货运动车组装载门凹陷对隧道压力波的影响

以时速350km货运动车组为对象,采用重叠网格的有限体积数值计算方法,研究单列带有装载门的高速货运动车组通过隧道时,装载门凹陷对车外压力波形成变化特性的影响。结果表明:装载门凹陷使车外最大正压值和最大压力峰峰值显著增大;各车厢顶部最大正压值增大50%～150%,各装载门处最大正压值增大100%～350%,各风挡处最大正压值增大50%～110%。本文结果可为高速货运动车组装载门设计提供参考。     

高速列车隧道会车空气阻力数值模拟研究

建立计算流体力学三维数值仿真模型,采用三维可压缩非定常湍流模型,利用重叠网格方法对高速列车隧道内等速交会过程进行动态数值模拟,分析会车过程中列车所受空气阻力的形成机理及分布特性。计算结果表明:隧道交会过程中,压差阻力对列车空气阻力的变化起主导作用,隧道交会对阻力峰值及峰峰值的影响比隧道单车大得多;列车隧道内交会时最大空气阻力是明线时的2.65倍,对应时刻的压差阻力和摩擦阻力分别为明线时的3.35倍、1.36倍;在交会完成前,头车表现为产生与速度方向相同的"推力",并呈现先增大后减小的趋势;尾车阻力最大,也呈现先增大后减小的趋势。     

高速列车进隧道时编组长度对压力波最大值的影响研究

高速列车通过隧道时,隧道内空气会产生较大的压力波动,对列车行车安全、车辆结构以及乘客舒适度造成影响。为研究高速列车进隧道时压力波与列车编组长度的关系,开展了高速列车进隧道压力波特性的CFD仿真分析。采用求解低速流动的压力修正算法求解RANS方程,湍流模型采用可实现k-ε模型。首先,通过与动模型实验监测的压力波对比,验证了数值模型的准确性。随后,对高速列车不同编组进隧道的情况进行了仿真计算,通过监测隧道壁和车体表面压力波随时间的变化,得到压力波大小与编组长度之间的关系。计算结果表明,随着编组长度增大,压力波幅值也增大,且由车身与隧道内空气摩擦引起的压力波幅值增量与编组长度呈线性关系。在此基础上,改进了预测列车进隧道最大压力波的经验公式,考虑了编组长度对压力波的贡献,预测结果更加准确。     

高速列车穿越有竖井隧道流场的特性研究

给出了高速列车穿越隧道压力波的三维粘性流场数值模拟过程,控制方程为三维粘性、可压缩、等熵和非定常流的Navier-Stokes方程,空间离散采用了中心有限体积法格式,时间采用预处理二阶精度多步后差分格式进行离散,对隧道壁面采用壁面函数处理。在模拟中考虑了竖井的位置、竖井的断面积、竖井的数目等因素对隧道内压力及压力梯度的影响。计算结果表明,竖井的存在改变了压缩波的波前形状,从而使得隧道内的压力变化的最大值降低,因而能够降低隧道内的压力梯度最大值,但它并不能延长压力上升的时间。     

侧风风场特征对高速列车交会的影响研究

为了准确预测侧风环境下列车交会时的气动性能,考虑均匀风和大气底层速度边界型侧风,通过计算流体力学方法对比研究高速列车交会压力波特性和气动力特性. 结果表明,两种风场下交会压力波有所不同,但幅值差异不明显;采用均匀风场评估列车侧风环境下交会会高估列车所受气动力. 本文对高速列车行驶安全性评估和复杂运行场景的复杂流场的认识具有参考价值.     

动静态气密性分析方法及其在动车组上的应用

随着运行速度的提升, 高速动车组受到的外部激扰愈发剧烈. 尤其是动车组通过隧道和在隧道内交会时, 车体外表面产生的剧烈瞬变压力传入车厢内, 会引起司乘人员耳感不适等问题. 为研究动车组运行过程中的气密性能对车内气压波动和乘客乘坐舒适度的影响关系, 本文采用动静态测试结合的分析方法, 结合时间常数模型和当量泄漏面积模型, 通过在不同车辆内外部布置气压波动监测传感器, 对四级修前后的高速动车组进行了线路运行气动载荷测试; 针对不同部位具体结构特征开发了不同型式的气体泄漏量测试工装, 并对不同车辆的静态气密性进行了测试研究. 搭建了动静态气密性能分析模型并获得了动静态气密指数, 总结了隧道条件、运行速度等因素对车内压力波动和动态气密性能的影响规律, 同时针对典型气密部件的泄漏量和泄漏面积进行了分析, 对气密敏感部件进行了影响度排序并提出了优化方案. 本文提出的方法和相关研究数据对于关键部件的设计方案和修程修制优化具有一定的参考意义.      

隧道表面爆破地震波的产生机制及传播特征

为了研究隧道表面爆破地震波的产生机制及传播规律,提出了隧道表面爆破振动平面应变理论模型,得到了隧道表面爆破振动场积分形式解;以龙南隧道爆破工程为背景,建立了有限元数值模型,通过现场测试验证了数值模拟与理论解答的准确性;提出了基于高分辨率Radon变换的隧道爆破地震波波场分离方法,结合理论解析与数值模拟得到了P波、S波、R波的传播特征,最后综合理论结果与波场分离结果提出了隧道爆破地震波作用分区。结果表明：隧道爆破产生P波、S波,R波在自由面迅速发育,3类波呈现指数衰减特征,S波衰减快于P波快于R波。随着爆心距的增大,垂直方向主要成分由S波转变为R波,水平方向主要成分由S波转变为P波,P波转变为R波。Ⅳ级围岩工况下,隧道爆破地震波作用分区为：隧道轴向距掌子面0～6.44 m为爆破近区,主导波型为水平S波;6.44～21.23 m为爆破中区,主导波型为水平P波;21.23 m外为爆破远区,主导波型为垂直R波。爆破分区分界点与单段最大药量呈线性关系,可通过爆破药量得到隧道爆破分区位置,用于隧道安全稳定性分析。     

草鱼幼鱼周身压力与曲率相关性数值模拟研究

为研究草鱼幼鱼稳定游泳状态下的周身流体压力与鱼体曲率的相关性,采用PIV(Particle Image Velocimetry)实测和数值模拟相结合的方式对草鱼幼鱼周身流体压力和鱼体曲率进行量化分析。结果表明,鱼体振幅曲线的三次拟合相比于传统的二次拟合曲线得到的幼鱼周身流体压力与PIV的实测结果吻合度更高,在幼鱼的中部和尾部,鱼体的中线曲率与体表曲率呈现较为明显的线性关系(P<0.05),且前半个运动周期内的幼鱼周身流体压力与鱼体体表和中线的曲率均呈现线性关系(P<0.05),鱼体中间部位中线曲率的变化要滞后于周身流体压力,而幼鱼尾部和头部的中线曲率则分别与鱼体上下侧流体压力的变化趋势基本一致。     

动静态气密性分析方法及其在动车组上的应用

随着运行速度的提升,高速动车组受到的外部激扰愈发剧烈.尤其是动车组通过隧道和在隧道内交会时,车体外表面产生的剧烈瞬变压力传入车厢内,会引起司乘人员耳感不适等问题.为研究动车组运行过程中的气密性能对车内气压波动和乘客乘坐舒适度的影响关系,本文采用动静态测试结合的分析方法,结合时间常数模型和当量泄漏面积模型,通过在不同车辆内外部布置气压波动监测传感器,对四级修前后的高速动车组进行了线路运行气动载荷测试;针对不同部位具体结构特征开发了不同型式的气体泄漏量测试工装,并对不同车辆的静态气密性进行了测试研究.搭建了动静态气密性能分析模型并获得了动静态气密指数,总结了隧道条件、运行速度等因素对车内压力波动和动态气密性能的影响规律,同时针对典型气密部件的泄漏量和泄漏面积进行了分析,对气密敏感部件进行了影响度排序并提出了优化方案.本文提出的方法和相关研究数据对于关键部件的设计方案和修程修制优化具有一定的参考意义.     

海南岛清澜-八门湾潟湖潮汐水动力的模拟研究

基于DELFT3D模型研究了清澜-八门湾潟湖的水位分布和潮汐波内部结构，以及由于人类开垦引起的海岸线变化（以1962年、1985年和2008年为例）对潟湖水动力特性的影响。结果表明，清澜-八门湾潟湖潮汐是由多种分潮耦合而成的复杂驻波，其中K₁，O₁，M₂，S₂和M₄分潮的影响最大。由湾外向湾内传输，由于湾内红树林和浅滩引起的底部损耗增加，M₂，S₂，K₁和O₁分潮幅值减弱；M₄分潮幅值增强，表现出明显的浅水增幅效应；M₂和S₂分潮相位在文教河和文昌江领域表现出明显的干湿效应。不同年代海岸线的研究表明，1985年和2008年间，人类复垦导致潟湖及其潮汐汊道附近的红树林和滩涂区域严重破坏，海岸线缩减，引发了水位降低、纳潮量减少和潟湖潮汐汊道底摩擦弱化，从而削弱了干湿、潮呛和浅水效应。后果提示持续的人类复垦活动将会引发清澜-八门湾潮汐水动力环境的进一步恶化，可能导致未来发生更大的自然灾害。     

直坑道内防护门上的爆炸冲击波荷载

为可靠开展抗爆结构设计与评估,基于理论计算与数值分析对直坑道内爆炸冲击波荷载的计算问题进行了研究。定量对比分析了现有不同方法计算结果的差异,基于结构响应对不同方法进行了评价,并结合模型实验对近距离爆炸情况下直坑道内防护门上的设计荷载取值问题进行了研究。结果表明,在进行荷载简化时有必要考虑荷载形式与结构响应的耦合,而现有坑道内爆炸冲击波荷载的简化计算方法普遍没有考虑结构动态特性影响,且相互之间存在很大差异,严重影响设计或评估工作的可靠性;近距离爆炸情况下,取门中线上距门边1/4宽度处的压力或门上平均压力作为坑道内防护门上的设计荷载,在比较宽的结构频率范围内是合理的。研究结果可为坑道内结构的防护设计提供参考。     

Plasma mitigation of shock wave: experiments and theory

Two types of plasma spikes, generated by on-board 60 Hz periodic and pulsed dc electric discharges in front of two slightly different wind tunnel models, were used to demonstrate the non-thermal plasma techniques for shock wave mitigation. The experiments were conducted in a Mach 2.5 wind tunnel. (1) In the periodic discharge case, the results show a transformation of the shock from a well-defined attached shock into a highly curved shock structure, which has increased shock angle and also appears in diffused form. As shown in a sequence with increasing discharge intensity, the shock in front of the model moves upstream to become detached with increasing standoff distance from the model and is eliminated near the peak of the discharge. The power measurements exclude the heating effect as a possible cause of the observed shock wave modification. A theory using a cone model as the shock wave generator is presented to explain the observed plasma effect on shock wave. The analysis shows that the plasma generated in front of the model can effectively deflect the incoming flow; such a flow deflection modifies the structure of the shock wave generated by the cone model, as shown by the numerical results, from a conic shape to a curved one. The shock front moves upstream with a larger shock angle, matching well with that observed in the experiment. (2) In the pulsed dc discharge case, hollow cone-shaped plasma that envelops the physical spike of a truncated cone model is produced in the discharge; consequently, the original bow shock is modified to a conical shock, equivalent to reinstating the model into a perfect cone and to increase the body aspect ratio by 70%. A significant wave drag reduction in each discharge is inferred from the pressure measurements; at the discharge maximum, the pressure on the frontal surface of the body decreases by more than 30%, the pressure on the cone surface increases by about 5%, whereas the pressure on the cylinder surface remains unchanged. The energy saving from drag reduction is estimated to make up two-thirds of the energy consumed in the electric discharge for the plasma generation. The measurements also show that the plasma effect on the shock structure lasts much longer than the discharge period.

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Identification of Interaction Pressure Between Structure and Explosive with Inverse Approach

An inverse approach for the identification of the time-dependent localized interaction pressure between a structure and an explosive has been proposed and developed. In this approach, surface measurements of structural response (displacement and velocity) are integrated with numerical simulations to identify the spatial and time-dependent interaction pressure (i.e. the normal traction) on a structure surface. For verification and validation purposes, numerical simulations are used to (a) generate the time-dependent displacement and velocity fields on the free surface of the specimen at specified time intervals, (b) form a blast wave and compute the resulting interaction traction field between the structure and blast wave on the interaction interface for comparison to inverse predictions. In particular, validation of the proposed approach was performed using numerical simulation results for an underwater explosion, with excellent agreement between the identified interaction traction and the simulation generated interaction traction up to and including the maximum traction condition. To demonstrate the potential of the method, the proposed inverse procedure was employed to estimate the interaction traction field on a thin aluminum specimen subjected to transient pressure loading through detonation of explosive buried in sand.     

高速铁路长隧道压缩波波前变形规律分析

高速列车进入隧道时产生的压缩波在长隧道中传播时会产生波前变形，即波前压力梯度发生变化。线路测量和学者的研究表明，隧道出口处微气压波的强度与压缩波波前压力梯度最大值成正比，而微气压波的大小又与隧道出口的爆破音直接相关，因此有必要研究压缩波在长隧道中传播时的波前变形规律。采用计算流体力学三维动态仿真计算方法，对长隧道内压缩波的生成和传播过程进行研究。证明了压缩波的波前变形不仅与初始压缩波生成时的惯性运动和气体摩擦相关，而且与列车在隧道中的运动相关，即列车运动产生的能量输入会影响压缩波波前的变形。通过多工况计算，获得了隧道内压力梯度的最大值及其出现位置与列车速度和隧道阻塞比之间的变化规律。     

基于D-P准则的盾构隧道围岩与衬砌结构相互作用分析1）

在进行盾构隧道管片衬砌结构载荷计算时，常采用全土柱或压力拱理论计算围岩松动压力，但当盾构隧道面临深埋条件且需计入形变压力时，该方法难以适用.鉴于此，基于Drucker-Prager屈服准则，推导了考虑渗流效应影响下围岩与衬砌结构相互作用的弹塑性解析解，给出了围岩弹、塑性区应力与位移、塑性区半径等关键参数与支护阻力间关系的解析式.阐述了上述解析结果在确定衬砌结构载荷中的应用，即建立围岩与衬砌结构静力平衡状态并求二者对应曲线的交点.进一步地，考虑接头引起管片衬砌结构整体刚度降低对围岩与衬砌结构相互作用的影响，引入刚度折减系数，并在衬砌结构围岩压力确定中对施工期流固耦合效应的影响和渗流力对衬砌结构支护特性曲线的影响进行了简化处理.最后，通过算例将解析解与水下盾构隧道载荷实测值和数值计算值进行了比较.结果表明：用解析方法得到的施工期和稳定期的管片衬砌结构围岩压力比现场实测值分别大28%和12%，稳定期围岩压力比数值计算值大5%，可为类似工程的设计施工提供一定的参考价值.     

爆炸载荷特征参数对无限长圆柱壳弹性动态响应的影响

采用含有三角脉冲载荷和准静压载荷的爆炸载荷加载,利用单自由度模型对无限长圆柱壳体（即等效平面应变圆环）的弹性动态响应进行了力学分析,获得了径向位移响应解析解及准静压阶段弹性响应振幅的解析解。基于所得解析解,通过控制变量法分析了载荷压力及载荷分界点时刻（即三角脉冲载荷与准静压载荷作用的分界点时刻）对径向位移最大值、准静压阶段弹性响应振幅的影响规律,更加深入地研究了爆炸载荷对结构响应的影响。本文主要从准静压幅值与三角脉冲峰值的比值以及载荷分界点时刻两个主要特征参数入手,结合结构的呼吸振动频率来研究爆炸载荷对无限长圆柱壳弹性动态响应的影响。在研究中发现存在临界时刻:当载荷分界点时刻早于临界时刻时,径向位移最大值出现在准静压阶段;当载荷分界点时刻晚于临界时刻时,获得了便于直观判断径向位移达到最大值时所处载荷阶段的分区图。基于前述解析解的分析,还获得了不同影响因素导致的振幅变化的单调性分区图,便于判别载荷压力的变化所致的准静压阶段振幅的增减趋势。通过研究获得的爆炸压力载荷对结构响应的影响规律,可为爆炸容器设计以及结构防护基础研究提供参考。     

防护门在空气冲击波和破片作用下的破坏

随着精确制导武器被大量用于实战,地下工程坑道内部遭受爆炸的可能性越来越大。利用原型坑道内爆炸试验,考察了破片和空气冲击波的复合作用对防护门的宏观破坏效应。对破片的初始速度、质量分布和空间分布进行了定量计算,分析了破片和冲击波对防护门的单一破坏作用,定性讨论了冲击波和破片对防护门的复合破坏作用。     

动静荷载对邻近巷道裂纹缺陷扰动的模拟实验

为了探究动静组合应力场作用下邻近巷道背爆侧裂纹缺陷的扩展规律,采用动静加载透射式动态焦散线方法进行了模拟实验,并结合裂纹尖端的动态应力强度因子和能量释放率进行了分析。实验结果表明:在动静荷载作用下,邻近巷道背爆侧裂纹缺陷处也成为巷道主要扰动区,且爆炸荷载对背爆侧预制裂纹的起裂起主导作用;p=0.2 MPa时的相同动静组合应力场中,背爆侧预制裂纹的扩展位移差异与裂纹的倾角有关,当θ=75°时,爆炸应力波无法驱动裂纹起裂;在相同爆炸荷载作用下,θ=30°时,较小竖向荷载对裂纹的扩展具有抑制作用,且抑制作用随所施加的竖向荷载增加而增大,当p=0.4 MPa时,裂纹无法起裂;裂纹最终扩展位移,与裂纹尖端动态应力强度因子在极大值上下振荡变化的持续时间,或在裂纹扩展阶段能量释放率积累量,呈正相关。     

水下爆破冲击波作用下典型鱼类临界安全波压模型研究

为了探究水下爆破冲击波对鱼类损伤的影响，首先通过理论分析探讨了水下冲击波在鱼体的传播过程和对鱼鳔的损伤机理，构建了典型有鳔鱼类临界安全波压模型，并结合实测数据、参考相关文献，确定了模型参数。结果表明，典型有鳔鱼类临界安全波压与鱼体长呈线性关系。其中，水介质和鱼鳔壁介质的波阻抗比、鱼鳔宽度因数、鱼鳔壁厚因数、鱼鳔径向临界拉应力因数和鱼鳔形状因数分别为0.3～2.0、0.04～0.09、0.002、60和0.6～1.1。然后，根据典型有鳔鱼类临界安全波压模型参数，得到最大和最小鱼类临界安全波压模型分别为p_ic,max=30L和p_ic,min=3L(p_ic,max的单位为kPa,L的单位为cm)。最后，通过鱼类损伤情况的实测数据和文献数据，验证了鱼类临界安全波压模型。结果表明，不同体长的鱼类在不同冲击波压力时的受损状况分布，基本与鱼类所能承受的最大和最小的临界安全波压范围符合。并根据鱼类临界安全波压与体长的关系，划分了死亡区、存活有影响区和存活无影响区。