高速列車經過隧道後的微壓波計算方法
2023-07-01 05:22:56
專利名稱：：高速列車經過隧道後的微壓波計算方法
技術領域：
：本發明屬於列車高速通過隧道，特別是長隧道所產生的微壓波對環境的影響測定領域，具體地涉及一種精簡、高效的用於高速列車經過隧道後的微壓波計算方法。
背景技術：
：我國鐵路正處於跨越式發展的重要時期，既有鐵路幹線經第六次大範圍提速後，客運列車最高運營速度達250km/h，例如京津客運專線最高運營速度達350km/h，同時，多條運行更高速度的客運專線開始動工，預計2010年左右建成，將運行380km/h等級速度的高速列車。而我國是一個多山的國家，線路上隧道多達5000多座，隨著列車運行速度大幅度提高，高速列車進出隧道產生的空氣動力效應，必然會對旅客的舒適性，對隧道周圍的環境造成影響，特別對於隧道出口附近，列車高速通過隧道產生的微壓波對周圍環境的的影響更為突出，引起越來越多的關注。隧道出口微氣壓波的數值模擬方法主要有一維算法和三維數值模擬方法，一維算法具有算法簡單、效率高等特點，不足之處是無法精確模擬列車進出隧道口所產生的三維效應，另外也無法精確模擬豎井和帶天窗的緩衝結構對隧道空氣動力效應的影響；三維數值模擬方法，一般採用模擬三維可壓縮非定常雷諾平均N-S方程，並結合滑移網格技術對隧道微氣壓波進行直接模擬，該方法的特點是可以直接模擬列車和隧道內的細節結構，列車進出隧道的三維效應等，缺點是對於長大隧道和隧道群的出口微壓波的模擬存在相當大的困難計算網格規模太大，計算周期太長，只能在大中型工作站上求解。另外，現有技術中仍然沒有很好的方法來模擬列車過彎隧道的過程，也無法對彎隧道出口微壓波進行評估。而列車經過隧道變截面段會產生新的膨脹波和壓縮波，並且進隧道口產生的壓縮波和膨脹波也會在傳播過程中，經過隧道壁面反射而改變傳播方向，使隧道內的流場更為複雜。彎隧道和相同長度和面積直隧道的微壓波具有不同的特性。而由於地形的限制，很多隧道中存在彎道；另外，高速鐵路穿越城市人口密集區修建的地下隧道也普遍存在由地表進入地下的過渡彎道。因此，工程設計中迫切需要新方法來研究彎隧道出口微壓波。
發明內容0005]本發明提供了一種很好地解決了長大隧道和隧道群三維計算網格規模太大，計算周期太長等問題的高速列車經過隧道後的微壓波計算方法，其採用動網格技術，將流場分為若干區域，根據微壓波的形成機理，只計算包含第一道壓縮波和膨脹波的區域及其波前的區域，對隧道出口微壓波進行了數值模擬。同時，也為彎隧道出口微壓波的計算提供了新方法。本發明所採用的技術方案如下高速列車經過隧道後的微壓波計算方法，其特徵在於所述微壓波計算方法包括採用動網格，將隧道的流場分為多個區域，對包含第一道壓縮波和膨脹波的區域及該壓縮波和膨脹波前的區域進行計算，模擬得到隧道出口的微壓波數值。具體的講，所述微壓波計算方法進一步包括將隧道的流場分為多個計算區域，其中一第一區域包括隧道入口區域和部分隧道，對該第一區域採用動網格模擬列車進入隧道過程。所述部分隧道的長度滿足如下條件該長度可使列車尾部完全進入隧道，並且車尾產生的膨脹波到達第一區域和相鄰第二區域的公關邊界時，車頭離公關邊界的距離以滿足網格重構的要求。所述第一區域的動網格在膨脹波進入相鄰的一第二區域後不再進行計算。上述微壓波計算方法中所述隧道包括長隧道和彎隧道。當列車駛入隧道瞬間，由於空氣的壓縮性及列車壁和隧道壁限制了空氣側向流動和向上流動的空間，使緊貼在列車車頭前面的空氣受到壓縮並隨列車向前流動，造成列車前方的空氣壓力突然升高，產生壓縮波。隨著列車的進一步駛入隧道，環狀空間長度逐步增大，使列車前隧道空間的空氣壓力繼續升高，即壓縮波的強度繼續增大，直到列車全部進入隧道為止。該壓縮波以近似音速的速度向前傳播。壓縮波前方的空氣流速為零，而壓縮波後方的空氣則以一定的流速隨著列車向前流動。壓縮波傳播到隧道出口後，一部分壓縮波以膨脹波形式被反射回隧道，另一部分則以微氣壓波的形式向隧道出口空間擴散。列車進入隧道形成的壓力波不僅引起車廂內壓力的變化，而且在壓縮波由隧道口作為衝擊波穿出時，會形成噪聲，作為微氣壓波向周圍傳播。根據隧道出口微氣壓波的形成機理，微氣壓波主要是由列車進入隧道口時，產生的第一道壓縮波，並衝出隧道口時產生的脈衝波，該壓縮波的形成經歷兩個過程，其一是列車頭部進入隧道口產生的第一道壓縮波，該波使波後面的壓力迅速增加，因此波形比較陡，其二是列車進入隧道後，列車繼續壓縮其前面的空氣，使壓力緩慢增加，因此波形比較平緩，壓縮波波後空氣的溫度增加，因此，波的傳播速度也增加，後面的壓縮波會趕上前面的壓縮波，並使其強度變大，波形變陡。這種情況直到列車車尾進入隧道口，產生第一道膨脹波，並超過列車頭部為止，其後，列車在隧道內的壓縮波和膨脹波再也趕不上前面的波。因此，本發明在計算微壓波的時，只計算第一道膨脹波和其前面的區域即可以準確地模擬微壓波。對於長隧道，計算區域可以分為若干區域，其中第一區域包括隧道入口流域和部分隧道，該第一區域採用動網格模擬列車進入隧道過程，其包含的隧道的長度，要使列車尾部完全進入隧道，並且車尾產生的膨脹波到達第一區域和相鄰的第二區域的公關邊界時，車頭離公關邊界有足夠長的距離，該長度滿足網格重構的要求。另外，該第一區域由於列車的存在，網格比較密，其網格數目在總網格數中佔相當大的比例，這部分網格在膨脹波進入第二區域後不再進行計算，不但可以大幅減少網格數目，而且此時不再需要網格重構，也可節約大量時間，壓縮波和膨脹波在比較均勻的結構網格中傳播，每一時間步流場的變化只限於很小的局部區域，收斂的過程大幅加快，以上三個因素，大大加快了計算過程。本發明的有益效果在於，該高速列車經過隧道後的微壓波計算方法很好地解決了長大隧道和隧道群三維計算網格規模太大，計算周期太長等問題，其採用動網格技術，將流場分為若干區域，根據微壓波的形成機理，只計算包含第一道壓縮波和膨脹波的區域及其波前的區域，對隧道出口微壓波進行了數值模擬。同時，也為彎隧道出口微壓波的計算提供4了新方法。下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步的闡述。圖1為本發明具體實施方式中隧道出口10m處的微壓波比較圖；圖2為本發明具體實施方式中隧道出口20m處的微壓波比較具體實施例方式列車在隧道內運行，隧道內的空氣的流動會受到隧道壁面限制，即使馬赫數沒有達到0.3，仍然必須考慮壓縮性的影響；以列車的寬度為特徵長度，列車周圍流場雷諾數Re>106，處於湍流狀態，以此，高速列車在隧道內運行時，其周圍的流場為三維、可壓縮湍流流場，邊界運動著的任意控制體上的流場控制方程可以寫成如下統一形式formulaseeoriginaldocumentpage5式中，Ug為控制體的界面運動速度，小=1、U、e、k、e時，方程(1)分別表示質量方程、動量方程、能量方程、湍動能方程和湍動能耗散率。r$為廣義擴散係數，S$為廣義源項。此外，還應該補充理想氣體狀態方程，並滿足動網格所需要的幾何守恆率(GeometricConservationLaw):formulaseeoriginaldocumentpage5本發明基於上述方程，對高速列車經過隧道後的微壓波進行計算，其採用動網格，將隧道的流場分為多個區域，僅對包含第一道壓縮波和膨脹波的區域及該壓縮波和膨脹波前的區域計算，並模擬得到隧道出口的微壓波數值。其將隧道的流場分為多個計算區域，其中第一區域為隧道入口區域和部分隧道，對該第一區域採用動網格模擬列車進入隧道過程。該部分隧道的長度滿足使列車尾部完全進入隧道，並且車尾產生的膨脹波到達第一區域和相鄰第二區域的公關邊界時，車頭離公關邊界的距離以滿足網格重構的要求。其中第一區域的動網格在膨脹波進入相鄰的一第二區域後不再進行計算。運用上述方法對遂渝線進行隧道口微壓波的實車測試研究，測試列車為8車編組，長度為200m，運行速度200km/h。隧道長987m，斷面積為48m2，板式道床。則根據第一區域的計算要求，可通過微壓波傳播速度、列車長度計算出第一區域的設定長度。現將試驗結果與本文的計算相對比，對比結果見表l。從該表可以看出，對於離隧道出口10m和20m處的微壓波幅值，計算所得的值稍小於實車試驗測得的微壓波幅值，兩者相差在7%以內。圖l和圖2為微壓波的波形比較圖，兩者所得到的波形基本相同。由此表明本文所採用的計算模型和計算方法是正確的，計算結果可信。表1隧道出口微氣壓波幅值比較tableseeoriginaldocumentpage6利用本發明對長隧道微壓波進行計算，隧道長度10km，隧道截面面積100m2，阻塞比為11.2%，動車組運行速度250km/h。隧道前部帶有開6個天窗的緩衝結構和3個沿隧道長度方向不同位置布置的豎井，豎井面積為隧道淨空面積的30%。如下表2為使用同一4CPU計算機平行計算，網格分布基本相當的情況下，動網格方法、滑移網格方法和本文所採用方法所花費的計算時間，從該表可以看出全部採用傳統動網格計算需要的時間最長，滑移網格方法次之，本發明所採用方法的方法耗時最少，約為動網格方法的1/6，滑移網格的1/3。表2計算時間和微壓波幅值比較表tableseeoriginaldocumentpage6由上述具體實施方式可知，本發明採用採用動網格和隧道分區域計算方法，通過和實車試驗結果的比較，證明該方法有效可行。從長隧道的計算實施例可以看出，本發明不僅能保持傳統三維算法模擬隧道出入口的三維效應，而且顯著地提高了計算效率，與次同時，也為研究彎隧道對微壓波的影響提供了新的研究方法。權利要求高速列車經過隧道後的微壓波計算方法，其特徵在於所述微壓波計算方法包括採用動網格，將隧道的流場分為多個區域，對包含第一道壓縮波和膨脹波的區域及該壓縮波和膨脹波前的區域進行計算，模擬得到隧道出口的微壓波數值。2.根據權利要求1所述的高速列車經過隧道後的微壓波計算方法，其特徵在於所述微壓波計算方法進一步包括將隧道的流場分為多個計算區域，其中一第一區域包括隧道入口區域和部分隧道，對該第一區域採用動網格模擬列車進入隧道過程。3.根據權利要求2所述的高速列車經過隧道後的微壓波計算方法，其特徵在於所述部分隧道的長度滿足如下條件該長度可使列車尾部完全進入隧道，並且車尾產生的膨脹波到達第一區域和相鄰第二區域的公關邊界時，車頭離公關邊界的距離以滿足網格重構的要求。4.根據權利要求2所述的高速列車經過隧道後的微壓波計算方法，其特徵在於所述第一區域的動網格在膨脹波進入相鄰的一第二區域後不再進行計算。5.根據權利要求1所述的高速列車經過隧道後的微壓波計算方法，其特徵在於所述隧道包括長隧道和彎隧道。全文摘要高速列車經過隧道後的微壓波計算方法，其特徵在於所述微壓波計算方法包括採用動網格，將隧道的流場分為多個區域，對包含第一道壓縮波和膨脹波的區域及該壓縮波和膨脹波前的區域計算，模擬得到隧道出口的微壓波數值。該高速列車經過隧道後的微壓波計算方法很好地解決了長大隧道和隧道群三維計算網格規模太大，計算周期太長等問題，其採用動網格技術，將流場分為若干區域，根據微壓波的形成機理，只計算包含第一道壓縮波和膨脹波的區域及其波前的區域，對隧道出口微壓波進行了數值模擬。同時，也為彎隧道出口微壓波的計算提供了新方法。文檔編號G06F17/50GK101697173SQ20091018032公開日2010年4月21日申請日期2009年10月26日優先權日2009年10月26日發明者劉堂紅,張健,李志偉,楊明智,熊小慧,田紅旗,高廣軍申請人:中南大學;