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.     

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.     

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...     

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%.     

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．     

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％。     

基于通量分裂的一维溃坝洪水时空二阶精度格式研究

利用通量分裂方法和泰勒级数展开方法导出了圣维南方程组空间离散项的二阶精度格式,并采用Runge-Kutta方法计算时间离散项,使离散格式达到时空二阶精度。采用所建立的二阶精度格式对一维溃坝洪水进行数值模拟,从模拟结果可知,新格式具有自动捕捉激波的能力,数值解在间断波附近没有出现数值振荡,计算结果与理论解吻合很好,表明所建立的二阶精度格式能够很好地模拟溃坝波的演进过程。     

国产磁浮列车气动外形的优化

为了降低列车交会空气压力波、减小空气阻力、使列车具有正的气动升力，根据给定的列车横断面，设计3种磁浮列车流线型头部外形。利用可压缩粘性流体的N-S方程和k-ε双方程湍流模型，采用有限体积法对包括TR08磁浮列车在内的4种高速磁浮列车周围流场进行数值模拟，得出磁浮列车在不同运行速度下的气动阻力系数、升力系数及列车以430km／h运行时的交会压力波幅值。此外，为优化气动外形方案，对3种方案进行综合比较分析。研究结果表明：随着流线型头部长度的增加，列车空气动力性能提高；在车头流线型长度相同的情况下，随着最大纵剖面轮廓线曲率的变小，交会压力波降低，水平投影轮廓线变宽，列车阻力增加；最优方案为列车交会压力波和空气阻力均较小、流线型头部为扁梭形的方案三。     

新型高速列车隧道空气动力学模型实验系统

目前高速列车隧道空气动力学模型实验系统主要用于分析隧道内压力波的变化规律,难以对空气动力学效应进行完整的分析.针对这一局限性,从科特流(Couette)理论出发,提出了一种新型实验系统即旋转式高速列车—隧道模型实验系统,介绍了该系统的可行性、结构、实验原理及其特点.分析表明:该新型实验系统结构简单、功能完善、成本低、实验重复性好,适用于进行高速列车通过隧道时产生压力瞬变、微气压波、列车活塞风、行车阻力和气动噪声等一系列空气动力学实验,并能测量隧道内和列车隧道环形空间的气流速度场,对研究高速列车隧道空气动力学问题有重要意义.     

用于波动方程计算的高阶精度紧致差分方法

研究低耗散低色散的高阶精度紧致差分方法,目的是直接模拟非定常的波动问题.空间导数采用七点六阶以上精度的紧致差分逼近,研究3种空间离散格式：一个通过降低色散（相位）误差得到优化格式CO6,以及标准的五点六阶紧致格式C6和七点八阶精度紧致格式C8;时间推进采用2种四阶精度的Runge-Kutta方法（RK4和RK46）.分析比较空间离散格式的有效波数范围、空间-时间全离散格式的误差特性、长距离波传播计算时的累积误差特性.通过对全离散格式的误差等特性的分析比较,对这类格式的应用提出建议.最后,通过流体波动问题算例,验证了该格式计算波动问题的高精度特性.     

隧道内缓冲结构对高速列车微压波的影响

摘要：
采用数值方法模拟列车通过隧道的过程，并使用前人的实验数据对计算模型进行了验证.研究了隧道内挡板缓冲结构对微压波强度的影响，揭示挡板装置产生微压波的双峰特征，得到挡板大小和挡板安装位置对微压波强度的影响规律.结果表明，在隧道内合理地安装挡板能有效地削减隧道内压缩波强度，从而削减隧道出口处微压波强度.     

高速列车明线会车压力波波幅研究

采用移动网格原理对列车明线交会的空气动力学特性进行了数值模拟.修正了Steinheur经验公式,并给出了等速交会的列车表面压力波波幅的新计算公式.研究表明:交会列车低速时对应的压力波幅值小于高速时的幅值;波幅与交会速度、交会侧间距和监测点的高度有关,并近似与列车运行速度的平方成正比;交会侧间距越小,波幅越大;在其他条件不变的情况下,交会侧间距比高度对压力波幅的影响大.     

非等距网格高精度差分方法用于气动声学问题计算

研究了非等距网格下高阶精度有限差分方法用于气动声学问题的可行性．通过Taylor级数展开法构造了不等距网格下的七点六阶精度空间离散格式，分析了格式适用的波数范围，时间积分采用显式四阶精度推进格式，可直接计算非定常欧拉方程用于气动声学问题．算例采用随机变化的网格间距，对一维单波方程和球形波方程进行了计算，验证了非等距网格格式模拟波动问题的能力．对二维情况，计算了亚音速均匀流中初始声、涡和熵脉冲波问题，得到了很好的结果．     

马槽仔隧道进口(大庆端)洞口滑坡处治

江西省高速公路建设近几年得到快速发展,隧道建设一直是山区高速建设的重点、难点.受降雨、地形地貌、地质条件、工期、设计、施工等影响,隧道洞口施工时洞口土体易受扰动,造成地表产生裂缝,山体容易失稳,导致洞口滑坡及坍塌.本文通过分析江西马槽仔隧道洞口多方面因素,对隧道洞口产生滑坡原因进行了分析计算,根据计算结果对隧道洞口进洞...     

一维溃坝波的数值模拟——基于WENO重构的解耦格式

采用五阶精度的WENO格式对界面变量进行数值重构,形成高精度的数值离散格式,对其捕捉溃坝波的能力进行分析。用roe平均对一维浅水方程组进行局部线性化,通过直接和解耦2种格式进行求解,数值模拟溃坝洪水的推进过程,得到沿程的水位和流速分布。与理论解的比较表明基于WENO5重构的解耦格式,具有很高的分辨率,展现了溃坝涌波的运动特性。     

非线性"Good"Boussinesq方程的显式多辛格式

对非线性"Good" Boussinesq方程的一个多辛方程组进行数值离散,导出方程的离散多辛守恒律,得到一个与此数值离散方法等价的,新的7点显式多辛格式.通过孤立波的数值模拟试验表明,所构造格式既能很好地模拟单孤立波运动的波形,又能很好地模拟双孤立波的碰撞过程,可有效地模拟原孤立波的时间演化,具有长时间的数值稳定性.     

一种求解时间关联型缓坡方程的数值方法

以含底摩阻能量耗散项的时间关联型缓坡方程为控制方程,建立了一种具有二阶精度的数值离散格式.该格式对时间导数使用Euler预测-校正格式离散;对空间导数使用中心差分格式离散.基于统一边界条件表达式,对边界条件进行处理.数值解与物理模型实验值吻合较好,表明数值模拟模型可以有效地模拟波面随时间和空间的变化以及波高的空间分布.     

高速列车过隧气压爆波的声学特征与传感器选型

基于传感器的选型对气压爆波的测试结果有较大影响,利用实验结果研究不同速度级下气压爆波的时频特征。利用高阶谱差分的CAA数值仿真技术研究气压爆波的远近场特性变化规律。在此基础上,对比分析采用3种不同传感器测试结果的合理性和准确性,给出不同情况下传感器的选型规律。研究结果表明:气压爆波能量主要分布在次声波区域;隧道口外气动噪声源分布在2倍管口直径范围内;气压爆波在制定行业标准时需要综合考虑气压爆波幅值和频谱特性。     

弹性波在非均匀介质中传播的波幅研究

对弹性波在非均匀介质中传播时的波幅进行了研究.利用积分变换,用解析方法求解了一维非均匀区域的不同性质对弹性波传播时波幅变化的影响;将非均匀区域离散成均匀的薄层,结合相邻层的连续条件,建立了数值解法的波幅传递矩阵.通过实例计算,将数值解结果与解析解结果进行比较,数值解结果具有较高精度,为工程实际中的无损检测提供了理论和计算分析依据.