开孔型缓冲结构减缓高速磁浮列车隧道初始压缩波的特征研究.pdf
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1、第 卷第 期 年 月兰州交通大学学报 ,收稿日期:?学报网址:基金项目:中铁二院工程集团有限责任公司科技项目(科?)第一作者:钟登朝(),男,甘肃武威,硕士研究生,主要研究方向为轨道交通空气动力学与应用。?:通信作者:梅元贵(),男,河南荥阳,教授,博士生导师,主要研究方向为轨道交通空气动力学与应用。?:文章编号:():开孔型缓冲结构减缓高速磁浮列车隧道初始压缩波的特征研究钟登朝,李奎,胡啸,梅元贵(兰州交通大学甘肃省轨道交通力学应用工程实验室,兰州 ;中铁二院工程集团有限责任公司,成都 )摘要:以国内时速 磁浮列车进入隧道为研究对象,基于重叠网格法和有限体积法,采用三维可压缩非定常流动?方程
2、和?湍流模型,研究开孔型缓冲结构对初始压缩波的缓减作用。研究发现:在列车驶入隧道的过程中,刚进入隧道时压缩波呈现三维特征,在距离隧道洞口约 处压缩波由三维波变为一维平面波。通过对比分析距离隧道入口 处的压力与压力梯度,得到设置缓冲结构后初始压缩波最大峰值增加 ,压力梯度降低 。随着列车速度提高,初始压缩波的压力峰值增大,其最大压力近似与列车速度的 次方成正比,最大压力梯度近似与列车速度的 次方成正比。本文结果为今后进一步认识时速 等级的高速磁浮隧道缓冲结构效应和设计提供了可靠依据。关键词:时速 公里磁浮列车;隧道;微气压波;缓冲结构;初始压缩波;三维可压缩湍流模型中图分类号:文献标志码:?,(
3、,;,):,?:,?,?,?:;兰州交通大学学报第 卷 高速列车驶入隧道后产生初始压缩波,该初始压缩波以当地声速在隧道内传播,到达隧道出口时,一部分反射回隧道内,另一部分以脉冲波的形式辐射到隧道外形成微气压波?,引起洞外建筑窗户的剧烈震动,产生环境问题。针对高速列车过隧道产生的微气压波问题,国内外学者进行了大量的而研究。研究了列车速度、车头尺寸和车头长度以及隧道入口几何形状、入口出口数量和尺寸对压力波的影响,并利用声学模拟方法预测了不同类型隧道入口的模型隧道在列车运行过程中的压力?时间历程 。杨伟超对比研究了缓冲结构顶部开孔与侧面开孔的缓减效果,得出顶部开孔能更有效降低初始压缩波 。研究得出增
4、大隧道两端断面可有效降低隧道出口的压力梯度和微气压波 。研究了帽檐式斜切缓冲结构和缓冲结构开孔率对隧道初始压缩波的影响,研究表明开孔率为 时,初始压缩波压力梯度降低率可达 。以扩大断面开孔型缓冲结构为研究对象,研究了开孔的位置与大小对初始压缩的影响,得出初始压缩波两个波峰相等时,对初始压缩波的压力梯度降低效果最好 。王田天研究了斜切式缓冲结对微气压波的缓减效果,得出在 隧道上微气压波可降低 。范胜利 提出了带有排气管的扩大型新型缓冲结构,并在动车组时速 、隧道净空面积 的条件下进行了数值仿真研究。姚拴宝研究了线性喇叭型缓冲结构上下边界的长度、入口高度等设计参数对微气压波的影响规律 。陶伟明研究
5、了喇叭口型、扩大断面型、直线斜切式型和等截面开孔型缓冲结构对微气压波的减缓效果,得出喇叭口型和扩大断面型的降低效果较好 。张洁提出了一种具有空腔结构的新型隧道结构,使得压缩波在空腔内产生反射,实现抑制压缩波压力梯度上升的目的 。日本学者?地?用模型实验的方法研究了缓冲结构侧面开孔高度对初始压缩波的影响 。梅元贵 研究了磁浮列车速度对初始压缩波特性的影响。胡啸仅研究了在列车时速 一种速度下隧道开孔缓冲结构对初始压缩波最大压力梯度的减缓效果 。目前,国内外大多数学者都是以研究轮轨列车为主,且时速一般不超过 。日本学者有关高速磁浮隧道缓冲结构的气动效应研究仅限于时速 范围内。国内学者对时速 磁浮隧道
6、缓冲结构减缓效应的系统研究较少。本文基于 软件的三维可压缩非定常湍流流动的有限体积法和重叠网格法,研究时速 磁浮列车分别驶入设有等截面开孔型缓冲结构的隧道和无缓冲结构隧道产生的初始压缩波的压力和压力梯度的变化规律,为今后高速磁浮列车缓冲结构的优化研究提供可靠的依据。研究方法和计算模型本文采用 进行数值计算,模型计算采用的控制方程为三维可压缩非定常?方程,离散方法采用有限体积法,湍流模型选用?模型,壁面采用全 壁面处理 。计算区域设有三种边界条件:自由流边界、壁面边界、重叠网格边界。轨面、列车、隧道等为壁面边界,车体周围为重叠网格边界,其他为自由流边界,自由流边界的静态温度设置为 ,初始压力为
7、,模型采用一阶时间离散,时间步长为 。为了避免磁浮列车突然高速运动对初始压缩波的影响,列车在明线上从静止状态加速到运行速度后再进入隧道,光滑启动距离为 。计算模型和测点布置为了准确模拟高速磁浮列车进入隧道时列车周围和隧道内的流场特征,根据列车不同部位的几何特征采用不同尺寸的面网格,最大程度保持了列车原有的几何特征。磁浮列车模型如图 所示。磁浮列车车高 ,车体总长为 (),列车宽度为 (),头车和尾车车头长度 为 ()。隧道净空面积为 ,缓冲结构采用等截面开孔型,长 ,在前 的区间内开孔率从 均匀降低到 ,最大开孔率在缓冲结构入口位置,在后 的长度内开孔率保持在 不变。压力监控点在列车前进方向上
8、多断面等间距进行布置,为了准确反应开孔缓冲结构对初始压缩波的降低效果,不同断面对应测点的布置位置保持一致。如图 所示。网格模型和计算验证为了对比结果的准确性,有缓冲结构模型与无缓冲模型采用了相同一致原则,即模型中相同的结第 期钟登朝等:开孔型缓冲结构减缓高速磁浮列车隧道初始压缩波的特征研究构在划分网格时网格尺寸保持一致。?进口出口隧道缓冲结构运行方向?图 背景区域示意图 图 实体磁浮列车 图 磁浮列车模型?开孔率?开孔率?图 缓冲结构示意图 网格划分本次数值仿真模拟基于 区域进行的网格划分,在流动剧烈和几何尺寸复杂的部位均用加密块进行网格加密,如磁浮列车车头、车尾、轨道梁、缓冲结构等。且列车车
9、尾设置了三个加密块,网格尺寸以 倍的大小逐渐增加。其中,最小的网格尺寸为 。车体表面、隧道和缓冲结构壁面均采用棱柱层网格,隧道和缓冲结构拉 层棱柱层网格,近壁层棱柱层网格厚度为 ,总厚度为 。车体表面同样拉 层棱柱层网格,近壁层棱柱层网格厚度为 ,总厚度为 。为了计算模型时网格的良好耦合,在磁浮列车经过的区域设置加密块,网格尺寸为 。计算域总网格数为 万,其中重叠网格区域为 万。?图 测点布置示意图 图 体网格模型 计算方法验证由于本文作者目前还没有有关时速 磁浮列车通过隧道时压力波的实测或动模型试验数据。本文采用时速 日本轴对称动模型试验数据验证本文的计算方法的正确性和合理性 。本文数值模拟
10、几何尺寸与文献中动模型几何尺寸一致,采用 缩尺模型。为了精确的获得流场信息,本文采用两类网格。根据两种网格各自的优点,近壁面采用棱柱层网格,其他区域采用切割体网格。测点沿隧道长度方向等间距布置在不同断面上。选取距隧道入口端 处的隧道内壁上的压力监控点进行分析,图 表示的是监控点处的压力历程曲线与日本动模型实验获得的数据进行的对比。从数据对比结果可以看出,数值模拟的最大误兰州交通大学学报第 卷差仅为 ,说明本文采用的数值模拟方法可用来研究单列车进隧道时的压力波动情况。?本文数据文献数据图 监控点压力对比 计算结果分析 列车进入有缓冲结构洞口的隧道内压力的变化特征图 表示的是高速磁浮列车驶入过程中
11、缓冲结构内压力变化特征,将列车鼻尖到达隧道入口处定义为 。由图可得:在高速磁浮列车驶入前半个鼻长时缓冲结构内的压力已经开始上升,从磁浮列车到达缓冲结构洞口到驶入一个鼻长的过程中,缓冲结构内的压缩波压力逐渐接近饱和,在距离列车鼻尖一定距离后远近两侧的压力相等,呈现一维特性。?图 列车进入隧道缓冲结构压力变化特征 图 表示的是在有无缓冲结构的情况下磁浮列车驶入隧道时的压力云图对比。由图可得:在磁浮列车进入隧道的过程中压缩波依然存在三维到一维的转变过程。在列车鼻尖到达隧道入口时,设置缓冲结构时隧道内的压力幅值约为 ,无缓冲结构时约为 ,如图 ()所示。在 时,隧道内的压力幅值均达到饱和值,约为 。所
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