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．     

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．     

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.     

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。     

挡板结构对微混合器内流动与混合的影响

对内置3种不同挡板的T型微混合器内的流动与混合进行数值模拟,比较流动与混合的发展过程,分析不同挡板结构的对流作用机理以及混合随通道长度方向的发展变化.讨论了不同雷诺数(Re)下,挡板结构对混合强度与压力损失的影响.结果表明,在5Re≤90范围内,3种挡板结构产生的混合强度与压力损失均随Re的增大而增大.矩形挡板产生的混合效果最佳,但结合压力损失评价,认为斜面梯形具备最优的综合性能.     

临近溶腔内压对隧道初支稳定性影响的模型试验

部分未经处理溶腔填充物复杂且受季节性、突发性降雨影响,溶腔内压增大会影响临近隧道结构稳定性,易导致施做后的初支结构失稳.以某三车道公路隧道为依托,开展了隧道开挖后承压溶腔对初支力学行为影响的模型试验.试验中逐级增加溶腔内压,测试了隧道洞周位移、初期支护内力及背后围岩压力的变化特征,研究承压溶腔位置及内压对隧道初支稳定性的影响.试验结果表明:隧道临近溶腔处洞周位移随溶腔内压增大而变大,达到临界内压时突然增大;承压溶腔内压增大显著增大了钢拱架临近溶腔测点处的弯矩,使钢拱架轴力水平整体提升;同时增大了临近溶腔位置处及墙角处初期支护背后围岩压力,造成初支受力不均匀.洞周位移发生突然增大、钢拱架在轴力和弯矩共同作用下达到屈服强度时,初期支护结构失稳.在试验设定的溶腔尺寸及间距下,仰拱处存在溶腔时,内压增大,隧道初期支护最先失稳.     

基于协同组合的新型微混合器的数值模拟

微通道反应器用于制备生物柴油具有收率高的优势,但物料的预混合程度则是影响反应速率的关键因素。基于协同组合强化概念,设计了一种新型组合式微混合器,其包括含有7个入口的入口段和含有三角形挡板与圆形阻块构件组合的混合段,并对其混合性能进行了数值模拟研究。考察了入口角度、圆形阻块构件直径、三角形挡板构件高度及构件间的距离对油醇混合强度与压降的影响,优化得到的入口角度为30°、阻块构件直径与挡板构件高度为120μm、构件间距为330μm。结果表明:多入口与组合内构件具有协同强化混合作用,能够有效提高混合强度;雷诺数Re为1时在长度6 mm的混合段内的混合强度可以达到0.9以上,改善了操作弹性。     

大型锻件微孔隙氢压场研究

根据气体状态方程建立了微孔隙氢浓度计算公式,结合原有微孔隙氢压强度计算公式,建立了钢中微孔隙氢压强度综合计算模型。通过分析锻件内的微孔隙的物理性质和变形特征,将微孔隙分布视为多孔可压缩材料,利用多孔可压缩材料的刚塑性有限元法,建立了Cr5材料锻件内部微孔隙锻造压实与微孔隙氢压强度的非线性有限元模型。通过数值模拟,研究了上下V型砧锻造工艺下,压下量对相对密度和微孔隙氢压强度的影响。分析结果表明,随着压下量的增大,锻件内部相对密度随之增大,相对密度对微孔隙氢压强度的影响有一个阈值效应,通过控制锻件压下量可以有效地控制锻件内部的微孔隙氢压强度的大小。     

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％。     

时间离散格式对微气压波幅值精度比较

隧道洞口微气压波随着列车通过速度的提高对洞口周围环境的影响恶劣。高速磁浮列车设计需要对隧道洞口的微气压波幅值进行估计。该文首先通过数值模拟和实验验证,比较了时间离散格式对车体表面压力波动和微气压波幅值仿真精度的影响,结果表明,采用二阶精度的离散格式能够较为准确地模拟洞口微气压波噪声现象。最后评估了高速磁浮列车550km/h单车通过隧道的微气压波幅值,为工程设计提供有效指导。     

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%.     

基于特征线法的车隧压缩波演化数值分析

为研究压缩波沿隧道传播演化的影响规律,采用考虑压缩波惯性效应和壁面摩擦效应的一维特征线法,建立了压缩波沿隧道传播演化的数值模型,通过一维平面波方程与实车测试两种方法共同验证了该模型的准确性。针对波前形状、车身波等、压力幅值关键因素,研究了初始压缩波沿隧道传播时,最大压力梯度的变化规律。在此基础上,进一步探讨分析了摩擦与气室阵列共同作用对压缩波波前演化的影响以及壁面摩擦的作用机理。结果表明：初始压缩波波形相同时,压缩波最大压力梯度随波前幅值的增大而增大;不同波形的初始压缩波沿隧道的演化规律不完全相同,但列车车身进入隧道所产生的车身波并不会影响压缩波波前的最大压力梯度;考虑壁面摩擦后,气室阵列对压缩波最大压力梯度的缓解效果有了进一步提高,壁面摩擦越大,缓解效果越显著。     

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。     

复合交通荷载下叠合式公轨合建隧道动力响应

叠合式公轨合建隧道不同于其他公轨合建隧道,汽车-列车荷载作用下其动力响应也有所不同。为研究复合交通荷载下叠合式公轨合建隧道动力响应,用激振力法、元胞自动机、汽车动力模型模拟列车荷载、车流和汽车荷载,用有限元软件Plaxis3D分析了不同荷载及有无垫层工况下隧道的动力响应。结果表明：公路隧道、铁路隧道分别主要对汽车荷载、列车荷载产生加速度响应,铁路隧道的加速度响应要明显大于公路隧道,约为后者的20倍;隧道不同位置处,对两种交通荷载的应力响应情况不同,铁路隧道应力响应主要受列车荷载控制,但当公路隧道中有大型车辆通过时,会对铁路隧道应力响应产生较大影响,甚至起到主导作用;公路、铁路隧道之间设置垫层会增大公路隧道的动力响应,但同时会减小公路隧道下方土层的刚度差异进而减小其应力值,综合作用下,设置垫层后公路隧道的应力状态会有所改善。     

强震作用下运营隧道裂损衬砌动力响应分析

运营隧道由于地质因素、施工因素与地下水因素造成衬砌结构带裂缝工作。在地震力作用下,带裂缝的衬砌的安全性难以保证。基于隧道衬砌结构裂损的不同位置和裂缝不同深度的考虑,建立了三维数值有限元模型,采用时程分析的方法研究了衬砌的动力响应。研究表明:①在地震力作用下,隧道衬砌受往复拉压作用;在剪切波作用下,最大弯矩、轴力发生在隧道横截面"X"位置;②带裂缝衬砌在地震力作用下,纵向裂缝处混凝土应力集中,主筋拉应力增大,其他位置内力与完好衬砌响应相同;③随着裂缝的位置不同,对隧道安全性的影响不同,影响顺序由大到小依次为225°、315°、270°;④衬砌初始裂缝深度越深,在地震作用下应力集中情况越严重。     

联通式内缓冲结构对隧道气动效应减缓效果

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k-ε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...