能实车试验研究

在合武(合肥—武汉)铁路上进行250km/h等级隧道空气动力性能实车试验;对货物列车单列过隧道及货物列车与CRH2高速动车组在隧道内交会时,集装箱箱体表面的压力变化历程及所受的气动力进行测试。测试结果表明:当2列车在隧道内交会时,交会压力波与隧道内的压力波叠加,造成隧道内列车交会产生的压力变化幅值远大于明线交会产生的压力变化幅值;车体交会侧压力变化幅值比非交会侧压力变化幅值大16%,使得车辆受到较大侧向力作用;双层集装箱车辆进入隧道口时,空气压差阻力急剧上升,之后又逐渐回落;在隧道内运行的平均阻力约为明线运行时阻力的1.56倍,货物列车120km/h和动车组250km/h在大别山隧道和鹰嘴石隧道内交会时,双层集装箱车由气动力引起的最大2s平均倾覆系数分别为0.063和0.067。     

缓冲结构对隧道口微气压波的影响

为有效缓解微气压波对隧道周围环境的影响,设置合理的缓冲结构,采用数值模拟计算和动模型模拟实验相结合的方法,对列车通过隧道引发的压力变化、微气压波和不同形式的缓冲结构进行研究.研究结果表明:对任一类型缓冲结构,其结构长度和入口断面积之间均存在固定的最佳匹配关系,即对断面扩大无开口型缓冲结构,当缓冲结构长度分别为1.0D,2.0D和3.0D(D为隧道等效直径)时,对应的最佳入口断面积分别为1.8S,1.9S和1.8S(S为隧道断面面积),微气压波幅值分别减小46.7%,55.3%和52.8%;对线性喇叭型缓冲结构,当缓冲结构长度分别为1.5D,2.0D和3.0D时,对应的最佳入口断面积分别为2.5S,2.4S和2.7S,微气压波幅值分别减小59.4%,64.2%和71.6%.     

动车组横风环境下的交会气动效应

采用三维、可压缩、非定常N-S方程的数值计算方法,对8辆编组的动车组在20 m/s横风下以250 km/h速度交会时列车表面瞬变压力和车体所受气动力及力矩进行分析,并采用间接验证方法,将风洞实验、动模型实验得到的结果分别与数值模拟结果进行对比。研究结果表明:间接验证方法下所得气动效应实验结果和数值模拟结果变化规律一致,压力幅值相对误差在5%以内;动车组横风下交会时,车体头、尾处测点压力差别较大,中部位于同侧测点压力差异较小,同一高度、不同纵向测点的压力变化波形及幅值基本一致,车体顶部测点压力始终为负;对于车体所受横向气动力及倾覆力矩,头车比中间车和尾车的大,背风车比迎风车的大;随着横风风速的增加,列车所受横向气动力及倾覆力矩峰值也迅速增加,严重威胁着动车组的安全运行。     

隧道交会最不利长度下高速动车组转向架气动力变化规律研究

采用动模型试验测试隧道表面和动车组车体表面测点的时程压力,验证雷诺平均方程应用于计算列车通过隧道空气动力学的有效性,结果表明数据误差满足精度要求.基于验证后的仿真算法,建立高速动车组在最不利长度隧道内交会的三维几何模型,计算高速动车组转向架的气动力,进而分析其变化规律.计算结果及分析表明:尾车转向架6的阻力最大,其阻力的最大值和幅值与速度的二次方成正比关系;头车转向架1和尾车转向架6的侧向力最大,其侧向力极值和幅值与速度的二次方成正比关系;头车转向架2的升力极值最大;当动车组低速交会时,各转向架的垂向力幅值差别不大,但当动车组运行速度超过250 km/h,转向架位置越靠前其垂向力幅值越大.     

帽檐斜切式洞门斜率对隧道气动性能的影响

基于三维、可压缩、非定常N-S方程和k-ε双方程湍流模型,对不同斜切斜率帽檐斜切式洞门下的隧道空气动力效应进行数值模拟,得到高速列车过隧道时车体表面、隧道壁面监测点的瞬变压力及隧道出口微气压波.研究结果表明:帽檐斜切式隧道洞门的斜切斜率对车体表面和隧道壁面监测点的瞬变压力变化基本无影响,最大相差在5％左右;随着斜切斜率的减小,初始压缩波由零点上升到峰值所用时问减缓,压力梯度最大值减小;斜切斜率从1∶1降至1∶2时, 隧道出口20 m处微气压波幅值由66 Pa降至54 Pa,降幅达18.2％,可见减小洞门结构的斜切斜率,可改善隧道口微气压波.数值计算结果与动模型试验结果吻合较好,仅幅值略有差异,最大相差在5％以下.     

横风下高速列车驶入隧道时瞬态气动性能研究

针对列车高速驶入隧道时流场的三维、非定常及可压缩湍流等特性,建立了精细化的隧道-列车-空气三维CFD数值模型,对比分析洞口有无横风条件下列车驶入隧道过程中车体周边的瞬态流场结构、压力分布,并研究横风条件下车体的5项气动荷载(气动横向力、气动升力、倾覆力矩、偏航力矩和点头力矩)指标的瞬变特性以及风速和车速变化对其最大瞬变幅值的影响情况.研究结果表明:当列车在横风环境下驶入隧道,洞外部分车体两侧流场结构和压力分布差异显著,而洞内部分差异较小,从而引发列车进洞前后车体压差突变;列车在进洞过程中,车体的各项气动荷载均存在瞬变效应,且尾车同时呈现出倾覆、"上跳"、"蛇形"摆动以及"点头"等行为;风速变化对尾车偏航力矩变化幅值影响较显著,而车速变化对头车偏航力矩变化幅值影响较显著.     

基于压力舒适性的400 km/h双线高速铁路隧道净空面积研究

对400 km/h的16编组列车在不同净空面积(90,95,100,105和110 m²)隧道交会气动载荷进行数值研究,并结合压力舒适性标准对隧道净空面积提出建议。采用RNG k-ε湍流模型和滑移网格法进行数值模拟,并通过动模型实验进行验证。研究结果表明：16车编组的高速列车以速度400 km/h在净空面积为100m²的标准双线隧道内交会时,从头车到尾车方向上,车外表面的平均压力峰峰值不断减小,车内的平均压力峰峰值不断增大;综合考虑现有高速列车气密性与舒适度标准,运行速度为400 km/h的长编组高速列车双线隧道净空面积推荐采用100 m²。     

台阶开孔式缓冲结构对隧道气动效应分析

随着列车速度的不断提升,列车由明线驶入隧道所引发的微气压波问题变得日益突出,有关研究表明：组合型式缓冲结构较单一型式缓冲结构能更好的缓解微气压波的影响,为了进一步减缓微气压波对隧道周边环境的影响,本文提出了台阶开孔式组合型缓冲结构。基于 两方程紊流模型,运用数值模拟的方法,从开孔距离、开孔率、开孔数量、开孔位置四个方面进行研究,对列车驶入隧道所引起的初始压缩波压力和压力梯度值进行具体分析,得出优化设计参数。台阶开孔式缓冲结构对初始压缩波压力最大值的影响较小,最大压力值差值保持在10Pa内,但对初始压缩波压力梯度值影响较大。当开孔距离为4m、开孔率α为36％、开孔数量为2孔、开孔位置为顶部开孔时,为最优工况,对压力梯度的减缓效果达到了60.14％。     

宽区压榨毛毯-纸幅体系微观结构的研究

【目的】了解毛毯-纸幅体系在压榨过程中的结构变化以及压缩速度、不均匀压力作用对于湿纸幅水分脱除动力学的影响。【方法】将毛毯和纸幅视作一个综合作用体系加以研究,首先研发了一套专门实验装置,通过压榨模拟实验研究压缩过程毛毯-纸幅体系微观结构上的变化,进而研究不同压缩速度、不同毛毯表面结构以及不同浆种对压缩过程所需压力的影响。【结果】①宽区压榨毛毯-纸幅体系微观结构为非均匀性结构; 靠近渗透毛毯表面最为致密,且最上层纸幅会嵌入毛毯纸幅空隙中,使得毛毯-纸幅体系整体渗透性降低,所需压榨压力增加。②采用铁丝面和中网面模型压缩过程中,当加压试验速度从51 mm/min变为99 mm/min时,后者压力峰值约为前者的4倍; 加压试验速度从99 mm/min变为124 mm/min时,后者压力峰值约为前者的2.3倍。但当压缩速度从124 mm/min变为99 mm/min(减小20%)时所需作用力减小了50%左右,并不符合达西定律。③在同一加压速度下,采用铁丝网面模拟压榨过程所需的压力是采用3种毛毯表面模型模拟压榨过程所需的压力的5倍左右。而采用3种毛毯表面模型模拟压榨过程所需的压力值几乎相同。④采用中网面毛毯表面模型时,当没有加入中间刚性层,试验速度从51 mm/min变为99 mm/min时,压缩过程所需的压力并没有明显的变化。当试验速度从99 mm/min变为124 mm/min(即增加25%)时,所需压力增加150%左右。在试验速度为51 mm/min时,压缩过程所需压力基本一致; 当试验速度为99 mm/min时,采用中间刚性层实验组所需的压力峰值比没有采用的组大; 当试验速度变成124 mm/min时,现象却相反。【结论】在压榨过程中纸幅模型在厚度方向上呈现不均匀性。纸幅模型在压缩过程中,压缩速度相同时压榨毛毯表面模型选用的不同,所需的载荷也不相同,当采用铁丝网面(即理想化平整的压榨表面)时,所需的压力最大; 而压缩速度越大,所需的压力值也就越大,且压力的大小与速度的变化关系并不符合达西定律。在纸幅模型层之间加入中间刚性层之后,相同的加压试验速度下,采用理想化细密平坦的压榨表面所需压力的峰值会减小。     

内置开孔隔墙高速铁路隧道列车车体压力波动特征

为研究内置开孔隔墙隧道内列车车体压力波动特征,基于有限体积方法的流体力学计算软件建立了非定常可压缩三维流动模型,对内置开孔隔墙高速铁路隧道内列车车体压力进行了计算分析。结果表明:隧道内置开孔隔墙后:①车体压力波形基本与无隔墙时一致,但波动程度加剧且出现有规律的周期振荡;②隔墙开孔间距和开孔面积对车体压力波的影响明显;③车体压力波幅值与车速成正相关关系,但其振荡周期与车速成反比;④相对于单车,列车对向运行时车体压力波明显增大,但两者的差值随着开孔间距的增大、开孔面积的减小和隧道长度的增加而减小。     

地铁隧道列车振动特性试验研究

为获取隧道内列车荷载的振动特性,对某地铁区间隧道进行了试车试验.分析了扣件类型、列车运行速度等因素对荷载特性的影响;基于隧道断面的实测结果分析了其振动传播规律.结果表明:当地铁列车以60km/h通过时,实测振动源强均值为70.41dB;沿隧道断面的振动幅值逐渐减小,且荷载的高频分量逐渐衰减,钢轨竖向加速度最大,且以100Hz以上的高频分量为主;道床顶面和隧道基底的振动量值接近,且远大于隧道侧壁;随着车速增加,各测点的竖向分频振级逐渐增大,且低频段的振级增加更为显著,但车速的增加并未改变荷载的主频段,且随着车速增加,道床与隧道侧壁之间的振动传递损失增大;扣件类型对荷载的分频振级有较大影响.