线间距对高速列车通过隧道时的气动特性影响研究

发布时间：2020-05-15 16:17

【摘要】：我国是个多山的国家,山区的高速铁路建设规模宏大,设计或预留速度高,长大及特长隧道数量多。在高速列车不断提速的过程中,评价和减缓列车隧道气动效应已成为发展高速铁路的关键技术之一。研究高速列车隧道压力波及气动力,对于列车最高运行速度、运营能耗、隧道通过能力及稳定性等问题有着重要的意义。本文采用三维、非定常、可压缩流动的雷诺平均N-S方程和SST k-ω两方程湍流流动模型,壁面处理方法选用高y+处理,通过STAR-CCM+中的重叠网格法(overset)模拟列车与隧道、列车与列车之间的相对运动,分别通过隧道压力波实车试验和风洞试验的验证,得到了正确模拟列车外部流动合理经济的网格划分方法,验证了基于CFD软件选择的湍流模型、网格划分和三维计算方法的可靠性。本文以净空面积100m~2的高速铁路隧道与CR400BF型动车组为研究对象,研究了250km/h、350km/h、400km/h三种速度,4.6m、4.8m、5.0m三种线间距对高速列车交会隧道压力波及“头波”压力的影响,还对速度、线间距与交会气动力的关系进行了分析。主要形成了以下结论:(1)在列车交会过程中,列车车身(车厢及风挡)交会侧位置最大压力峰峰值以及“头波”压力幅值均随着线间距的减小而增大。(2)在350km/h时,各车厢中头车交会侧最大压力峰峰值最大。线间距4.8m时的头车最大压力峰峰比线间距5.0m增大3.27%,线间距4.6m时的最大压力峰峰值比线间距4.8m增大4.06%。(3)在350km/h时,各车厢的“头波”幅值相近,线间距4.8m时的“头波”幅值比线间距5.0m大6.81%左右,线间距4.6m时的“头波”幅值比线间距4.8m大8.12%左右。(4)同一速度下,线间距越小,阻力的最大值和最小值均逐渐增大,头头交会时列车受到的负侧向力(排斥力)峰值越大,头尾交会时列车受到的正侧向力(吸引力)峰值越大。整个交会过程,列车始终受到下压力,同一速度下,线间距越小,头头交会时列车受到下压力峰值越小,头尾交会时列车受到下压力峰值越大。(5)列车交会过程中,车身交会侧最大压力峰峰值以及“头波”幅值均随着速度增大而增大,且速度对压力值的影响要大于线间距的影响。(6)对不同速度、不同线间距下列车“头波”幅值、交会气动力最值均进行了公式拟合,公式表明列车“头波”幅值、交会气动力最值与速度的平方成正比,与线间距成指数关系。
【图文】：

许多空气动力学方面的问题，尤其列车高速通过隧道时产生的气动效应会对旅客压力适性、列车运行安全性以及隧道口环境等带来影响。高速列车驶入隧道时，车头前方形成的入口压缩波会在隧道出口端产生微气压波，来“音爆”现象，对隧道口附近房屋门窗造成破坏，噪声还会对周围环境造成一定影。高速列车通过隧道时产生的隧道压力波动通过车体传到车内，会造成司乘人员及旅耳鸣、耳膜疼痛等问题，恶化乘坐的压力舒适性；剧烈的压力波动还会造成车体门窗碎的现象，车内外的交变压力也会造成车体及零部件的疲劳破坏。高速列车通过隧道过程中，气动阻力会明显增大，从而使列车运行速度降低，列车行能耗也大幅增加。研究表明：明线稳态运行时，列车速度在 200km/h 以上时，列车动阻力约占总阻力的 70%左右；当列车速度达到 300km/h 以上时，气动阻力约占总阻的 85%以上。列车运行速度越高，列车气动阻力占列车总阻力越大[1-2]。减少气动阻是降低高速列车的能耗、提高高速铁路经济性的关键[3]。此外，高速列车通过隧道时，，其隧道内交会时会引起列车横向摆动以及垂直受力不仅会恶化旅客乘坐舒适性，还会列车运行安全性带来挑战。

图 1.2 中南大学动模型实验装置[42]表 1.4 动模型试验系统比较[43]国家 试验线长度[m] 列车缩比 最高速度[km/h]中国 164 1:16~1:20 350英国 132 1:25 200国内学者梅元贵[44-45]等使用一维可压缩不等熵非定常流动模型和广义黎曼特征线法数值模拟的方法对隧道内交会压力波进行了研究。李人宪[46-47]等利用三维数值方法模拟单车通过隧道和隧道内两车交会工况，对列车通过隧道时的压力波动及隧道内交会时的压力波叠加关系式进行了研究，得出了压力峰值在不同车速的情况下可能出现的位置。赵晶[48]通过三维数值仿真的方法模拟了高速列车通过隧道的全过程，对隧道压力波及列车所受气动作用力进行了研究。中国科学院大学力学研究所孙振旭、郭迪龙[49]等通过数值计算分析了地面效应对列车气动阻力、侧向力、升力的影响规律。荆江[50]等对 CRH3型车以及在横风效应下的受电弓气动性能进行了评估。姚栓宝[51]利用三维数值模拟的方法，研究了 CRH3 型真实动车组（包括受电弓和转向架）明线稳定运行时的列车整车气
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U270.1;U451

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本文编号：2665307