【摘要】：我國是個(gè)多山的國家,山區(qū)的高速鐵路建設(shè)規(guī)模宏大,設(shè)計(jì)或預(yù)留速度高,長大及特長隧道數(shù)量多。在高速列車不斷提速的過程中,評(píng)價(jià)和減緩列車隧道氣動(dòng)效應(yīng)已成為發(fā)展高速鐵路的關(guān)鍵技術(shù)之一。研究高速列車隧道壓力波及氣動(dòng)力,對(duì)于列車最高運(yùn)行速度、運(yùn)營能耗、隧道通過能力及穩(wěn)定性等問題有著重要的意義。本文采用三維、非定常、可壓縮流動(dòng)的雷諾平均N-S方程和SST k-ω兩方程湍流流動(dòng)模型,壁面處理方法選用高y+處理,通過STAR-CCM+中的重疊網(wǎng)格法(overset)模擬列車與隧道、列車與列車之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),分別通過隧道壓力波實(shí)車試驗(yàn)和風(fēng)洞試驗(yàn)的驗(yàn)證,得到了正確模擬列車外部流動(dòng)合理經(jīng)濟(jì)的網(wǎng)格劃分方法,驗(yàn)證了基于CFD軟件選擇的湍流模型、網(wǎng)格劃分和三維計(jì)算方法的可靠性。本文以凈空面積100m~2的高速鐵路隧道與CR400BF型動(dòng)車組為研究對(duì)象,研究了250km/h、350km/h、400km/h三種速度,4.6m、4.8m、5.0m三種線間距對(duì)高速列車交會(huì)隧道壓力波及“頭波”壓力的影響,還對(duì)速度、線間距與交會(huì)氣動(dòng)力的關(guān)系進(jìn)行了分析。主要形成了以下結(jié)論:(1)在列車交會(huì)過程中,列車車身(車廂及風(fēng)擋)交會(huì)側(cè)位置最大壓力峰峰值以及“頭波”壓力幅值均隨著線間距的減小而增大。(2)在350km/h時(shí),各車廂中頭車交會(huì)側(cè)最大壓力峰峰值最大。線間距4.8m時(shí)的頭車最大壓力峰峰比線間距5.0m增大3.27%,線間距4.6m時(shí)的最大壓力峰峰值比線間距4.8m增大4.06%。(3)在350km/h時(shí),各車廂的“頭波”幅值相近,線間距4.8m時(shí)的“頭波”幅值比線間距5.0m大6.81%左右,線間距4.6m時(shí)的“頭波”幅值比線間距4.8m大8.12%左右。(4)同一速度下,線間距越小,阻力的最大值和最小值均逐漸增大,頭頭交會(huì)時(shí)列車受到的負(fù)側(cè)向力(排斥力)峰值越大,頭尾交會(huì)時(shí)列車受到的正側(cè)向力(吸引力)峰值越大。整個(gè)交會(huì)過程,列車始終受到下壓力,同一速度下,線間距越小,頭頭交會(huì)時(shí)列車受到下壓力峰值越小,頭尾交會(huì)時(shí)列車受到下壓力峰值越大。(5)列車交會(huì)過程中,車身交會(huì)側(cè)最大壓力峰峰值以及“頭波”幅值均隨著速度增大而增大,且速度對(duì)壓力值的影響要大于線間距的影響。(6)對(duì)不同速度、不同線間距下列車“頭波”幅值、交會(huì)氣動(dòng)力最值均進(jìn)行了公式擬合,公式表明列車“頭波”幅值、交會(huì)氣動(dòng)力最值與速度的平方成正比,與線間距成指數(shù)關(guān)系。
【圖文】：

許多空氣動(dòng)力學(xué)方面的問題，尤其列車高速通過隧道時(shí)產(chǎn)生的氣動(dòng)效應(yīng)會(huì)對(duì)旅客壓力適性、列車運(yùn)行安全性以及隧道口環(huán)境等帶來影響。高速列車駛?cè)胨淼罆r(shí)，車頭前方形成的入口壓縮波會(huì)在隧道出口端產(chǎn)生微氣壓波，來“音爆”現(xiàn)象，對(duì)隧道口附近房屋門窗造成破壞，噪聲還會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成一定影。高速列車通過隧道時(shí)產(chǎn)生的隧道壓力波動(dòng)通過車體傳到車內(nèi)，會(huì)造成司乘人員及旅耳鳴、耳膜疼痛等問題，惡化乘坐的壓力舒適性；劇烈的壓力波動(dòng)還會(huì)造成車體門窗碎的現(xiàn)象，車內(nèi)外的交變壓力也會(huì)造成車體及零部件的疲勞破壞。高速列車通過隧道過程中，氣動(dòng)阻力會(huì)明顯增大，從而使列車運(yùn)行速度降低，列車行能耗也大幅增加。研究表明：明線穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，列車速度在 200km/h 以上時(shí)，列車動(dòng)阻力約占總阻力的 70%左右；當(dāng)列車速度達(dá)到 300km/h 以上時(shí)，氣動(dòng)阻力約占總阻的 85%以上。列車運(yùn)行速度越高，列車氣動(dòng)阻力占列車總阻力越大[1-2]。減少氣動(dòng)阻是降低高速列車的能耗、提高高速鐵路經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵[3]。此外，高速列車通過隧道時(shí)，，其隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)會(huì)引起列車橫向擺動(dòng)以及垂直受力不僅會(huì)惡化旅客乘坐舒適性，還會(huì)列車運(yùn)行安全性帶來挑戰(zhàn)。

圖 1.2 中南大學(xué)動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置[42]表 1.4 動(dòng)模型試驗(yàn)系統(tǒng)比較[43]國家 試驗(yàn)線長度[m] 列車縮比 最高速度[km/h]中國 164 1:16~1:20 350英國 132 1:25 200國內(nèi)學(xué)者梅元貴[44-45]等使用一維可壓縮不等熵非定常流動(dòng)模型和廣義黎曼特征線法數(shù)值模擬的方法對(duì)隧道內(nèi)交會(huì)壓力波進(jìn)行了研究。李人憲[46-47]等利用三維數(shù)值方法模擬單車通過隧道和隧道內(nèi)兩車交會(huì)工況，對(duì)列車通過隧道時(shí)的壓力波動(dòng)及隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)的壓力波疊加關(guān)系式進(jìn)行了研究，得出了壓力峰值在不同車速的情況下可能出現(xiàn)的位置。趙晶[48]通過三維數(shù)值仿真的方法模擬了高速列車通過隧道的全過程，對(duì)隧道壓力波及列車所受氣動(dòng)作用力進(jìn)行了研究。中國科學(xué)院大學(xué)力學(xué)研究所孫振旭、郭迪龍[49]等通過數(shù)值計(jì)算分析了地面效應(yīng)對(duì)列車氣動(dòng)阻力、側(cè)向力、升力的影響規(guī)律。荊江[50]等對(duì) CRH3型車以及在橫風(fēng)效應(yīng)下的受電弓氣動(dòng)性能進(jìn)行了評(píng)估。姚栓寶[51]利用三維數(shù)值模擬的方法，研究了 CRH3 型真實(shí)動(dòng)車組（包括受電弓和轉(zhuǎn)向架）明線穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的列車整車氣
【學(xué)位授予單位】：蘭州交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U270.1;U451

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本文編號(hào)：2665307