高速铁路挡风墙防风特性风洞试验及优化比选

基于列车穿越大风区时其气动力显著增大,可能导致列车脱轨及倾覆等事故,采用风洞试验方法研究不同高度挡风墙下动车组气动特性和触网处风速,分析大风环境下高速铁路挡风墙的防风效果进而比选确定挡风墙结构主要参数。研究结果表明:动车组在平地情况下的升力系数、侧力系数和倾覆力矩系数随侧滑角的增大而增大;当设置2.5 m高挡风墙时,动车组的升力系数、侧力系数和倾覆力矩系数的绝对值均大幅度降低;当挡风墙增高至5.0 m时,对动车组有一定的防护作用,但其防护性能比2.5 m高挡风墙的防护效果差;设置2.5 m高挡风墙对接触线有一定防护效果,5.0 m高挡风墙使得接触线和承力索处的风速均大幅度下降,最小降幅达到55%,说明5.0 m高挡风墙对接触网有更好的防护作用。综合考虑挡风墙对动车组倾覆的安全防护、接触网的防护及其自身加强措施、结构的经济合理性,建议大风区高速铁路挡风墙的合理高度为轨面以上2.5 m。     

挡风墙尾流作用下导线表面粗糙度对接触网正馈线气动特性的影响

大风经过兰新高铁沿线挡风墙后,容易引发接触网正馈线发生舞动现象。为分析挡风墙尾流作用下导线表面粗糙度对正馈线气动特性的影响,基于流体力学建立铁路挡风墙尾流风洞实验装置与5种不同表面粗糙度导线模型。由于导线与整体计算域尺寸差距悬殊,对整体计算域的网格采用分块划分。利用流体仿真软件研究不同风速下正馈线的气动特性。结果表明：正馈线表面粗糙度越低,升、阻力增大越明显。在入口风速为1 m/s时,不同表面粗糙度正馈线升、阻力系数基本值保持稳定;在入口风速大于5 m/s时,随着表面粗糙度降低,正馈线升、阻力系数增大;不同表面粗糙度的正馈线尾部流场产生的漩涡不同,并且在导线凹凸处产生不同的细小漩涡。正馈线近壁面的气体流动特征发生较大变化,对导线气动特性影响较为明显。     

二次加湿蒸发降温系统性能研究

构建了二次加湿蒸发降温装置,对系统的性能进行了实验研究.研究结果表明:在风速一定的条件下,入口空气干球温度越高,相对湿度越低,冷却效率越高,制冷效果越好;在干湿球温度一定的条件下,入口风速越大,冷却效率越低,当风速超过3.5m/s时,冷却效率低于63%;同等条件下,二次加湿蒸发降温系统的出口温降比直接蒸发冷却系统的出口温降平均高2℃左右,加湿量增加5%～10%,冷却效率提高4%～10%.     

兰新高速铁路挡风墙合理高度研究

为保障兰新高速铁路列车运行安全,建立了动车组、线路和挡风墙等的三维模型进行数值仿真计算.经动模型试验和风洞试验验证,结果表明：合理挡风墙高度随路基高度的变化是非线性的,即在路堑上,合理挡风墙高度随路堑深度的增加而减小;在平地和路堤上,最优挡风墙的高度为3.5～4.0 m;合理设置挡风墙后,其最大防御风速随路基高度的增加而减小,路基越高越危险.     

溶液再生式蒸发冷凝器运行参数对系统性能的影响

为了充分回收低品位的冷凝热,提出了以溶液再生式蒸发冷凝器为纽带的复合式空调系统.建立了溶液再生式蒸发冷凝器内部热质传递的数学模型,回归总结了空气与液膜之间传质系数的经验关系式,并进行模型验证,研究了内部运行参数对溶液再生量、系统制冷量及电力性能系数的影响,进而寻找到其最佳范围以优化系统运行.采用Matlab程序的计算结果表明:空气的迎面风速、进口含湿量以及溶液的质量流速、进口质量分数对系统性能影响较大;较低的空气进口含湿量有利于复合式空调系统运行;最佳的迎面风速为2.63～2.87 m/s,溶液质量流速为1.95～2.35 kg/(m2.s),溶液进口质量分数为23.2%～24.2%.     

峡谷桥隧连接段横风风环境数值模拟

为研究山区路段横风对桥隧连接段上风场特性的影响,建立桥隧连接段三维模型,利用国际大型流体力学计算软件FLUENT,使用有限体积法进行空间离散,采用k-w湍流模型对桥梁上空不同位置处峡谷横风形成的风特性进行数值模拟计算。计算结果表明：在相同风速条件下,峡谷间距越小,对气流的加速作用越明显,而在桥梁上空呈现的加速区间却减小;当峡谷间距分别为20、30、50m时,桥梁上空的风速分别增加了30.8%、29.3%、27.2%,加速范围分别是16、20、38m。同时,表现出桥隧连接段离隧道一定范围内风速较小,但湍流强度较大;在桥梁中央一定范围内风速较大,但湍流强度较小。数值模拟结果为交通安全性和舒适性研究提供了可靠依据。     

池火灾环境下海洋平台的温度场

采用ANSYS FLUENT软件对某海洋平台进行池火灾环境下的温度场模拟,模拟过程中考虑海洋环境风速及挡风墙的影响,得到池火灾的发展趋势、平台温度场的空气温度分布和较安全的挡风墙设置情况.结果表明:无风情况下海洋平台甲板内的池火先上升到顶部甲板处,再缓慢向周围扩散,平台顶部温度很高,底部温度较低;在主风向处设置挡风墙,可以防止有风情况下池火灾火焰在平台上的蔓延,降低池火灾对周围设备的危害.     

列车气动效应作用下隧道衬砌混凝土水分传输理论研究

针对高速列车气动效应在铁路隧道衬砌混凝土表面产生的高速气流和空气低压作用,提出考虑列车气动效应的隧道衬砌混凝土水分传输和湿度场理论计算模型,并对气体流速和表面低压等关键影响因素进行分析。研究结果表明：高速气流加速混凝土表面水分交换速率并减薄水汽过渡层,表面低压作用降低环境中的水蒸气分压并增大混凝土表面与内部孔隙之间的压力梯度;混凝土表面风速越大、气压绝对值越低,其内部湿度下降越快;环境条件对混凝土湿度场的影响仅局限在混凝土表面一定范围内,环境风速和表面气压变化对混凝土内部湿度影响较小;在标准大气压条件下,当混凝土表面风速由5 m/s增大至15 m/s时,距离干燥面10 mm和30 mm处60 d龄期时相对湿度分别降低32.6%和3.9%;在环境风速为0 m/s条件下,当混凝土表面气压由80 kPa降低至50 kPa时,距离干燥面10 mm和30 mm处60 d龄期时混凝土相对湿度分别降低37.9%和3.8%。本文所提出的理论模型可较准确地描述上述因素对混凝土湿度变化的加速效应。     

风区车站内现有挡风墙高度优化

文章采用三维定常不可压缩雷诺时均N-S方程和RNGκ-ε方程湍流模型,对3车编组高速列车在不同风速(0、10、20、30、40m/s)下以不同车速(0、100、150、200、250km/h)通过风区内设置4m高挡风墙的车站进行模拟研究,并结合《京津城际铁路技术管理暂行办法》对风区车站内现有挡风墙高度进行了分析优化。数值算法经过试验验证,数值计算结果与试验的规律一致,幅值相差基本不超过10%。研究结果表明:列车位于第2线和第3线运行时受力存在显著差异,位于第3线时气动力及力矩变化较大;随着风速和车速增加,列车气动力及力矩变化不尽相同,这种现象在头车上反映更加明显。通过对列车在10~40m/s横风环境中以100~250km/h车速运行的模拟可知,车站内挡风墙在3.5~4.5m可以有效降低列车气动力及力矩。     

高速铁路开孔式挡风墙外形优化研究

为保障高速动车组的安全运行,亟需对强侧风下动车组的气动性能及防护措施进行研究。基于三维、非定常N-S方程和k-ε双方程湍流模型,对高路堤、强横风条件下,动车组和开孔式挡风墙的气动力进行数值模拟计算。综合分析动车组和挡风墙的计算结果,得出:动车组头车所受到的横向力和倾覆力矩最大;圆孔式挡风墙下运行动车组的横向气动性能比方孔式挡风墙的优;阵列式和交错式2种排列方式挡风墙挡风效果相差不大;20%,30%和40%这3种透风率挡风墙中,透风率为30%的挡风墙下运行动车组的横向气动性能最好;透风率为30%的挡风墙的孔径分别为15,20,25和30 cm时,动车组所受到的横向气动力以及挡风墙所受到的倾覆力矩均相差不大;头车横向力和倾覆力矩的最大值与最小值之间的相对误差分别为2.11%和1.86%,挡风墙所受到的倾覆力矩在有车和无车运行情况下,其最大值与最小值之间分别相差3.79%和0.81%。     

单线路堤上挡风墙高度研究

采用数值模拟计算的方法,对单线路堤上不同高度单、双侧挡风墙对列车气动性能的影响进行研究。研究结果表明:安装挡风墙后,车辆的气动力系数远远小于无挡风墙时的气动力系数,车辆的迎风面受到的压力由大部分正压转变为大部分负压,车辆顶部受到的负压明显减小;挡风墙的不同高度对车辆的气动性能有明显影响,挡风墙高度较低时,横向力系数为正值,随挡风墙高度的增加而减小,达到一定高度后,由正值变为负值,而倾覆力矩系数则正好相反;对于单侧挡风墙,在挡风墙高度为1.85 m时,车体的倾覆力矩系数为0,其合理高度应为1.85 m;对于双侧挡风墙,当挡风墙高度为2.00 m时,倾覆力矩系数为0,因此,挡风墙合理高度为2.00 m。     

钢塔对间冷散热器换热性能的影响

利用计算传热学软件Fluent,在自然通风状态下,对国内首个2×660 MW机组钢结构外覆铝板冷却塔间接空冷散热器的流动和换热性能进行数值模拟、分析和研究.考核工况下,水平加强环对散热器换热量和钢塔通风量的影响约占设计值的2.7%;铝板换热量约占机组排热量的0.6%;随着环境风速的增大,钢塔抽力逐渐降低;当环境风速高于10m/s时,出现塔内热空气流出冷却柱的现象;当环境风速高于20m/s时,塔内出现"穿堂风",间冷散热器的换热量和钢塔通风量明显增加;当环境风速低于12m/s时,随着环境风速的增大,间冷散热器的换热量和钢塔通风量逐渐降低;当环境风速高于12m/s时,随着环境风速增加,间冷换热量和钢塔通风量呈增大趋势.     

大风区高速铁路新型防风设施研究

兰新(甘肃兰州—新疆乌鲁木齐)第二双线是世界上1条已建成的最长高速铁路,也是世界首条穿越大风区的高速铁路,线路穿越大风区最大瞬时风速达64 m/s,严重威胁列车运行安全,针对既有防风设施(主要为挡风墙)难以满足大风条件下防止列车倾覆、保护受电弓和接触网安全及防沙等要求,提出一种新型防风设施即防风走廊,并通过数值计算、风洞试验、动模型试验等方法进行系统研究。研究结果表明:在防风走廊的防护下,动车组的倾覆力矩是无防风设施时的1%~2%,是有挡风墙时的4%左右;接触网处的风速度仅为环境风速的6%左右;半封闭防风走廊开口处的最大速度仅为6.08 m/s;而走廊内部和动车组表面的压力变化表明半封闭走廊更具优势,不会附带产生隧道空气动力效应等不利影响。这说明防风走廊既能实现对列车和接触网综合防护,兼具防沙功能,同时也不会产生隧道空气动力效应等不利影响,作为一种新型高等级铁路防风设施具有应用推广价值。     

基于不同覆盖厚度的景泰县土壤水分蒸发研究

为了探析景泰县土壤水分的蒸发情况,对景泰县兰州理工大学实验基地的土壤进行了模拟实验研究。实验共设置4种处理模式,即土壤表面无覆盖处理(CK)、土壤表面覆砂+覆盖2cm厚秸秆(C1)、土壤表面覆砂+5cm厚秸秆(C2)、土壤表面覆砂+覆盖7cm厚秸秆(C3)。结果表明,(1)经过砂石及秸秆覆盖处理的土壤与裸土相比具有保墒抑蒸效应;(2)秸秆覆盖厚度越大,则土壤水分蒸发量越少;(3)土壤水分蒸发量受大气条件的影响,裸土的土壤水分蒸发量与气温变化呈显著正相关,经过秸秆和砂石覆盖处理的土壤水分蒸发量与气温的相关性减弱。     

基于水分变化动态方程的土壤水分变化量估算

以淮河流域地表土壤含水量为研究对象,利用2010年3~6月多时相MODIS数据和降雨量、土壤相对湿度等实测数据,结合水文模型和土壤水分变化动态方程,研究地表土壤水分变化量的模拟方法。结果表明:根据土壤水分变化动态方程估算的地表土壤含水量变化量,与实测值进行比较,在10 cm和20 cm深度处两者变化趋势一致,拟合的一元线性回归方程均能够通过显著性检验,相关系数分别为0.53和0.62,符合显著相关;均方根误差分别为9.87%和4.64%。可认为该方法能够较好估算地表浅层土壤含水量的变化量。     

环境参数对公路隧道火灾蔓延的实验研究

以象山隧道为研究对象,利用缩尺温度模型进行实验。研究环境温度、通风速度对隧道内的温度以及烟气蔓延的影响规律：隧道内汽车着火后,火源上方隧道顶部的温度上升幅度大,上、下游人眼特征高度处温度的上升幅度较小;通风对隧道内温度的影响很大,但不是风速越大,温度下降的越多,离火源距离越远,通风对温度影响越小;环境温度越低,烟气蔓延时间越短;火灾发生后,未开启风机时,烟气蔓延降至人眼特征高度处时间需350～415s,开启风机后,风速为2.4m/s和4.8m/s时,烟气达到人眼特征高度处的时间分别为25～40s和20～30s。在实验结果基础上给出建议,以便给监督管理部门对风速的调节和灭火救援及人员疏散提供参考。     

温度对土壤水分性状的影响研究

温度对土壤的持水曲线产生明显的影响,在一定含水量条件下,随温度升高,土壤水基质势增加,而在同一基质势下土壤持水量随温度升高而降低,土壤水基质势温度系数(cm/℃)随土壤质地加重而增大,随含水量的增加而降低,并且与土壤水分变化特征(脱水或吸水)有关,脱水过程基质势温度系数大于吸水过程,低温段(5℃～20℃)大于高温段(20℃～50℃);土壤渗透系数随温度升高明显增大,且随质地加重,其温度效应增强;温度明显地影响土壤水的蒸发性能,随温度升高,土壤蒸发强度增大,蒸发第一阶段时间缩短,土壤前期蒸发增大,后期减弱,温度升高,土壤水分再分布速率增加,土体持水量减小。     

生物质(秸秆)成型燃料冷却干燥特性研究

对不同含水率的玉米秸秆成型燃料在风速分别为0.3、0.5、0.7 m/s的条件下进行冷却干燥特性研究,发现其干燥特性曲线在前20 min干燥速度快,20 min后干燥速度降低;冷却特性曲线与干燥特性曲线相似,在前20 min温度下降速度快,20 min以后下降速度明显降低,两者都为指数规律下降.玉米秸秆成型时含水率越高,成型后温度越低,干燥速度越慢.风速越高,冷却干燥速度越快;在成型干燥前期,风速对冷却干燥速度影响较大,在冷却干燥后期,其影响较小.     

沟灌方式下枣树林地土壤水分的运移特征

以盛果期枣树为研究对象,利用EM50土壤温湿度测定仪监测沟灌条件下林地土壤水分的变化,分析60m3/亩、100m3/庙、140m3/庙灌溉量下土壤水分运移规律,确定土壤水分的入渗速率、土壤湿润区间、灌溉周期,为枣树的精准灌溉提供科学依据.结果表明:(1)在60m3/庙、100m3/亩、140m3/亩灌水量下土壤水分下渗的湿润区间分别为-100cm、-120cm和-160cm;水平侧渗的湿润区间分别为80cm、1 00em和140cm.(2)灌溉过程中林地土壤水分的平均运移速率为24.78cm/min.(3)土壤水分湿润区间和灌水量和灌溉时间三者间存在的线性函数关系式为Y=-0.115X1+0.11 9X2+34.645.(4)灌水量每增加40m3/亩,相应的灌水周期将延长4-6d.     

纵向通风对正方形酒精池火燃烧速率影响的实验研究

在低湍流风洞实验研究了0～3.95m/s的纵向通风对边长为4cm至9cm的正方形酒精池火燃烧速率的影响,并在实验数据的基础上分析了通风影响酒精池火燃烧速率的机理.实验表明,零风速时酒精池火单位面积燃烧速率基本一致;随着风速的增大,各油池燃烧速率呈单调递增趋势.通风使得酒精油池接收到的热反馈增强是燃烧速率加快的主要原因,其影响远大于对流强制蒸发的作用,且通风影响酒精燃烧速率的趋势主要决定于油池接收的总热反馈量.随着风速的增加,相较于油盘下风侧壁面,燃料表面接收到的热反馈对燃烧速率的影响逐渐占主导.