基于一维流动模型的高速列车隧道交会空气阻力数值模拟研究

应用一维可压缩非定常不等熵流动模型和广义黎曼变量特征线法,考虑列车交会诱发的空气压力和流速变化,提出高速列车隧道交会空气阻力的计算方法。研究中国标准动车组CR400AF隧道交会列车空气阻力变化规律,分析列车交会位置、隧道长度、阻塞比、列车运行速度和列车长度对列车空气阻力的影响。结果表明:在研究隧道内列车空气阻力和列车周围气流流动时必须考虑压缩波和膨胀波的传播方向,交会位置对平均列车空气阻力的影响较小;在隧道中央等速交会时,列车空气阻力随隧道长度、阻塞比和车速增大而增大,且这3者的影响程度依次增大;平均列车空气阻力与车速的2次方近似成正比,与阻塞比的0.67～0.75次方成正比,与隧道长度的0.01次方成正比;时速300～400km等级16辆编组高速列车的平均列车空气阻力约为8辆编组的1.65～1.70倍。

基于一维流动模型的高速列车隧道压力波特性

高速列车通过隧道过程中引起隧道内压力的剧烈波动,会诱发车内压力波动并可能引起车体疲劳破坏等问题。而研究此类问题的基础在于快速准确预测隧道压力波。基于一维可压缩非定常不等熵流动模型和广义黎曼变量特征线法,对单车通过隧道和两列车隧道内交会进行数值模拟。选取京沪高速铁路隧道为研究对象,通过全时间区域下隧道空间中的压力传播的过程图描述压力波的形成过程,给出隧道内交会压力波比单车通过隧道的压力波剧烈的原因,研究列车速度和阻塞比对车外最大压力值和最小压力值的影响特性。结果表明,高速列车通过京沪高铁典型长度隧道时,其车体表面承受的最大压力波动基本与车速的平方成正比,而其与阻塞比基本呈线性关系。

中心进气转静盘腔一维流动模型的改进

采用数值模拟方法,对动盘面边界层夹带流量进行分析,以改进转静盘腔一维流动模型的计算精度.结果表明:边界层速度分布的1/7幂律假设低估了自由盘边界层夹带流量,从而影响了一维流动模型对源区边界的计算精度;传统的关联式未能有效地归纳不同工况下转静盘腔内动盘面边界层夹带流量,从而影响了一维流动模型对核心区气体转速的计算.通过归纳数值模拟结果中的自由盘和转静盘腔内动盘面边界层夹带流量,对传统一维流动模型中源区边界及核心区气体转速的计算提出修正,并对修正后的一维流动模型进行实验验证,表明该修正明显改进了一维模型对腔内径向压差的计算精度.

一维RFI工艺流动模型的建立及数值模拟

在已知叠层结构预制件渗透率的基础上,根据树脂的流动特点,建立一维树脂膜熔渗(RFI)工艺的流动模型,通过数值模拟推导在不同纤维含量预制件中,树脂湿润高度、树脂湿润区域内树脂流动速度和压力分布规律,为设计制件结构尺寸,优化真空袋固化成型工艺参数提供了理论依据。

RTM一维单向流动模型的理论概况及研究

本文研究了牛顿流体在铺置纤维预制件的RTM平板模具中 ,一维单向恒流和恒压流动的渗流模型。通过求解析解 ,求出模型的各个可测量物理量之间的关系 ,对传统的解析方程进行了拓展和改进 ,提供了在不透明模具中测定渗透率的方法。即在恒流条件下 ,只需利用压力传感器和恒流泵的读数即可测定预制件的一维渗透率 ;或者在恒压条件下 ,利用数字流量计和压力表的读数测得一维渗透率。而这些解析解的关系式也可用于实验预估模具中的压力分布。

时速600公里磁浮隧道气动载荷特征初探

高速磁浮列车通过隧道时产生剧烈的压力波,形成了交变的气动载荷,给隧道衬砌和洞内辅助设备带来气动疲劳寿命问题以及设备可靠性问题。本文采用一维流动模型模拟隧道压力波方法,研究隧道内的气动载荷特征,明确了隧道内压力波的形成机理和气动载荷衰减特性,提出了基于隧道内压力最值(最大正负压值和最大压力峰峰值)的最不利隧道长度,得到了阻塞比和速度对压力波的影响特性。本文研究结论可为隧道内设备及设施的气动荷载设计提供参考。

高速列车通过高海拔大坡度隧道车内外压力波特性

为研究高速列车通过高海拔、大坡度和特长隧道下压力波的特性,基于一维可压缩非定常不等熵流动模型的广义黎曼变量特征线法模拟列车通过隧道时的车外压力,采用时间常数法计算车内压力;分别利用国外数值模拟结果和国内西成高铁实车试验数据,验证方法的合理性和准确性;以速度200 km·h^(-1)的单列8编组高速列车为研究对象,分析列车通过4种海拔、5种坡度和4种长度组成的不同隧道时,车内外压力波动和最值的变化规律。结果表明:隧道内初始压力是影响车内外压力幅值的根本原因;车内外最大正、负压均随隧道海拔的升高而线性减小,随隧道坡度和长度的增加而线性增大;与下坡相比,列车上坡运行时车内的压力舒适性更为恶劣、气密性要求更高;列车上、下坡通过坡度30‰、进口端海拔4500 m、长42 km隧道时,车外最大正、负压分别为9.85和-9.63 kPa,列车动态气密时间常数不应小于1713 s。

600 km/h磁浮列车隧道交会车体压力载荷特征研究

随着列车速度的提升,空气动力学效应对车体压力载荷影响愈加严重,且列车隧道交会比单列车通过隧道时的空气动力学效应更加剧烈。为研究磁浮列车隧道交会时的车体压力载荷,采用一维可压缩非定常不等熵流动模型,在论证了研究方法正确性的基础上,分析了车体最大正负压值特征和车体压力最值(最大正负压值和最大压力峰峰值)分布特性,研究了隧道长度、列车速度和阻塞比对车体压力载荷的影响特性。研究结果表明:列车在通过隧道的过程中,车体所承受的最大负压值远大于最大正压值;只有当隧道长度超过一定值时,车体的最大正负压值出现在头尾车;头尾车的压力最值在隧道长度超过2 km以后保持定值,且不同速度下头尾车的最大正压值的定值基本重合,接近于“零”;隧道长度在一定范围内时,车体压力载荷与速度的二次方成正比;车体压力最值随阻塞比增大而增大。研究成果可为车体气动疲劳强度设计提供基础数据。

高原高铁长大隧道列车空气阻力特征研究

列车通过隧道时的空气阻力比明线运行时的阻力大得多,且受到列车速度的严重影响,列车在高海拔大坡道长大隧道运行时,会承受海拔高度的持续性变化带来的阻力影响,为分析高原高铁长大隧道列车空气阻力特征,本文采用一维可压缩非定常不等熵流动模型,考虑了隧道海拔和坡度的影响,建立了高海拔、大坡度工况下的空气阻力计算方法,在论证了研究方法正确性的基础上,分析了单列车通过和两列车中央等速交会工况下的空气阻力的形成机理,研究了海拔高度对空气阻力的影响特性。研究结果表明:列车进入隧道,冲击原本静止的空气场,同时诱发隧道压力波,致使空气阻力急剧增加,而后受到压力波的影响呈现出特定变化规律,与单列车通过隧道不同的是,列车交会过程中,阻力和压力会出现剧烈的降低和增加;空气阻力随着海拔高度的增加,呈现线性降低的趋势,隧道平均空气阻力因子随着海拔高度的增加,呈现出拟线性增加的趋势。本文的研究成果可为列车通过大坡道长大隧道时,列车的牵引功率配比和阻力预测提供基础数据。

基于舒适性的高速磁浮铁路单线隧道最不利隧道长度分布特征研究

列车在不同长度隧道中高速行驶,会产生不同程度的压力波动,从而引起乘客不同程度的耳感舒适性问题。采用一维可压缩非定常不等熵流动模型的特征线法和时间常数法动态气密指数模型,研究了单列高速磁浮列车通过隧道时的车外压力波和两种动态气密指数下的车内压力变化特征,完善了基于压力舒适性标准的高速磁浮铁路单线最不利隧道长度的概念,进行了列车速度和列车动态气密指数对最不利隧道长度影响规律的研究。研究发现:在基于车外压力最大负压值的最不利隧道长度下,车内压力最大负压值较小。车内每1、3、10和60 s内最大压力变化量最大值随隧道长度增大呈先增大后减小的特征,即存在舒适性约束条件下的最不利隧道长度。列车速度不同,该最不利隧道长度不同。除车内每10 s压力限值条件下外,动态气密指数不同,最不利隧道长度近似。动态气密指数83 s、速度600 km/h的单列磁浮列车通过截面积为100 m2的隧道时,满足UIC660舒适性标准的最不利隧道长度为10~12 km。本文成果对研究基于舒适性标准的隧道净空面积和列车气密性,以及进一步完善基于隧道压力波效应的轨道交通最不利隧道长度理论体系有较好的参考价值。

单列高速列车通过特长隧道时耳感不适问题研究

高速列车通过隧道时产生的压力瞬变会引发车内压力波动,对司乘人员的耳感舒适性有重要影响。影响压力瞬变的主要因素有列车速度、阻塞比和隧道长度。特长隧道和中长隧道两种条件下的压力瞬变和车内压力波动的特性是不同的。为考察我国采用单一时间间隔内最大压力变化量研判司乘人员耳感舒适性的适用性,有必要研究高速列车通过特长隧道时车内压力波动特点。基于一维可压缩不等熵非定常流动模型的广义黎曼变量特征线法和我国隧道断面参数特点,研究单车通过简单结构特长复线隧道内时的压力波特性,归纳隧道长度、列车速度和气密指数对车内压力变化的影响特性,分析隧道长度下不同时间间隔的最大压力变化量的最大值变化趋势,获得特长隧道下车内压力变化规律及特殊性问题。参照欧洲压力舒适性标准,分析耳感不适问题的特征,得出在特长隧道条件下采用多时间间隔压力变化阈值评价耳感舒适性问题的必要性。

内置开孔隔墙的高速铁路隧道压力波数值模拟方法

基于一维可压缩非定常不等熵流动模型、薄壁孔口出流模型以及广义黎曼变量特征线法,发展了单列车通过内置开孔隔墙隧道的压力波数值分析方法。与国外试验结果比较验证本文建立的计算方法的正确合理性基础上,通过对不同开孔率的计算得出采用过大的开孔率将导致一维流动模型计算时出现较大的数值振荡,分析了计算结果震荡可能的一维流动模型适用性的原因。同时,通过对隔墙中开孔和不开孔的模拟计算,得出隔墙开孔可较大幅度的减缓压力波,为今后研究和隧道内设置开孔隔墙提供了有益的启示。

带二次流增推喷管的脉冲爆震发动机推进性能分析

为了研究带二次流喷管的脉冲爆震发动机的推进性能,结合广义一维流动模型和等容循环模型建立了对应的数学模型,对在二次流影响下的喷管推力系数进行了研究。计算结果表明:在定常流动中,若喷管几何构型不变,当喷管落压比小于一个临界值时,注入二次流可以提高其性能。在爆震循环中,若燃烧后压力一定,存在一个最佳扩张比的喷管,使发动机平均推力系数达到最大值,若二次流连续注入,当喷管的扩张比大于一个临界值时,注入二次流会提高发动机性能,但是不能提高其最大平均推力系数;采用间断注入二次流的方案,可以提高此燃烧后压力对应的最大平均推力系数,当燃烧后压力为5MPa时,提升率可以达到2.4%。

单列高速列车通过内置开孔隔墙隧道时的压力波数值分析

高速铁路隧道内置隔墙上开孔可改变压力波特性,进而改善司乘人员压力舒适性环境。基于一维可压缩非定常不等熵流动模型的广义黎曼变量特征线法,发展了单列车通过内置开孔隔墙隧道的压力波数值分析方法;隔墙开孔的空气流动采用薄壁孔口出流模型模拟。在与国外试验和计算结果验证正确合理基础上,采用本文计算方法进行开孔间距、开孔位置和开孔面积(开孔率)参数对隧道内压力波影响特性研究,得出隔墙开孔可以较大幅度减缓压力波的有效性。

复合节流的静压导轨设计及其稳定性分析

就表面复合节流方式的静压导轨建立一维流动数学模型 ,从理论上推导出其承载能力与刚度的计算方法。根据气体质量变化连续性特点 ,建立了表面复合节流方式的静压导轨动态方程 ,由此对表面复合节流方式的静压导轨进行了稳定性分析。为表面复合节流方式的静压导轨的设计提供了一种理论计算方法。

高速磁浮单线隧道车体压力载荷特征

高速磁浮列车通过隧道过程中将引起剧烈的压力波动,造成司乘人员耳感舒适性、车体及其零部件、隧道衬砌及辅助设施的气动疲劳寿命问题,有必要对磁浮列车高速通过隧道时压力波效应进行研究。采用一维可压缩非定常不等熵流动模型和广义黎曼变量特征线法对单列车通过隧道时车体压力载荷进行数值模拟研究,初步揭示隧道长度、列车速度、阻塞比对车外压力波的影响规律;得出时速500~600 km/h速度下基于最大正负值和最大压力峰峰值的最不利隧道长度;论证了列车通过隧道产生的压力波幅值与列车速度平方成正比的适用范围,总结了压力最值与速度的拟合关系式。本文研究方法和结果可为车体设计选用气动载荷提供参考依据。

山区高速列车车体动态当量泄漏面积阈值

针对静态气密参数无法真实反映列车过隧道时的气密性能问题和车内压力舒适性问题,基于一维可压缩非定常不等熵流动模型的广义黎曼变量特征线法,数值模拟列车过隧道时的车外压力波动.对泄漏的空气质量流量进行修正,采用当量泄漏面积法模拟高速列车通过隧道时的车内压力.以山区高速铁路为背景,研究中国某型号动车组车体动态当量泄漏面积阈值,提出列车符合不同舒适性标准时的动态当量泄漏面积阈值建议.结果表明:车内压力符合1000 Pa/10 s标准下的当量泄漏面积更小,列车当量泄漏面积阈值的最小值随着车速的增加而减小,头、尾车和中间车当量泄漏面积阈值的建议值分别为23.2和45.6 cm^(2).

京沪高铁隧道背景下列车车体动态气密性当量泄漏面积阈值特征

针对静态气密参数无法真实反映动车组过隧道时的气密性能问题和车内压力舒适性问题。基于一维可压缩不等熵非定常流动模型的广义黎曼变量特征线法,数值模拟车外压力;建立了高速列车通过隧道时模拟车内压力波的“当量泄漏面积”法。以京沪客运专线为背景,研究了中国某型号标准动车组的动态当量泄漏面积阈值随动车组编组长度、速度和是否交会的变化规律;给出了动车组在不同速度等级下符合不同舒适性标准时单节车厢动态当量泄漏面积建议值。研究表明:动车组的当量泄漏面积阈值的最小值随着车速的增加而减小;头/尾车和中间车最严格的当量泄漏面积建议值分别为10.3 cm^2和18.9 cm^2,为高速动车组气密性设计及优化各部件气密性能提供基础性技术参考。

400km/h动车组车体压力载荷隧道参数影响特征研究

列车高速进入隧道时产生的压力波动对列车气动阻力、车体结构疲劳强度和车内人员舒适性等产生不利影响。随着动车组运行速度的不断提高,高速列车进入隧道产生的空气动力学问题将更加突出和显著。本文采用一维非定常不等熵流动模型和特征线方法,在数值模拟400 km/h动车组单列车通过隧道和隧道中央等速交会压力波形成机理和车外压力变化的基础上,研究了动车组通过隧道时隧道长度和隧道净空面积对车外压力载荷的影响特性,进一步验证了基于车外压力幅值的最不利隧道长度估算公式的合理性。本文研究结果为确定400 km/h动车组车体压力载荷的分布范围提供了基础数据。

地铁列车通过不同坡型隧道时活塞风数值模拟

由于地铁列车运行速度的不断提升,随之所引起的一系列活塞风问题需要更深入的研究。基于一维可压缩非定常不等熵流动模型的广义黎曼变量特征线法,对地铁隧道活塞风速进行了数值模拟。以成都地铁18号线为背景,分析了活塞风的形成及其随时间演化过程,研究了地铁A型车以140km/h恒速通过7560m区间隧道时,隧道取值点风速随隧道坡型和坡度的变化规律。结果表明:压缩波的传播方向与风速同向(反向)时,对风速起促进(抑制)作用;膨胀波的传播方向与风速同向(反向)时,对风速起抑制(促进)作用;坡度对风速影响的实质是隧道内存在初始压差,单面上坡隧道内初始压差减小了2.89%时,隧道内最大正风速值增大5.82%;各坡型隧道内的最大风速值与坡度呈线性关系,30‰的单面下坡内有最大风速值12.53m/s。研究结果可为后续类似问题的研究提供参考。