开口型缓冲结构减缓高速磁浮列车驶入隧道时洞内外压力波动特性研究

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高速列车驶入隧道时,一方面在车头处形成初始压缩波,初始压缩波以当地声速向隧道出口传播,压缩波传播到隧道出口时,一部分在隧道出口处以脉冲波的形式辐射到洞外,该脉冲波称为微压波,微压波峰值与列车速度3次方成正相关关系;另外一方面在隧道入口附近能观测到直接由隧道入口端辐射出的低频脉冲波,该脉冲波称为隧道进口波,隧道进口波峰值也与列车速度3次方成正相关关系。微压波和隧道进口波性质一样,都属于次声波范畴,会对隧道洞口附近建筑物的环境产生严重影响。高速磁浮列车速度达到600 km/h时,其带来空气动力学问题会更加严峻,当铁路运营时速从300 km/h提高到600 km/h,对于同样的隧道断面和列车,洞口微气压波和隧道进口波约为原来的8倍,如何减缓并采取措施解决隧道内空气动力学效应,是高速磁悬浮铁路隧道必须解决的根本问题。目前,关于微压波和隧道进口波减缓措施主要有两大方面,其一从列车方面来说,可以优化头型设计;其二从隧道方面来说,在隧道入口处安装缓冲结构。本文主要研究在隧道入口处安装缓冲结构来减缓空气动力学效应。本文基于三维、非定常、可压缩流动的雷诺平均N-S方程和SST k-?两方程湍流流动模型,采用重叠网格技术,模拟列车与缓冲结构、隧道之间的相对运动。通过与日本旋成体列车动模型试验的验证,验证了网格划分方法和数值计算方法的正确性和合理性。本文以净空面积140 m2的高速磁浮隧道与中国高速磁浮列车模型为研究对象,模拟了磁浮列车驶入不开孔型缓冲结构和开孔型缓冲结构产生的初始压缩波、进口波情况,揭示了初始压缩波、进口波形成机理以及变化特征并且分析了缓冲结构开孔对初始压缩波、进口波减缓作用,主要得出以下结论:(1)当磁浮列车头车横截面积变化率最大处进入缓冲结构时产生的压缩波传播至隧道内压力监控点时产生的压力梯度最大。(2)磁浮列车头车鼻尖进入缓冲结构时产生初始压缩波,传播3.75倍Lno距离(60m)后,初始压缩波从“三维波”变成“一维平面波”。(3)开孔型缓冲结构下的初始压缩波的压力梯度峰值较不开孔型缓冲结构减缓作用明显,高达67.13%,取得压力梯度峰值时刻也比不开孔型缓冲结构延迟20.44%;在压缩波最大值方面,开孔型缓冲结构比不开孔型缓冲结构增大了5.68%。(4)车头进入缓冲结构时产生负压力脉冲,车尾进入缓冲结构时产生正压力脉冲;进口波具有指向性和衰减性,并且进口波峰值与径向距离成反比;进口波在双线隧道上呈现着非对称特性。(5)关于缓冲结构开孔对进口波的影响效果,位于明线区间段的监控点,不受到缓冲结构开孔的影响,开孔型缓冲结构和不开孔型缓冲结构下压力波动基本一致;位于缓冲结构入口上方处监控点,开孔型缓冲结构进口波负峰值比不开孔型缓冲结构降低了41.2%50.8%,开孔型缓冲结构进口波正峰值比不开孔型缓冲结构降低了44.4%62.1%;位于缓冲结构上方处监控点,开孔型缓冲结构进口波负峰值比不开孔型缓冲结构降低了50%57.7%,开孔型缓冲结构进口波正峰值比不开孔型缓冲结构降低了78%98.5%。
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