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.     

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.     

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％。     

断续节理岩体波传播试验装置的研制及其标定

为了解决现有试验设备难以激发并开展复杂节理岩体应力波传播规律研究的技术难题,基于摆锤撞击原理设计并研制了一种可用于实现断续节理应力波激发、传播和测试的试验装置．该装置主要由平面波发生器、支撑平台、软件控制系统和数据采集系统4部分构成．该试验装置具有可控、可调、可重复激发具有不同波长和幅值的应力波的优点．利用有限元数值软件模拟了平面应力波在岩石板上的传播,结果表明应力波波阵面沿板轴线对称分布,而波阵面幅值一致性范围随着传播距离逐渐下降．利用该试验装置分别在完整岩石板和断续节理岩石板上开展了试验研究,结果表明应力波在完整岩石板中同一横截面处的波形基本一致,且受边界效应影响,同一截面处应力波幅值由中心向两边逐渐增大．在断续节理岩体应力波传播试验中,应力波在通过节理后不再以平面波的形式传播,断续节理后方同一截面上应力波幅值表现出节理段后被削弱、岩桥段后被增强的特点．进一步的分析表明由断续节理引起的幅值差大于同范围内由边界效应引起的幅值差,从而验证了本试验装置可开展断续节理岩体波传播规律的研究,并为含复杂结构面岩体中应力波传播规律的研究提供了技术手段．     

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。     

初始压力对狭缝内爆轰传播特性影响的实验研究

在高度H=1 mm,宽度W=20 mm的狭缝内,实验研究了不同初始压力(P_0=10~40 k Pa)下化学恰当比的C_2H_4/O_2预混气的爆轰传播特性。采用烟迹法记录爆轰胞格结构,同时采用高速摄影捕捉火焰面。实验结果表明,随着初始压力降低,爆轰波的化学反应诱导区距离增大,壁面条件(如摩擦、导热)的影响增强,导致火焰传播的速度震荡加剧,爆轰波传播从多头模式向单头模式过渡,并可出现多次起爆或者熄爆等复杂现象。此外,稳定自持传播爆轰波的速度亏损会随初始压力降低而增大,但详细规律还需进一步研究。     

岩石的损伤软化对应力波传播的影响

针对不含水干岩弹塑性变形的基本特征，考虑岩石的剪胀效应和软化效应，并根据岩石不同变形阶段的特点，给出了不同的屈服面形式和损伤演化方程，建立了岩石的弹塑性连续损伤本构模型．在此基础上研究了一维应变波在岩石介质中的传播规律，揭示了应力波在岩石类脆性损伤软化材料的传播过程中，损伤软化使得材料分为损伤演化区和完全破坏区，应力平台在两区交界面处产生凹陷．这一不稳定的凹陷在传播过程中逐渐消失，因而应力波传播在损伤的作用下经历了一个从不稳定到稳定的演化过程．     

高速列车进入隧道时的一维非等熵流

为了给我国的高速铁路设计提供理论依据 ,采用特征线法对高速列车进入隧道引起的一维非定常流动进行了数值研究。作为 Kage等人研究工作的拓展 ,重点研究了隧道内非等熵流与等熵流间的差别。建立的控制方程中包含了壁面摩擦项和 Kage等人计算中没有考虑的有效截面侧壁径向做功项 ;壁面摩擦项的处理采用 Woods等类似的方法 ,得到与相应实验数据较为吻合的计算结果 ,数值计算结果表明侧壁做功和壁面摩擦的作用将导致压力波峰值的明显升高 ,是不可忽略的     

非线性波在岩石节理处的透射规律研究

基于非线性波动方程和岩石节理非线性变形特性,建立一维非线性纵波法向入射单一节理的透射波计算理论.对节理、波源、岩石非线性系数和节理位置进行参数研究,探讨节理非线性变形对非线性波波形、透射系数和频率分布的影响.研究结果表明,非线性波传过节理后透射波振幅衰减,持续时间增长,节理初始刚度越小,波源的频率和振幅越大,该现象越明显.透射系数随节理距波源距离的增大而减小,振幅和频率越大的非线性波的透射系数减小的越快.节理距波源距离增大到一定值后,振幅越大的非线性波的透射系数越小,该距离的大小与波源参数有关.透射波中会产生一系列高频波,这些高谐波是在节理和岩石的共同作用下产生的.     

声波衰减的格子-Boltzmann方法模拟

采用格子-Boltzmann方法分别模拟了一维及二维通道内平面声波的衰减过程.模拟中,声源给定速度及密度,出口采用出口边界条件.一维模型下,y方向采用周期性边界条件;二维模型下,y方向采用无滑移边界条件.模拟结果表明:在介质黏性以及壁面摩擦(仅二维)的作用下,声波沿着传播方向逐渐衰减,速度振幅及密度振幅越来越小,压力梯度呈负指数形式减小;随着波长的增大或介质黏度的减小,声波的衰减减缓,压力梯度越小.模拟获得的速度分布、压力梯度分布以及衰减系数与理论值吻合良好.最后,给出了声源的激发声压级.     

高速列车行驶速度对隧道壁面气动压力影响的数值模拟

壁面气动压力长期循环作用是高速铁路隧道衬砌掉块的重要诱因，为研究高速列车行驶速度对壁面气动压力基本特征的影响规律，采用三维数值仿真模拟对隧道典型位置(入口段、洞身段以及出口段)壁面气动压力进行研究。结果表明:列车车头经过使得监测横断面气动压力差异性增强，表现出显著的三维特征。隧道入口段气动压力三维特征主要受压缩空气所占体积大小以及与隧道入口之间距离的影响，气动压力三维特征随着进入隧道入口距离的增加而减弱，并逐渐向一维特征转变。列车车头驶入隧道入口后，车尾驶出隧道出口前，洞身段不同测点位置的气动压力正峰值主要受车头进入隧道入口诱发压缩波的影响，纵轴中断面测点气动压力负峰值与峰峰值大于洞口段。车尾驶出隧道出口后，出口段测点气动压力负峰值大于入口段，正峰值小于入口段。隧道出口段气动压力三维特征与入口段相似，但列车行驶速度以及测点与隧道出口之间距离对气动压力三维特征的影响机制更为复杂。     

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。     

铁路隧道出口微压波问题的数值模拟

采用有限体积法和TVD性质的差分格式相结合求解轴对称欧拉方程的方法对高速列车通过隧道时在隧道出口区域产生的微压波问题进行了数值研究．通过该数值方法计算得到的结果和国外试验量测结果符合良好，表明该方法能够比较精确地模拟这一现象．通过该数值方法对相关影响因素进行了研究．研究结果表明，隧道出口处挡板的位置和直径大小对于微压波压力峰值的空间分布具有重要影响．文中针对到达隧道出口附近的压缩波为弱冲击波的情况，给出了隧道出口处设无限大挡板和不设挡板时微压波压力峰值的空间分布图．文中提出了用于计算出隧道出口处微压波的压力峰值的公式．该公式表明，微压波的压力峰值与测点到隧道出口中心之间的距离以及测点与隧道出口中心之间的连线和隧道轴线所形成的夹角密切相关．文中的研究结论和方法可为制定微压波减缓措施提供重要依据．     

阵列桥箔电爆炸过程数值模拟

为提高金属桥箔电爆炸的能量利用效率,增加桥箔电爆炸等离子体作用范围,设计了金属阵列桥箔结构,采用有限元流体动力学方法对金属阵列桥箔电爆炸过程进行了数值模拟.利用相变分数和考虑电离度、粒子数目变化及粒子间库仑作用的等离子体状态方程,实现了金属导体在脉冲大电流作用下电爆炸产生等离子体及冲击波的数值模拟计算.对比分析了阵列桥箔在有加速膛通道和无加速膛自由场两种情况下的电爆炸等离子体流场特征及演化规律.计算结果表明,两种情况下等离子体束在叠加汇聚区压力较高,在无加速膛自由场中电爆炸初始冲击波速度和等离子体射流传播速度都较高;在有加速膛情况下,由于气体粘性作用,管壁附近存在一个高压低速边界层,加速膛通道内冲击结构较为复杂.     

联通式内缓冲结构对隧道气动效应减缓效果

本文为解决地形受限而无法在隧道入口处设置缓冲结构的隧道气动效应问题,提出了一种新型的联通式内缓冲结构,基于三维、可压缩、非定常Navier-Stokes方程,采用 两方程湍流模型,通过滑移网格技术,对列车高速驶入隧道所引起的压力波动进行了计算。通过将不同缓冲结构形式对隧道气动效应的减缓效果进行对比,选定出了此缓冲结构的最优形式。研究结果表明：在隧道内部设置联通式内缓冲结构对于初始压缩波压力最大值 的降低效果并不显著,但可以大幅降低压力梯度最大值 。联通式内缓冲结构开口数量n、距隧道入口距离 、开口通道长度 、横向通道与轴向通道的水力直径之比 以及横向通道长度 等参数都会对隧道气动效应的减缓效果有一定程度的影响。当联通式内缓冲结构开口数量n为3,距隧道入口距离 为20 m,开口通道长度 为10 m,横向通道与轴向通道的水力直径之比 为1:1,横向通道长度 为2 m时,对隧道气动效应的缓冲效果最佳,可达37.68%。故设置联通式缓冲结构在一定程度上可以有效减缓隧道气动效应。     

轨道道床影响高速铁路隧道出口微压波数值探讨

基于一维可压缩非定常空气流动理论,利用数值方法计算了高速列车进入隧道引起入口压缩渡在不同轨道道床（板式道床与碎石道床）隧道内的传播情况,以及在隧道出口附近形成的微压波特征．通过对轨道道床不同参数的计算,定性与定量分析了轨道道床对隧道出口处微压渡强度的影响,结果表明在较长隧道中铺设碎石道床是一个有效的微压渡减缓措施．     

泄压井对高速铁路隧道出口微压波的影响研究

为了降低高速铁路隧道出口微压波对周围环境的影响,采用了三维粘性、可压缩、不等熵、非定常流的Navier-Stokes方程作为控制方程,空间离散采用了中心有限体积法格式,隧道壁和泄压井壁采用了壁面函数处理。针对高速列车突入带泄压井的隧道进行了数值模拟。计算结果表明,泄压井能有效降低高速铁路隧道出口微压波峰值,而且泄压井高度、隧道长度和列车速度对隧道出口的微压波峰值都有重要影响。     

高速铁路隧道斜切式洞门研究

高速列车通过隧道时会在隧道内引起瞬变压力、在隧道出口形成微气压波.微气压波会对隧道出口的周边环境和周围建筑物造成危害,采用帽檐斜切式洞门可大大消减微气压波的影响.本文对斜切式洞门的结构型式、结构设计及斜切式洞门对微气压波的消减效果等进行了研究,可供类似工程参考.     

隧道壁湿润引起电磁波衰减率变化的研究

矿井隧道壁湿润会引起电参数改变，从而使电磁波传播衰减率发生变化。当频率略高于隧道截止频率时利用微扰法可知：不论是矩形隧道还是圆形隧道，隧道壁潮湿使电磁波的衰减率降低。当频率远高于截止频率时，利用传统公式法可知：矩形隧道中隧道壁湿润引起衰减增大；圆形隧道中E模式衰减率因电容率的增大而减小，其它各模式则因电容率的增大而增大。