隧道中高速列车空气阻力的数值计算

对高速列车在隧道中行驶时所引起的湍流场进行了数值模拟，计算了列车所受到的空气阻力。数值计算采用变密度、轴对称的ｋ～ε模型和ＰＩＳＯ算法，并将粗糙面速度分布公式和尼古拉兹公式引入壁函数法中，以反映壁面粗糙度的影响，提出了对不规则边界的速度修正法。针对不同的车速、阻塞比和车头细长比，分别进行了模拟，获得了全场的压力分布，以及空气阻力与基本参数的关系，并与传统的经典方法阻力计算结果进行了对比分析。     

冲击荷载作用下混凝土动态力学性能数值模拟研究

利用直锥变截面式Φ74 mm SHPB对混凝土和水泥砂浆材料进行了三种不同冲击速度下的动态力学性能实验,分析了其冲击速度对混凝土力学性能的影响规律。应用刚性板冲击加载的方式进行了混凝土动力响应的数值模拟研究,数值模拟结果与实验结果吻合较好。数值模拟表明：混凝土的峰值应力随着冲击速度的增大而增大,混凝土是一种率敏感材料;随着粗骨料体积含量增大,冲击荷载作用下混凝土的峰值应力呈现先增大后减小的趋势,粗骨料体积含量为40%时混凝土峰值应力最大;保持粗骨料最大粒径不变,随着粗骨料最小粒径的增大,混凝土的峰值应力逐渐减小;保持粗骨料最小粒径不变,随着粗骨料最大粒径的增大,混凝土的峰值应力呈现先增大后减小的趋势,数值模拟结果为混凝土的工程应用提供了理论依据和技术支撑     

DYNAMIC RESPONSE OF HIGH SPEED TRAIN MEETING IN OPEN AIR,MEETING IN TUNNEL AND PASSING TUNNEL1)

明线会车、隧道会车和过隧道工况下的气动压力波对高速列车的动力响应和运行安全产生很大影响,本文建立了三辆编组的高速列车动力学模型,通过数值仿真得到了列车在三种工况下的车体所受的气动力,基于数值积分分析了列车的动力响应和脱轨系数。研究发现：明线会车和隧道会车工况相比,车辆的侧向运动相反。 明线会车和过隧道时,气动载荷对列车的脱轨系数影响较小,而隧道会车时,气动载荷作用对尾车的安全性影响较大。     

明线会车、隧道会车及过隧道时的高速列车动力响应

明线会车、隧道会车和过隧道工况下的气动压力波对高速列车的动力响应和运行安全产生很大影响,本文建立了三辆编组的高速列车动力学模型,通过数值仿真得到了列车在三种工况下的车体所受的气动力,基于数值积分分析了列车的动力响应和脱轨系数。研究发现:明线会车和隧道会车工况相比,车辆的侧向运动相反。明线会车和过隧道时,气动载荷对列车的脱轨系数影响较小,而隧道会车时,气动载荷作用对尾车的安全性影响较大。     

高速列车空气动力学研究技术综述

随着我国高速铁路的快速发展,高速列车运行速度越来越快,包括气动阻力、横风效应、会车效应、隧道效应和气动噪声等一系列空气动力学问题日益突出. 利用模型试验、实车测量和数值计算等不同的研究手段,开展全面的高速列车空气动力学研究显得十分重要. 本文比较全面和系统地介绍了国内外高速列车空气动力学研究在模型试验、实车测量、数值计算等方面的技术现状和进展情况,对今后的发展方向和内容进行了展望.     

重叠网格法应用于模拟高速列车隧道气动效应

高速列车通过隧道时所诱发的压力波不仅会使乘客耳感舒适性变差,而且会造成车辆零部件疲劳。基于计算流体力学软件中有限体积方法,本文使用重叠网格法模拟了复杂外形高速列车完全通过隧道时引起的隧道内的压力波动。描述了重叠网格法及使用该方法进行列车过隧道建模的过程。利用文献提供的数据,分别采用滑移网格法和重叠网格法建模计算,并进行对比。通过与京沪线高速列车实车试验数据的对比,结果表明:对于模拟高速列车隧道气动效应,重叠网格法不仅网格设计简单,对车体、隧道复杂外形适应性强,且计算结果具有较高的计算精度及可靠性,具有较高的工程价值,可为今后高速铁路隧道气动效应的相关研究提供参考。     

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。     

爆破作用下山岭隧道衬砌动态响应分析

基于数值计算方法,研究了在底部动载下拱桥铺山岭隧道衬砌的振动速度、应力以及弯矩的分布规律。得到在底部爆破动载作用下,隧道衬砌拱底振动速度峰值最大,其次是两帮,拱顶最小。随着动载作用时间推移,最大主应力越来越大,最小主应力先增大后减小;拱脚处受压较大,拱顶处受拉较大。随着底部动载的传播,最小弯矩和最大弯矩逐渐增大,直至动载趋于稳定时略有回落;隧道衬砌拱脚处负弯矩较大,隧道衬砌拱底处正弯矩较大。     

东海低渗储层压裂高起裂压力规律分析

东海HY-A1井H8b气藏为异常高温、高压地层,压裂设计的预测起裂压力与压裂施工不一致,作业中出现高起裂现象;考虑裂缝内流体压力、主应力、井壁渗透率、裂缝倾角等因素,建立了东海低渗储层压裂高起裂压力数学模型;通过现场验证,起裂压力计算误差为4.9%,具有一致性。借助二分法对模型求解,结果表明,随井斜角度的增大,当方位角<45°时,起裂压力变化随井斜角的增大并不明显,当方位角≥45°时,起裂压力呈现先减小后增大的趋势;随方位角的增大起裂角呈现先增大后减小,直至为零,起裂压力总体呈现先减小后增大的趋势;随着方位角增大,起裂压力存在最低峰值,最低峰值区间的方位角在50°～80°之间;井斜角α=0°直井段时,方位角φ=71°时,最低起裂压力峰值为58.5 MPa,在东海本区块属于高起裂;在一定的方位角度上起裂角存在最大峰值,起裂角最大峰值区间的方位角在60°～80°之间;应力差值大、泊松比小、异常高压是高起裂压力的关键因素;在压裂设计中,满足施工需求同时,尽可能设计方位角及井斜角靠近起裂压力最小区域。     

高速列车致声屏障风压变化和分布特性研究

高速列车致声屏障在极短的时间内受到交变气动力作用,一旦声屏障因强度或疲劳破坏而失效,有可能危及行车安全,因此准确评估高速列车致声屏障的脉动风压分布是结构设计需考虑的关键要素．利用数值风洞技术,模拟了道路及桥梁两侧分别布置5m、3.5m高声屏障,350km/h的列车通过时致声屏障的极值风压分布特性．研究结果表明列车驶过声屏障会产生气流挤压的正压波及气流填充的负压波,正压数值较负压数值大;极值风压随声屏障高度的增加而减小,且列车中心与声屏障的距离、声屏障的高度都会明显减弱极值风压的数值;两列车的交会相比单列车的通过,会更明显地挤压声屏障区域内的气流,从而在声屏障上产生更大的极值风压,且随着列车与声屏障距离的靠近,挤压增大极值风压的特性表现更为明显．最终通过选取京沪高铁试验段,进行相关的现场高速列车致声屏障极值风压试验测试,试验结果验证了数值模拟结果的准确性．     

高速列车进入隧道诱发初始压缩波效应的数值模拟

高速列车进入隧道产生初始压缩波,该压缩波以当地声速向隧道出口传播并产生脉冲波,脉冲波足够大时,会产生音爆响声。采用有限体积方法和任意滑移界面动网格技术方法,基于PISO算法和SSTk-ω高雷诺数湍流模型求解了高速列车通过隧道引起的三维可压缩非定常的空气湍流流动,数值模拟研究了我国高速列车和隧道条件下初始压缩波的基本特性。研究表明,初始压缩波是由于列车头部进入隧道瞬间洞内空气流动空间受到限制所形成的,形成初期具有三维特性,在传播一定距离后变成一维平面波。此外,在相同高度下,离车体越近初始压缩波变化越明显;靠近车体一侧离地面越近初始压缩波变化越大,而远离车体一侧初始压缩波变化基本一致;初始压缩波的压力时间变化率峰值与车速的三次方近似成正比。     

货运动车组装载门凹陷对隧道内会车压力波的影响

随着我国技术经济水平的提高,电子商务产业快速发展,货运动车组应运而生。采用有限体积方法和重叠网格方法,以及SST k-ω高雷诺数湍流模型,数值模拟研究时速350 km的货运动车组在隧道内交会的压力波,探究货运动车组车体结构即装载门凹陷对隧道内交会压力波的影响。实车试验结果验证了本文数值模拟方法的准确性。研究结果表明,凹陷的装载门使平直车身处的最大正压值增大约20%~30%,且有无凹陷的装载门中心最大正压值的差异百分比维持在35%~80%,最大负压值差异百分比在20%~25%。     

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。     

长编组高速列车的列车风动模型实验研究

列车风是高速列车运行时诱导产生的气流流动, 是列车空气动力学重要的研究内容和保证列车运行安全的重要方面. 本文利用缩尺比例为1\bh8的八编组高速列车模型进行了列车风的动模型实验,测试了明线运行状态下列车周围的流动参数,突破了短编组列车风动模型测试所带来的局限性.列车风系综平均曲线和标准差曲线说明: 列车头部会引起稳定的列车风,在车身和车尾处的列车风具有非常明显的非定常特征.列车风所反映的车身周围的气流扰动在第二节车厢开始显现, 列车风速振荡上升,在第七节车厢达到局部最大值.转向架舱和车厢间风挡间隙的气流干扰并没有在列车风曲线上表现出来.利用本征正交分解法分析列车风尾迹区的实验结果,发现列车风的扰动能量集中于近尾迹区, 次之是车身发展区.以各次实验结果中列车风的峰值位置距离车尾远近为条件,对列车风实验结果进行条件平均分析,表明列车尾涡生成时与列车风探针间的相对位置关系会影响列车风尾迹区的峰值形态.      

高速铁路隧道缓冲结构气动载荷与结构应力特性分析

高速列车通过隧道时,会引起车隧气动效应.在隧道洞口设置缓冲结构是简便有效的应对措施之一.而缓冲结构一般设置在隧道洞口,列车通过隧道产生气动载荷对该结构的影响也不容忽视.本文采用数值方法,利用Ansys软件的workbench模拟平台,对列车通过隧道产生的气动载荷作用在顶部单开口缓冲结构上的压应力变化进行模拟.研究结果表明:气动载荷所引起的结构附加应力作用明显.当行车速度为350 km/h时,附加应力可以达到80 kPa,而缓冲结构开口周围成为气动载荷附加应力集中区.对于双线隧道,近车壁面与远车壁面的附加压应力规律一致,但近车侧应力值要大于远车侧.与压力波在隧道内的传播特性类似,气动载荷所引起的附加压应力具有往复传播特征.另外,对顶部缓冲结构开口附近出现附加应力集中的原因进行了分析,确定缓冲结构形式是引起应力集中的决定因素.以上结论对隧道洞口缓冲结构的设计及安全巡查具有一定的指导意义.     

长编组高速列车的列车风动模型实验研究

列车风是高速列车运行时诱导产生的气流流动,是列车空气动力学重要的研究内容和保证列车运行安全的重要方面.本文利用缩尺比例为1:8的八编组高速列车模型进行了列车风的动模型实验,测试了明线运行状态下列车周围的流动参数,突破了短编组列车风动模型测试所带来的局限性.列车风系综平均曲线和标准差曲线说明:列车头部会引起稳定的列车风,...     

一种考虑虚拟质量力的井筒气液两相压力波色散经验模型

考虑虚拟质量力、管道特性、频率、空隙率等因素,建立气液双流体压力波速模型,结合小扰动理论,提出了一种新的考虑虚拟质量力的两相压力波色散经验模型,与前人气液两相流（12.5%空隙率）中波色散实验测试数据对比是一致的,且经验公式也可达到准确求解压力衰减系数的目的．对控压钻井两相压力波进行计算,结果表明：(1)随系统压力的增大,压力波衰减系数呈现减小趋势,随节流阀动作频率增大、温度增大,压力波衰减系数呈现增大趋势;(2)随空隙率增大,压力衰减呈现先增大后减小趋势,空隙率在8%≤φ≤40%区间,两相压力衰减系数存在最大峰值,当压力为0.2 MPa时,空隙率在19.5%时达到峰值2.78 dB/m;(3)在低频下,波色散主要受相间机械及热力学平衡机制的制约,波色散现象明显;在高频下,相间来不及进行动量及能量交换,气液状态达不到有序的状态,因而波色散现象不明显;(4)不考虑虚拟质量力,两相压力衰减系数呈现增大趋势,波色散现象显著性下降．     

高速列车头型长细比对气动噪声的影响

高速列车的头尾车外形对气动噪声具有重要的影响.工程实践中随着车速的增加,车辆头部越来越细长,日本高速磁悬浮列车实践中甚至出现了具有极端长细比的头部形状.本文以讨论头型长细比对列车气动噪声的影响规律为出发点,应用非线性声学求解器(NLAS)和FW-H声学比拟法的混合算法,在3种运行速度下对基于CRH380A高速列车头型概化的4种不同头型长细比的模型车的气动噪声进行了数值模拟.给出了不同头型长细比列车的流场特征、气动阻力和气动噪声.结果表明,列车的气动总阻力随头型长细比的增大而减小,且头型长细比对列车总气动阻力的影响随运行速度的增加而增强.而头型长细比对气动噪声的影响呈现出较为复杂的影响,并不存在单调的影响关系;综合考虑气动阻力和气动噪声,长细比最大的头型综合性能较优,但差异并不显著,因此在不考虑微气压波等因素的条件下,简单增加车头长细比并不一定能带来明显的气动噪声性能提升.     

混凝土保护层锈胀开裂过程分析的细观刚体弹簧元模型

建立了描述保护层锈胀开裂过程的细观刚体弹簧元模型(RBSM),获得了锈胀裂缝的扩展过程和保护层的力学响应。数值结果表明,锈胀裂缝开展过程与试验现象较为一致;混凝土采用弹性本构关系时,平均锈胀压力-径向位移曲线的斜率(模型刚度)与厚壁圆筒模型理论值接近;采用软化本构关系时,平均锈胀压力峰值与理论值接近,从而验证了本文模型的正确性。此外,探讨了保护层厚度和钢筋直径对锈胀过程力学响应的影响规律。结果表明,保护层厚度减小将导致峰值锈胀压力和径向位移降低;钢筋直径增大同样会导致峰值锈胀压力降低,对应的径向位移整体上呈现随钢筋直径增大而减小的趋势。