高速铁路隧道内置开孔隔墙的压力波数值模拟研究

发布时间：2017-03-25 20:00

  本文关键词：高速铁路隧道内置开孔隔墙的压力波数值模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：高速铁路是当今世界铁路发展的潮流,也是体现一个国家科技综合发展水平的重要标志之一。随着高速列车运行速度不断提高,高速列车隧道空气动力学问题越来越严重,列车在隧道内高速运行引起的隧道内空气压力波动及隧道出口微气压波对列车运行安全性、经济性、旅客舒适性及隧道周围环境均有严重不良影响。隧道空气动力学问题是高速铁路隧道设计中必须解决的关键技术问题,同时也是既有线隧道能否适应列车提速需要必须考虑的重要问题。我国正大力发展高速客运专线,在建及拟建的高速铁路隧道数量多,长大隧道所占比重大,隧道内行车速度目标值高,因此需要对高速列车通过时引起的隧道压力波的机理和减缓措施进行深入研究。复线隧道内设置开孔隔墙对隧道压力波产生不可忽视的影响,本文通过三维数值模拟方法,以真实的CRH2G列车几何模型为对象,采用三维、非定常、可压缩、粘性流的雷诺平均纳维——斯托克斯方程及k-Omega SST湍流模型,应用重叠网格技术对高速列车通过内置开孔隔墙隧道压力波问题进行比较全面的数值模拟研究,主要研究内容包括:1、对列车通过简单隧道时的流场和通过内置开孔隔墙隧道时的流场以及隔墙开孔处的流场进行分析,并对不同车速通过简单隧道和内置开孔隔墙隧道的隧道内压力波、车身压力波进行对比。2、对隧道内有、无隔墙,有、无开孔隔墙,隔墙有、无开孔的隧道内压力、车身表面的压力进行对比研究,发现隧道内置开孔隔墙对单车压力波没有加剧作用,可以改善隧道的力学结构,又可以提供逃生和救援通道。3、对开孔隔墙进行不同参数的对比研究,得出从隧道力学结构、救援和逃生等因素综合考虑下的合理的开孔面积和开孔间距。本文采用三维数值模拟方法对高速铁路内置开孔隔墙隧道压力波的系统研究,在国内外尚属首次。本文的研究成果对我国高速铁路隧道的结构设计、复线隧道隔墙开孔参数优化提供了重要的空气动力学依据,对高速铁路隧道空气动力学的进一步发展和隧道建设有切实的理论意义和实用价值。
【关键词】：高速列车 隧道压力波 开孔隔墙 数值模拟方法
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U451.3
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1. 绪论10-25
• 1.1 国外高速铁路发展概况10-14
• 1.1.1 日本10-11
• 1.1.2 法国11-12
• 1.1.3 德国12-13
• 1.1.4 西班牙13-14
• 1.1.5 中国台湾地区高速铁路发展14
• 1.1.6 其他国家与地区高速铁路发展14
• 1.2 我国高速铁路发展及隧道分布14-16
• 1.3 列车空气动力学问题16-17
• 1.4 列车空气动力学问题研究方法17-19
• 1.5 隧道结构概述19-20
• 1.6 隧道压力波研究现状20-23
• 1.6.1 隧道压力波研究现状20-22
• 1.6.2 隧道结构对压力波影响的研究22-23
• 1.7 本文研究内容及方法23-25
• 1.7.1 研究内容23-24
• 1.7.2 研究方法24-25
• 2. 基本理论和数值计算方法25-41
• 2.1 单车通过隧道诱发空气流动特征25-27
• 2.2 单车过隧道的数值模拟方法27-34
• 2.2.1 流动控制方程27
• 2.2.2 湍流的数值模拟方法27-29
• 2.2.3 湍流模型29-30
• 2.2.4 近壁面处理方法30-31
• 2.2.5 初始条件和边界条件31-33
• 2.2.6 SIMPLE算法33-34
• 2.3 STAR-CCM+软件介绍34
• 2.4 STAR-CCM+重叠网格方法34-37
• 2.5 重叠网格方法验证37-40
• 2.6 本章小结40-41
• 3. 列车通过简单隧道时的流场分析41-70
• 3.1 数学物理模型41-42
• 3.2 几何模型42-44
• 3.2.1 列车模型42
• 3.2.2 隧道模型42-43
• 3.2.3 计算区域模型43-44
• 3.3 网格划分44-46
• 3.4 数值计算模型验证46-47
• 3.5 隧道内流场变化47-62
• 3.5.1 压力场和速度场47-54
• 3.5.2 隧道内压力波54-58
• 3.5.3 列车表面压力波58-62
• 3.6 车速对隧道压力波影响62-68
• 3.6.1 隧道内压力波63-65
• 3.6.2 列车表面压力波65-68
• 3.7 小结68-70
• 4. 列车通过复杂隧道时的流场分析70-122
• 4.1 几何模型70-72
• 4.1.1 开孔隔墙模型71
• 4.1.2 计算区域模型71-72
• 4.2 网格划分72
• 4.3 测点布置72-73
• 4.4 隧道内有、无隔墙的压力波73-77
• 4.4.1 隧道内压力波73-75
• 4.4.2 列车表面压力波75-77
• 4.5 隧道内隔墙有、无开孔的压力波77-84
• 4.5.1 隧道内压力波77-80
• 4.5.2 列车表面压力波80-84
• 4.6 隧道内有无、开孔隔墙的压力波84-87
• 4.6.1 隧道内压力波84-85
• 4.6.2 列车表面压力波85-87
• 4.7 流场变化87-92
• 4.7.1 压力场和速度场87-89
• 4.7.2 隧道内压力波89-92
• 4.8 车速对压力波的影响92-97
• 4.8.1 隧道内压力波92-93
• 4.8.2 列车表面压力波93-97
• 4.9 开孔面积对压力波的影响97-110
• 4.9.1 隧道内压力波98-102
• 4.9.2 列车表面压力波102-110
• 4.10 开孔间距对压力波的影响110-120
• 4.10.1 隧道内压力波110-114
• 4.10.2 列车表面压力波114-120
• 4.11 小结120-122
• 结论与展望122-124
• 1.1 主要结论122-123
• 1.2 不足与展望123-124
• 致谢124-125
• 参考文献125-128
• 攻读学位期间的研究成果128

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