高速列车通过隧道时关键空气动力学系数确定方法研究

发布时间：2022-10-11 10:58

　　随着我国高速铁路事业的蓬勃发展,山区高速铁路速度等级高,隧道密集,长大隧道特别是特长隧道数量多,气动效应更加显著,对高速列车安全、舒适和节能提出了更高的要求。由于一维流动模型无需使用大量高性能计算资源,且兼具高效和准确的特点,因此在多参数多工况的比较性研究和长大隧道特别是特长隧道空气流动研究中更有优势。但是,在一维流动模型中,需要计算输入列车表面摩擦系数、车头车尾压力损失系数和隧道表面摩擦系数等空气动力学系数。此外,国家目前还在发展时速400公里高速列车和时速600公里磁浮交通系统,这些都在要求完善高速轨道交通隧道空气流动的一维流动模型数值仿真理论。因此,研究隧道内高速列车关键空气动力学系数的确定方法具有重要的学术意义和工程应用价值。本文的主要研究工作如下:（1）系统总结了从上世纪50年代到现在的国内外,尤其是国外的隧道空气动力学一维流动模型方面的研究成果,对每个模型的控制方程、边界条件和适用范围的共性和差异进行了总结。（2）较为系统地分析了三维数值模拟仿真计算在求解隧道压力波和空气阻力方面的控制方程、湍流模型、重叠网格设计计算方法、计算区域、边界条件和网格设计等方面的特点,比较了三维... 

【文章页数】：120 页

【学位级别】：硕士

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摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景
        1.1.1 国内高速铁路发展概况及特点
        1.1.2 国外高速铁路发展概况及特点
        1.1.3 国内外高速列车发展概况及特点
    1.2 高速铁路隧道空气动力学问题
    1.3 高速列车隧道压力波国内外研究现状
        1.3.1 实车试验
        1.3.2 动模型试验
        1.3.3 数值模拟计算
    1.4 高速列车单列车通过隧道空气阻力国内外研究现状
        1.4.1 早期理论分析方法
        1.4.2 实车试验方法
        1.4.3 模型试验
        1.4.4 三维流动模型数值模拟
    1.5 存在的主要问题
    1.6 本文的主要研究内容
2 隧道内空气流动分析理论及基本特征
    2.1 单列车通过隧道空气流动基本特征
    2.2 单列车通过隧道时压力波研究
        2.2.1 单列车通过隧道时压力波现象
        2.2.2 单列车通过隧道时压力波影响因素
        2.2.3 隧道压力波的一维特征
        2.2.4 隧道内压力波动特征
        2.2.5 隧道压力波研究方法概述
    2.3 隧道压力波三维数值模拟仿真计算方法
        2.3.1 流动控制方程
        2.3.2 湍流模型
        2.3.3 重叠网格计算方法
        2.3.4 计算区域、边界条件和网格设计
        2.3.5 三维数值模拟方法仿真计算方法的局限性
    2.4 隧道空气动力学一维流动模型及基本特征
        2.4.1 定密度有限声速非定常流动模型
        2.4.2 不可压缩准定常流动模型
        2.4.3 考虑摩擦的可压缩非定常等熵流动模型
        2.4.4 国内可压缩非定常不等熵流动模型
        2.4.5 不同模型边界条件的比较
    2.5 隧道压力波解析计算方法
        2.5.1 法国SNCF方法
        2.5.2 奥地利学者H.Sockel的方法
        2.5.3 关键公式推导过程
    2.6 本章小结
3 可压缩流动模型下空气动力学关键系数确定方法
    3.1 不可压缩流动模型下空气动力学关键系数确定方法
        3.1.1 隧道表面摩擦系数
        3.1.2 列车车头压力损失系数
        3.1.3 列车表面摩擦系数
    3.2 可压缩流动模型下空气动力学关键系数确定方法
        3.2.1 高速列车隧道空气流动可压缩性讨论
        3.2.2 隧道表面摩擦系数
        3.2.3 车头车尾压力损失系数
        3.2.4 列车表面摩擦系数
    3.3 方法验证
        3.3.1 与CRH380AL过隧道地面测点数据进行验证
        3.3.2 与380AL车身静压试验数据验证
        3.3.3 与CRH2 过隧道地面测点数据进行验证
        3.3.4 利用一维数值模拟方法与CR400AF三维数值模拟验证
        3.3.5 利用欧标解析方法与CR400AF三维数值模拟验证
        3.3.6 与日本时速500 公里动模型试验结果验证
    3.4 本章小结
4 关键系数在高速列车隧道空气阻力计算中的应用
    4.1 列车隧道空气阻力一维可压缩流动模型计算方法
    4.2 欧洲标准BSEN14067-5中高速列车空气动力学解析求解方法
        4.2.1 欧标解析方法介绍
        4.2.2 方法二模型假设和公式推导
    4.3 计算结果验证
        4.3.1 利用一维特征线数值模拟程序进行验证
        4.3.2 利用欧标方法二进行验证
    4.4 单列车通过隧道时隧道空气阻力和压力波的关系
    4.5 本章小结
5 结论与展望
    5.1 论文工作和主要结论
    5.2 本文创新点
    5.3 研究展望
致谢
参考文献
攻读学位期间的研究成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]货运动车组装载门凹陷对隧道压力波的影响[J]. 段修平,王慕之,刘斌,梅元贵.  应用力学学报. 2018(06)
[2]高速列车隧道交会最不利长度实车试验研究[J]. 林洋,何德华,白夜,张超.  铁道机车车辆. 2017(06)
[3]线间距和阻塞比对动车组空气动力学性能影响的分析[J]. 王宏谋,陈厚嫦,朱俊廷,方兴.  铁道机车车辆. 2017(05)
[4]赣龙线高速铁路综合试验技术[J]. 白鑫,林维,熊小慧.  铁道建筑. 2017(06)
[5]重叠网格法应用于模拟高速列车隧道气动效应[J]. 王慕之,梅元贵,贾永兴.  应用力学学报. 2017(03)
[6]中国高速铁路隧道的发展及规划[J]. 赵勇,田四明,孙毅.  隧道建设. 2017(01)
[7]高速列车气动效应研究[J]. 杨国伟,赵桂林,郭迪龙,蒋崇文,梅元贵.  科技资讯. 2016(29)
[8]高速列车车内空气压力舒适度标准的研究[J]. 何德华.  铁道机车车辆. 2016(03)
[9]Aerodynamic design on high-speed trains[J]. San-San Ding,Qiang Li,Ai-Qin Tian,Jian Du,Jia-Li Liu.  Acta Mechanica Sinica. 2016(02)
[10]高速铁路隧道进口波特性数值模拟研究[J]. 王瑞丽,梅元贵,许建林,周朝晖,贾永兴.  现代隧道技术. 2016(02)

博士论文
[1]长大隧道、隧道群空气动力效应算法研究及应用[D]. 周丹.中南大学 2007
[2]高速列车进入隧道产生压缩波的数值模拟及试验研究[D]. 骆建军.西南交通大学 2003

硕士论文
[1]线间距对高速列车通过隧道时的气动特性影响研究[D]. 段修平.兰州交通大学 2018
[2]高速铁路隧道洞口缓冲结构数值模拟及模型试验研究[D]. 刘善华.西南交通大学 2013
[3]京沪高铁隧道洞门对隧道空气动力效应影响的研究[D]. 张雷.中南大学 2010
[4]竖井对高速铁路双线隧道空气动力效应影响研究[D]. 周卫兵.中南大学 2009



本文编号：3690451