高速铁路隧道内气室参数对列车表面气动效应的影响

应用三维、可压缩、非定常Navier−Stokes方程和有限体积法,以单线隧道人行通道下方布置单个气室为例,分析隧道内气室参数对列车表面气动压力和横向力的影响。研究结果表明:隧道中加设气室后列车表面压力峰值增大,且当气室位于隧道前部、气室纵向长度较长、气室入口面积较大时,列车表面压力峰值增大更明显;当隧道长156 m、气室位于隧道前部、气室长度L为50 m、气室入口面积A为1.2 m^(2)、车速为400 km/h时,列车表面瞬变压力的正负峰值分别比无气室时的正负峰值大0.2 kPa和0.18 kPa;列车所受横向力在车头经过气室入口时产生波动,且波动时间随着气室长度的增大而延长,气室入口面积增大使横向力波动更为剧烈;安装气室后,列车所受横向力峰值通常低于其自身重力的1%,因此,列车发生倾覆概率较低。

高速铁路不同高度金属屏障气动效应及维护策略

结合某高速铁路金属屏障的设置特点与日常检查维护情况,以1.72 m与2.15 m高金属屏障为研究对象,采用气动仿真与现场试验等研究方法开展气动效应对比分析。结果表明:列车脉动风压呈现立柱基础区域大、靠近立柱顶部小的特征;相同速度条件下,1.72 m与2.15 m高金属屏障列车脉动力相差小于10%,钢立柱动位移相差约2倍,单元板动位移相差约40%,立柱抵抗横向力的能力与结构高度相关度高;受气动荷载变化影响,同速度等级下结构振动响应波动幅度可达到50%;金属屏障的振动响应可反映结构动力性能的差异,不同跨金属屏障单元板动位移相差可达到1倍,建议后续金属屏障检查维护中关注结构动力性能的变化。

高速铁路气动效应对轨旁监测设备安全的影响研究

自动化监测是邻近高铁工程施工期间保障高铁运营安全的重要手段,但轨旁监测设备会对高铁运营安全造成一定影响。针对高速铁路气动效应对轨旁监测设备安全影响问题,采用《高速铁路设计规范》中气动力计算方法和《混凝土结构后锚固技术规程》中锚固连接内力计算、承载能力极限状态计算的方法,计算分析在路基段列车以350 km/h速度运行情况下,气动效应对距离线路中心线3.5 m的全站仪、保护箱及监测棱镜的影响。计算结果表明,在高铁气动效应影响下,全站仪、保护箱及监测棱镜的锚固螺栓承受的拉力、剪力均小于螺栓钢材破坏受拉、受剪承载力设计值,其锚固基础混凝土所承受的拉力均小于混凝土破坏受拉承载力设计值,满足规范要求。

横风下高速列车在隧道洞口交会非定常气动效应

针对横风下高速列车在洞口交会时的非定常气动问题,考虑流场的三维、可压缩、湍流特性,建立隧道-列车三维空气动力学模型,利用滑移网格技术模拟列车交会过程,采用SSTκ-ω湍流模型对列车交会全过程进行求解,研究横风对隧道内瞬变压力、列车风及流场分布特性的影响规律.研究结果表明:横风下列车交会时,洞口处气动压力系数变化幅值显著增大,交会完成时,列车之间压力系数峰-峰值较无横风情形增大30.6%;列车交会开始和完成时气动压力均发生突变,隧道中部附近气动压力峰值最大;横风下列车交会气动压力大小与空间位置有关,交会时列车间气动压力变化幅值分别是列车迎、背风侧压力变化幅值的2.2和1.5倍;横风对洞口附近列车风影响显著,横风时迎风侧列车风峰值最大,无横风时背风侧列车风峰值最大,且前者是后者的2.04倍;隧道内气动效应受横风影响范围有限,当横风为30 m/s、车速为350 km/h时,隧道内气动效应受影响范围为120 m;横风下交会开始与完成时,流场分布急剧变化,导致气动压力与列车风发生突变.

横通道对高速磁浮列车的车隧耦合气动效应影响

高速磁浮列车通过隧道时会对车辆、隧道和环境等产生恶劣的空气动力学效应。通过数值模拟研究横通道断面大小、横通道位置和长度对600 km/h高速磁浮列车的车隧耦合气动效应的影响,并通过动模型试验验证了数值模拟方法的可靠性。研究结果表明:当圆拱形横通道宽度由3.8 m减至2.9 m时,列车表面测点压力波幅值增加8.8%,隧道测点压力波幅值几乎无变化,距离隧道出口20 m远处微气压波峰值增加5.4%;横通道位于隧道中间时,列车表面测点压力波幅值最小,横通道位置对隧道壁面压力波幅值无影响,对微气压波影响也较小;当横通道长度由30 m增至50 m时,列车表面测点压力波幅值增加11.8%,横通道长度对隧道壁面压力波幅值和微气压波影响不大。

我国高速铁路声屏障气动效应研究与探索

针对高速铁路声屏障的安全可靠性,从气动效应角度阐述其研究现状、研究成果及存在的挑战,并基于我国高速铁路声屏障应用场景,探讨列车脉动力的主要影响因素和声屏障结构的振动特性,结合技术标准中与气动效应相关的要求和规定,提出完善标准体系的相关建议,并对未来的重点研究方向进行展望。结果表明:列车脉动力受列车运行速度、列车车型及声屏障设置位置等因素的共同影响,列车脉动力与运行速度的平方基本服从线性关系;声屏障气动效应还与车头流线型、车体截面形状等列车气动性能参数相关,相同速度条件下不同车型的脉动力差异可达45%;在列车脉动力作用下,声屏障钢立柱以横向振动为主,呈现典型受弯构件的特征,而单元板以整体往复横向运动为主,振幅受安装状态的影响显著,声屏障动力性能评估重点为结构的低频振动;未来可结合声屏障结构振动特征和服役性能变化情况,深化声屏障气动荷载产生机理和动力分析方法的研究,探索声屏障服役性能演变机理和规律,完善声屏障结构安全性能检测评估体系,发展快速高效检测技术。

高速铁路隧道气动效应现场测试分析

通过现场测试高速铁路列车引起的隧道气动效应,分析列车速度、列车编组、隧道长度等因素对气动荷载、振动加速度和微气压波的影响。结果表明:列车通过隧道时,隧道壁面及附属设施表面气动荷载峰值与列车速度近似呈2次方关系;8编组列车通过较短隧道时气动荷载峰值大于通过较长隧道时,16编组列车则相反;控制箱左右两侧气动荷载峰值相差较小,顶底部气动荷载峰值相差明显;在隧道防护门中部气动荷载峰值大于上部和下部,上部和下部气动荷载峰值接近;隧道壁面无显著振动,隧道附属设施表面振动明显;在距隧道入口200 m处压力梯度峰值与列车速度呈3次方关系,列车运行速度超过一定值后,出口附近压力梯度峰值高于入口附近;隧道出口20 m处微气压波峰值与列车速度近似呈6次方关系。

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。

市域列车与隧道耦合气动效应数值模拟分析

为研究市域列车通过隧道的气动载荷变化规律,利用三维、瞬态可压缩的标准k-ε湍流模型计算了4节编组市域列车通过3种不同断面隧道时的气动效应,并分析了车体表面、隧道壁面及紧急疏散平台的压力时程变化。结果表明:(1)隧道A情况下的列车表面压力峰值为2 600 Pa,隧道壁面压力峰峰值为4 100 Pa;隧道B情况下的列车表面压力峰峰值为2 000 Pa,隧道壁面压力峰峰值为3 300 Pa;隧道C情况下的列车表面压力峰峰值为3 700 Pa,隧道壁面压力峰峰值为5 500 Pa;3种不同断面各隧道条件下,紧急疏散平台处压力变化规律与隧道壁面压力变化规律基本一致。由此可见,隧道阻塞比越大,隧道内压力波变化越剧烈。(2)隧道A测点x(线路纵向)方向气流速度变化峰值为17 m/s,隧道B测点x方向气流速度变化峰值为32 m/s,隧道C内疏散平台测点x方向上的气流速度变化幅值最大,约为40 m/s,隧道A、B、C内疏散平台测点在y(线路横向)和z(线路竖向)方向上的速度变化不大。

高速列车车体高度对列车通过隧道气动效应影响研究

列车车体高度是影响车辆轻量化及气动效应的重要指标,随着列车速度的增加,列车高度对气动效应的影响变得更加明显,建立了车体高度分别3.95 m和4.05 m的三车编组高速列车气动效应分析模型,分析列车表面压力、隧道壁面压力波动、隧道出口微压波和气动阻力.计算结果表明,车体高度由4.05 m减小至3.95 m时,车体表面测点的最大负压幅值最大减小5.21%,车体表面测点压力的峰值最大减小5.82%;隧道壁面测点压力峰值减小1.99%~10.42%左右,减小量最大值也出现在P13处,其余测点最大负压减小量均在5%以下;出口不同处微气压波幅值减小约2.03~3.63%;列车隧道内最大气动阻力减小2.17%.

等离子体气动效应对燃烧室流场的影响

为了研究等离子体气动效应的内在机理,建立燃烧室助燃激励器中等离子体气动效应的数值仿真模型,通过求解电势方程和电荷密度方程,得到等离子体气动效应的体积力分布函数,将动量以源项的形式引入Navier-Stokes方程求解,对助燃激励器中等离子体气动效应诱导燃烧室空气流动进行了数值模拟,研究激励电压、气体流量和电荷密度对燃烧室中等离子体气动效应效果的影响。计算结果表明:在等离子体气动效应的作用下,燃烧室流场紊流度增大,速度分布不均匀;随着激励电压的升高,燃烧室轴向速度振荡幅度增大;等离子体气动效应对燃烧室流场的影响随着进口流速的增加不断减小;随着电荷密度的增加,火焰稳定器前后燃烧室流场轴向速度的振荡不断加剧。

时速350km高速铁路隧道气动效应基本规律试验研究

在高速铁路武汉至乐昌段和郑州西至三门峡南段,进行CRH2C和CRH380A型动车组以250~350km·h-1速度通过长度为287~1 0081m、隧道内有效净空面积为100m2的隧道和在2 728m长的九子仙隧道内交会的现场试验,研究时速350km高速铁路隧道气动效应的基本规律以及隧道气动效应对动车组动力学行为、车体结构强度和人耳舒适性的影响。研究表明:动车组以350km·h-1及以下速度通过隧道和在隧道内交会的过程中,最大轮轴横向力为41.28kN,最大脱轨系数为0.70,最大轮重减载率为单峰值0.79,最大车内外压差为3 224Pa,车内空气压力3s最大变化值为1 064Pa,均在动车组运行安全性、车体强度及人耳舒适性指标的允许范围内;车内外空气压力基本随列车速度的提高而增加;相同速度条件下,在隧道长度小于3 000m时,车内外压力变化最大值总体上均随隧道长度的增加而增加;动车组的头型和密封的优化能够改善动车组通过隧道和在隧道内交会时的空气动力学性能。

高速列车过双线隧道气动效应及列车风特性

为加深对隧道内气动效应和列车风特性的认识,采用RNGκ⁃ε湍流模型模拟高速列车偏心通过隧道全过程,应用滑移网格技术模拟列车高速运动,对列车通过时隧道内的气动效应及列车风进行研究。通过将数值计算结果与现场试验结果进行对比,验证了数值方法的准确性。研究表明:隧道入口处气动压力变化规律与隧道内有很大差别;列车两侧对称测点的最大正压值及峰-峰压力变化幅值分别相差13.1%和7.3%,近隧道侧列车风纵向速度分量与合速度最大值分别为远隧道侧的2.1倍和1.9倍,列车偏心通过对列车周围气动压力影响不大,而对列车风影响非常显著;列车表面边界层对列车风纵向分量影响显著,对横向速度分量和垂向速度分量几乎无影响;隧道内列车后方产生交替出现的复杂尾涡结构,与明线时差别很大;隧道内列车风风速衰减较慢,持续时间更久。

高速列车通过带有套衬结构隧道气动效应分析

采用三维、可压缩、非定常N-S方程的数值计算方法,对8辆编组的高速列车以300 km/h速度通过带有套衬结构隧道时车体表面及隧道壁面的瞬变压力进行分析。研究结果表明:数值计算结果与动模型实验结果较吻合,2种方法得到的压力曲线变化规律一致,幅值误差在5%以内;列车通过隧道时,车体头、尾处测点压力差别较大,中部测点压力差异较小;沿列车车身方向,测点正压幅值逐渐减小,负压幅值逐渐增大;隧道壁面测点压力峰峰值在隧道进、出口附近较小,而在靠近隧道中部时较大;隧道内安装套衬对于高速铁路双线隧道气动效应影响很小,加装套衬前后,测点压力幅值差异在2%以内。因此,建议在对高速铁路隧道病害整治中,考虑使用套衬技术。

高速铁路隧道气动效应研究存在的问题及展望

论述近年来我国高速铁路隧道气动效应的研究历程,对研究中存在的问题进行初步探讨,包括隧道内乘车舒适度标准、洞口微气压波控制标准、隧道净空断面积设计标准、隧道微气压波减缓措施等,并从设计角度对我国高速铁路隧道气动效应研究的发展趋势提出了展望。

动车组横风环境下的交会气动效应

采用三维、可压缩、非定常N-S方程的数值计算方法,对8辆编组的动车组在20 m/s横风下以250 km/h速度交会时列车表面瞬变压力和车体所受气动力及力矩进行分析,并采用间接验证方法,将风洞实验、动模型实验得到的结果分别与数值模拟结果进行对比。研究结果表明:间接验证方法下所得气动效应实验结果和数值模拟结果变化规律一致,压力幅值相对误差在5%以内;动车组横风下交会时,车体头、尾处测点压力差别较大,中部位于同侧测点压力差异较小,同一高度、不同纵向测点的压力变化波形及幅值基本一致,车体顶部测点压力始终为负;对于车体所受横向气动力及倾覆力矩,头车比中间车和尾车的大,背风车比迎风车的大;随着横风风速的增加,列车所受横向气动力及倾覆力矩峰值也迅速增加,严重威胁着动车组的安全运行。

某特长水下隧道气动效应试验研究

采用CRH2-061C动车组,以180～320km.h-1速度往返运行,对某特长水下隧道下行线进行气动效应试验研究。研究结果表明:隧道内瞬变压力、列车风、气动载荷和隧道洞口微气压波值均随着车速的增加而增加,车厢内舒适度随着车速的增加而减少;隧道南口的微气压波值、首波压力梯度均小于北口,这主要是由于南、北口的缓冲结构型式存在差异;隧道内附属设施受到的气动荷载、车内气压3s变化值均在相关标准的要求值之内;车速大于250km.h-1时,乘员有耳鸣和不舒适感。根据研究结果提出如下建议:CRH2-061C动车组通过该隧道的合理速度为260km.h-1;开启隧道内联络通道或布置吸能材料以衰减压力波的传播能量;研究制订复合型舒适度控制标准。

尖晶石整流罩气动效应的试验研究

超音速导引头整流罩的气动光学效应对红外光电成像系统的跟踪、识别产生很大的影响。结合工程实际,主要开展了在6 km高空、飞行速度达到2.4 Ma的尖晶石整流罩的气动力学、气动光学效应的研究。首先,对设计的尖晶石整流罩进行了流场气动效应的仿真计算分析,并采用电弧风洞模拟试验进行了研究。接着根据试验结果,设计了尖晶石的热冲击试验,通过在尖晶石外表面镀制金刚石保护膜,实现了整流罩的消热设计。采用静态保温加热试验,研究了整流罩的气动加热对导引头跟踪成像的影响。最后,采用火箭橇模拟试验,研究了约2 Ma音速飞行的导引头的跟踪成像。初步分析了气动效应对尖晶石整流罩物理性能以及中波红外成像的影响。

高速铁路长隧道内缓冲结构的气动效应分析

为了降低高速列车通过时长隧道内及隧道出口外的气动效应,在受到地形影响无法在长隧道入口外修建缓冲结构时,应在长隧道洞内设置缓冲结构。采用κ-ε双方程湍流模型对高速列车通过隧道时在列车与隧道之间产生的气流场进行建模,对气流场采用有限体积法进行离散,对模型采用SIMPLE算法求解,对采用变断面喇叭形式(A型)、常断面形式(B型)和新型回转形式(C型)3种洞内缓冲结构形式的长隧道洞内外的气动效应进行模拟分析。结果表明:B型缓冲结构较其他2种缓冲结构能够显著降低长隧道洞内外的气动效应,再结合其施工容易等因素,建议选用B型缓冲结构;B型缓冲结构的环向深度宜控制在约1m,最大不应超过1.5m,其长度应控制在1列列车的长度(203m);在具体工程设计时,应根据具体情况选择在长隧道内设置1个或2个缓冲结构,并尽可能将其中的1个缓冲结构设置在隧道内入口段。

时速350 km高速铁路半地下车站气动效应影响研究

为评估越站列车高速(350 km/h)通过半地下车站时气动效应对车站内、外环境的影响,为车站及连接隧道的设计提供参考。利用重叠网格技术建立高速铁路半地下车站气动效应计算模型,分析单车上行、单车下行、全地下段会车、半地下段会车等工况下站台区域的空气压力及风速、站外微气压波变化规律。结果表明:1)全地下段比半地下段的压力波动剧烈;2)单车上行工况,全地下段站台区域压力波动最剧烈,其压力波动峰值、瞬变压力峰值均最大,但均小于评价标准;3)全地下段会车工况,站台区域的风速最大,最大风速未超过5.0 m/s;4)上行列车通过时,在全地下段和半地下段交界处附近产生微气压波,50 m范围内有建筑物时需考虑微气压波的影响。