高速列车隧道气动效应计算
隧道结构列车穿行气动特征影响
隧道结构列车穿行气动特征影响摘要：高速列车在进入隧道时,车体在隧道内产生的压缩波和膨胀波使隧道内的空气压力发生交替变化,对车体及车外设施,施以不定周期、不定幅值的周期载荷,将对车体结构及零部件应力集中区域造成疲劳破坏.高速列车车体是典型的气密结构,由于车外流场造成的车内压力波动会影响旅客的乘坐舒适性.关键词：隧道；列车；模型1气体流动的控制方程若忽略流场中的能量变化,高速列车过隧道时的外流场可认为是有黏性、可压缩、绝热、非定常的三维湍流流场.其数学模型包括连续性方程、动量方程、气体状态方程、k方程和ε方程及μt、k、ε,3物理量之间的关系式,即构成了一组封闭的方程组,可以通过数值计算的方法求解,具体方程如下.连续性方程其中:v为气体的速度矢量;ρ为气体密度;Fb为作用在单位气体上的质量力;p为气体压力;μ为气体动力黏度;k为湍流脉动动能;ε为湍流动能耗散率;μt为湍流黏性系数;σk、σε、C1、C2、Cμ为经验常数;T为气体温度.2计算模型的建立2.1列车模型的简化和网格划分以CRH2型动车组为参考,所建模型进行如下简化:①列车长度缩短为两动一拖,即两节头车和一节中间车;②不考虑列车外部突出物;③不考虑底部结构,使列车底面和地面间形成一个狭缝(底部距地面距离设为0•2m),通过调整狭缝的间距等效模拟列车底部结构对流场的影响.采用六面体网格离散列车模型,其头车部分表面网格如图2所示.列车表面的网格尺寸与列车运动区域的网格尺寸基本一致,另外由于列车头尾的结构采用复杂的流线型单拱外形结构,对此处列车表面网格作了适当的加密.进风口在列车顶部,出风口在列车底部,为了获得较好的列车进、出风口的压力分布,风口所在位置的网格同样进行了适度的加密.2.2隧道的模型与计算域网格铁路隧道的实际建造结构主要由洞口、明洞、洞身及附属构筑物组成.本文保留了对整个车体外流场有重要影响的隧道基本特征,隧道模型主要简化如下:①保留洞门,省略洞口的仰坡、天沟、侧沟、水沟等结构;②保留洞身轮廓,简化为薄壁,忽略附属建筑物,忽略壁面表面粗糙度;③缩短隧道长度,取隧道长度为110m,包括列车在驶入隧道前及驶出隧道之后的距离,整个计算区域长度为330m.简化后的隧道为半圆柱形,其截面结构见图3.如图4所示,隧道洞口壁面采用六面体网格,隧道内将产生压缩波和膨胀波最为明显的部分进行网格加密,如隧道入口和出口位置;隧道内空气流场变化剧烈,对该区域进行适当的加密;同时,为了考虑边界层效应,在列车表面、隧道壁面及地面处划分10层边界层网格.以3种隧道入口的缓冲结构进行研究:线性缓冲结构、不连续型缓冲结构、抛物线型缓冲结构,其简化结构如图5所示.设定缓冲结构的长度与隧道内壁的直径比为2∶1.2.3边界条件列车过隧道的模拟计算中,基本的边界条件如下:①计算域的入口取第一类边界条件,压力为1标准大气压;②计算域的出口取第一类边界条件,2.4模型的测试与仿真过程的实现文献[10]设计了列车进入隧道的实验模型,包括列车模型发射系统、数据和影像采集系统.该模型以压缩空气为动力,将列车模型发射进入隧道模型,从而模拟列车通过隧道的真实过程.使用本文所建仿真模型,采用与上述实验模型相同的工况进行模拟,仿真结果与实验数据的对比如图6所示.可见,仿真结果与实测数据在变化趋势上基本一致,在相位上略有滞后,两者最高压力相差4%,最低压力相差5•2%,证明所建仿真模型可行.3结果分析3.1列车外表面压力变化如图7,列车进入隧道过程中隧道内压力变化的情况(时间步长为0•25s).当列车到达隧道入口时,车头处形成明显的压缩波.随着列车继续驶入隧道,压缩波的强度增大并沿隧道向前传播,而压缩波后方的空气则没有明显扰动,以一定的流速随列车向前流动.一段时间后,压缩波的强度会逐渐降低.以头车进风口处为例,列车进入隧道后,其压力变化如图8所示.比较列车以不同时速通过同一隧道时,可以发现几种工况下车体表面风口压力波动趋势一致,但车速越高,车体风口处的压力值越高.3.2添加缓冲结构的影响如图9、图10所示,当列车以300km/h的速度变化的剧烈程度.Fig.8Presschangeoflocomotivewindinletwithspeed分别通过无缓冲结构和有线性缓冲结构的隧道(阻塞比相同)时,在头车突入隧道入口的时间段内(时间20至30之间),列车过有缓冲结构的隧道时车体表面压力要明显比列车过不带缓冲结构的隧道时小.在中间车突入隧道入口的时间段内(时间步长25至35之间),列车过有缓冲结构的隧道时车体表面所受负压较小.可见在隧道洞口处修建缓冲结构能够减缓列车车头在突然驶入隧道入口时所产生的压缩波,降低压力.3.3缓冲结构形式的影响分别模拟列车以300km/h的速度通过具有抛物线型缓冲结构、线性缓冲结构、不连续型缓冲结构的隧道.如图11、图12所示,通过不同缓冲结构时,列车表面的压力变化趋势基本相同,但压力值的大小不同,分别按照抛物线型、线性、不连续性的顺序依次减小.例如,在第20时间步,列车通过抛物线缓冲结构时车头风口的压力为1000Pa,通过线性缓冲结构时该位置的压力为875Pa,而通过不连续缓冲结构时仅为750Pa.由此可知,3种缓冲结构都能减缓列车进入隧道时产生的压缩波,而不连续型缓冲结构的缓冲能力最强.3•4隧道阻塞比的影响隧道阻塞比为列车车体的断面积与隧道的断面积之比.以尾车进风口处压力为例,当列车以相同的时速在不同阻塞比的隧道内运行时,车体表面风口处的压力波动情况基本一致,但压力值随着隧道阻塞比的减小而减小,如图13所示.并且,压力值与阻塞比基本呈线性关系,阻塞比每降低0•02,压力降低150Pa.所以,减缓列车突入隧道产生的头部压缩波的另外一种方案是选取较大的隧道断面面积,减小阻塞比.4结论1)建立了高速列车穿行隧道的计算模型,并成功实现了列车穿行隧道过程的数值模拟,得出不同工况下车体表面风口处的压力波动,且压力波动随车速的提升而升高.2)在隧道洞口处设置缓冲机构,可以减缓车体突入隧道洞口时产生的压缩波,有效改善列车在隧道内的运行环境.3)不同的缓冲结构减缓列车在隧道内产生的压力波的程度不同,按照抛物线型、线性、不连续型的顺序依次增强.因此,可考虑采用抛物线型缓冲结构来缓解压力波的影响.4)隧道阻塞比是影响列车通过隧道时车体表面压力波动的重要因素,阻塞比越小,车体表面的压力值就越小.增大隧道断面积,即减小隧道阻塞比是改善列车在隧道内运行环境的另一重要措施.参考文献[1]周玉红，赵燕明，程崇国。
时速400公里高速铁路单列车通过隧道气动载荷数值模拟研究
时速400公里高速铁路单列车通过隧道气动载荷数值模拟研究时速400公里高速铁路单列车通过隧道气动载荷数值模拟研究引言:高速铁路作为一种重要的交通工具，具有速度快、效率高、安全性强等优点，已成为现代交通运输领域的重要组成部分。
随着高铁技术的不断发展，越来越多的高速铁路线路开始采用地下隧道的形式，以减少对周围环境的影响，并提高运行速度。
然而，在高速列车通过隧道时，由于空气动力学效应的存在，会在隧道内壁上产生气动载荷，对列车和隧道的结构安全性产生影响。
因此，本研究通过气动载荷数值模拟，对时速400公里高速铁路单列车通过隧道时的气动载荷进行研究，旨在提供有效的技术支持和理论指导，保障高铁运行的安全性和可靠性。
方法与过程:1.建立隧道与列车的三维模型：首先，根据实际情况，以某地区高速铁路隧道为例，采用计算机辅助设计软件将隧道、列车以及相关的地质环境等进行三维建模。
2.流场模拟及求解：基于计算流体动力学（CFD）理论及相关软件，对列车穿行隧道时的空气流动进行计算分析。
利用数值模拟方法对隧道内不同速度、不同列车类型的气动载荷进行模拟求解。
3.载荷特性分析：通过数值模拟得到的气动载荷数据，对列车在隧道内的气动载荷特性进行分析：包括载荷大小、分布规律、位置以及对隧道和列车的影响等。
结果分析：通过模拟计算，得出了时速400公里高速铁路单列车通过隧道时的气动载荷，具体分析如下：1.气动载荷大小分析：通过不同速度下列车穿行隧道的模拟计算，得到了不同速度下列车的气动载荷大小。
结果表明，随着速度的增加，气动载荷会逐渐增大，这对隧道和列车的结构安全性提出了更高的要求。
2.气动载荷分布规律分析：基于模拟计算结果，对隧道内壁上气动载荷的分布规律进行了分析。
结果显示，气动载荷主要集中分布在隧道下方的壁面上，且在列车通过时会出现明显的波动。
3.气动载荷对列车和隧道的影响：通过模拟计算结果，分析了气动载荷对列车和隧道结构的影响。
结果表明，较大的气动载荷会对列车稳定性产生较大影响，同时也会对隧道结构的稳定性和安全性造成威胁。
高速列车空气动力学性能计算和试验鉴定暂行规定
高速列车空气动力学性能计算和试验鉴定暂行规定目录1 范围 12 引用标准 13 列车空气动力学基本参数、符号及单位 14 列车空气动力性能、噪声参数说明及坐标系 15 列车外形及空气动力性能基本要求 16 声学要求 67 流场数值模拟计算 78 空气动力学试验 8附录A 列车空气动力学基本参数、符号及单位 (9)附录B 列车空气动力性能、噪声参数说明 (10)附录C 坐标系 (11)1 范围本《暂行规定》规定了高速列车空气动力计算、试验及评估鉴定的要求。
本《暂行规定》适用于标准轨距铁路线上营运速度为200km/h到350km/h范围内的高速客运列车；对最高营运速度低于200km/h的客运列车以及需要考虑空气动力性能问题的货运列车可参照使用。
2 引用标准下列标准包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。
在标准出版时，所示版本均为有效。
所有标准均会被修订，使用本标准的各方应探讨、使用下列标准最新版本的可能性。
GB1920－80 标准大气（30km以下部分）；GJB1179－91 高速风洞和低速风洞流场品质规范；《京沪高速铁路建设暂行规定》。
3 列车空气动力学基本参数、符号及单位本《暂行规定》所有参数均采用国际单位制。
计算、试验中用到的基本参数及计量单位见附录A。
4 列车空气动力性能、噪声参数说明及坐标系本《暂行规定》用于表示列车空气动力性能、噪声的参数及坐标系见附录B、附录C。
5 列车外形及空气动力性能基本要求5.1 列车外形基本要求5.1.1 列车空气动力性能主要取决于列车外形，应根据运行速度要求，结合生产工艺条件，合理设计满足空气动力性能要求的列车外形，同时需符合《高速铁路机车车辆限界技术条件》。
5.1.2 车体横截面形状应采用腰鼓形，或者采用折线形式的侧墙以圆弧与车顶和车底罩相连。
5.1.3 头部鼻锥下方应设置导流板，注意导流板形状的设计。
5.1.4 车体底部除转向架部位外，应设置全封闭底罩。
高速列车通过隧道气动效应仿真分析
区域产生了巨大的压力变化，这种变化称为 压力瞬变，在隧道内产生的剧烈空气压力波 动称为隧道压力波。隧道压力波由车头附近 区域产生的空气压缩波传递到出口后形成膨 胀波，其到达出口反射回又进行叠加，这样 在隧道内任何一点都有不同压力波的叠加， 如此形成了巨大压力变化。图 4 表示了列车 驶入隧道过程中其流场变化的主要特征。 1.4 压力计算断面设置
气流动是复杂的可压缩紊流流动，隧道内空气由于受到 有限空间壁面的限制，在列车进入的短时间内，其周围
压力入口边界
隧道外流场边界
interface 边界 Gy Gz Gx
压力出口边界
Train1 车体壁面
隧道壁面边界
图 3 隧道边界条件示意图
图 2 隧道计算域网格
1.3 初始条件和边界条件 在进行数值模拟仿真前，需要对模拟条件进行提前
本文以 CRH2 高速列车通过隧道工况为研究对象， 运用流体分析软件 Fluent 建立高速列车通过隧道时的列 车－隧道空气动力学仿真模型，仿真分析 CRH2 高速列 车以不同速度进入隧道时的气动效应。
1 列车-隧道气动力模型 1.1 列车模型
本文基于 CRH2 高速列车的特点，在建立列车模型 时对列车做如下简化与假定。
图 1 列车模型（单位：m ）
作者简介：占俊（1990—），男，硕士
现 代 城 市 轨 道 交 通 6 / 2019 MODERN URBAN TRANSIT 87
工程实践
高速列车通过隧道气动效应仿真分析
1.2 隧道计算域流场与网格划分 模 拟 计 算 过 程 中， 假 定 列 车 初 始 时 刻 距 离 隧 道
列车 （c）列车在隧道内运行
列车 （d）列车驶出隧道
图 4 列车通过隧道空气流场基本特征示意图
高速列车进入隧道后产生的空气动力学效应对隧道附属物影响是一个非常复杂的问题
高速列车进入隧道后产生的空气动力学效应对隧道附属物影响是一个非常复杂的问题，这种力学效应与隧道断面形式、洞口结构、隧道长度、隧道附属坑道设置情况、洞内附属物的位置和形状尺寸、洞口当时气象等众多因素有关，设计应该按照最不利组合考虑。
模拟计算研究结果表明，空气动力学效应引起的隧道附属物附加力是不可忽视的，这种冲击力是反复作用的，因此对附属物的影响比普通铁路隧道更为不利。
根据《高速铁路隧道空气动力学效应对隧道内附属物有关技术标准的研究》结果，不同工况下列车进洞对隧道附属物（如灯泡、密闭洞室门及其他空心设施）引起的附加压强可参照说明表8.4.7—1取值。
说明表8.4.7—1隧道内附属设施附加压强建议值
照说明表8.4.7—2和说明表8.4.7—取值。
时速600公里磁浮铁路隧道洞口缓冲结构气动效应初步研究
时速600公里磁浮铁路隧道洞口缓冲结构气动效应初步研究时速600公里磁浮铁路隧道洞口缓冲结构气动效应初步研究随着科技的不断发展，交通运输领域也在迅速发展。
高速、高效、低耗的交通方式成为人们的追求。
磁浮技术作为现代交通运输的一种新型方式，具有时速快、能耗低、环保等优势，被广泛应用于各地。
其中，磁浮铁路是磁浮技术中的一种重要应用。
由于磁浮列车在运行过程中会达到较高的速度，因此对于隧道洞口的缓冲结构设计需要注意相关的气动效应。
本文将初步研究时速600公里磁浮铁路隧道洞口缓冲结构的气动效应，旨在为相关工程建设提供参考和依据。
首先，我们需要了解隧道洞口缓冲结构的作用。
在磁浮铁路运行过程中，列车在接近隧道洞口时，需要有一定的减速缓冲措施，以确保列车安全平稳地进入隧道，同时减少对列车和结构的冲击和损伤。
而隧道洞口缓冲结构就起到了这样的作用。
然而，隧道洞口缓冲结构处于高速列车运行区域，与列车和周围环境之间存在着相对运动。
这种相对运动会导致气流的产生，进而产生气动效应。
而气动效应的大小将直接影响到列车和缓冲结构的稳定性和安全性。
为了对时速600公里磁浮铁路隧道洞口缓冲结构的气动效应进行研究，我们需要进行一系列的实验和计算。
首先，可以通过风洞实验来模拟高速列车通过隧道洞口时产生的气流。
风洞模型可以根据实际情况进行设计，并对不同情况下的气流效应进行测试和观察。
在进行实验时，需要考虑不同风速、不同列车速度、不同列车形状等因素对气动效应的影响。
通过对实验数据的分析，我们可以获得不同情况下的气动效应数据，从而评估和优化隧道洞口缓冲结构的设计。
除了实验，还可以借助计算机模拟技术对磁浮铁路隧道洞口缓冲结构的气动效应进行分析。
通过建立数值模型，可以模拟列车通过洞口时的气流情况，并对其进行计算。
通过对计算结果的分析，可以了解不同参数和条件对气动效应的影响。
综合实验和计算结果，我们可以对磁浮铁路隧道洞口缓冲结构的气动效应进行初步研究。
隧道通风计算公式
隧道通风计算公式一、气体扩散计算公式1. Fick定律：用于计算气体在隧道内的离散扩散，即气体浓度随时间和空间的变化情况。
J=D×∂C/∂x公式中，J表示气体的扩散通量，单位为mol/(m^2·s)，D表示气体的扩散系数，单位为m^2/s，C表示气体的浓度，单位为mol/m^3，x表示空间坐标，单位为m。
2.质量守恒方程：用于计算气体在隧道内的连续扩散，即气体浓度随时间、空间和流速的变化情况。
∂C/∂t+∂(uC)/∂x=∂(D∂C/∂x)/∂x公式中，C表示气体的浓度，t表示时间，x表示空间坐标，u表示气体的流速，D表示气体的扩散系数。
二、气流量计算公式1.简化（几何）公式：用于计算无压力差情况下气流的体积流量。
Q=A×v公式中，Q表示气流量，单位为m^3/s，A表示气流截面的面积，单位为m^2，v表示气流的速度，单位为m/s。
2.伯努利公式：用于计算有压力差情况下气流的体积流量。
Q=A×{(2(P1-P2))/ρ(1-(A2/A1)^2)}^0.5公式中，Q表示气流量，P1和P2表示不同位置的气体压力，单位为Pa，ρ表示气体的密度，单位为kg/m^3，A1和A2表示不同位置的气流截面面积，单位为m^2三、风机功率计算公式1.风机输入功率：用于计算风机输出风量所需的输入功率。
P=(Q×P)/(η×1000)公式中，P表示风机输入功率，单位为W，Q表示风机输出风量，单位为m^3/s，P表示风机对风量的压升，单位为Pa，η表示风机的效率。
上述公式只是通风计算中常用的一部分，具体计算还需要根据隧道的实际情况来确定参数和边界条件。
此外，还有一些特殊情况和补充公式需要考虑，例如隧道火灾时的烟气排放计算、风机系统的设计和布置等。
总之，隧道通风计算公式是根据气体扩散和气流传输原理推导出来的，用于预测隧道内空气流动和换气情况，确保隧道安全和舒适。
第二部分 高速铁路隧道(空气动力学)-ch
旌旗展开
吹起尘土 小树摇摆 电线有声 步行困难 折毁树枝 小损房屋 拔起树木 损毁普遍 摧毁巨大
小波峰顶破裂
小浪白沫波峰 中浪折沫峰群 大浪到个飞沫 破峰白沫成条 浪长高有浪花 浪峰倒卷 海浪翻滚咆哮 波峰全呈飞沫 海浪滔天
风力等级与风速对照表
3、作用在隧道衬砌或固定设备上的气动荷载 现场实测： 在遂渝铁路现场试验中测得的空气动力荷载最大值见下表。 不同车型空气动力荷载（遂渝铁路现场试验）
二、高速铁路隧道空气动力学
一、高速铁路的定义
定义之一： 1970年5月，日本在第71号法律《全国新干线铁路整备法》 中规定：“列车在主要区间能以200km/h以上速度运行的干线铁道称为
高速路”。
定义之二： 1985年5月，联合国欧洲经济委员会将高速铁路的列车最高 运行速度规定为：客运专线300km/h，客货混线250km/h。 定义之三： 1986年1月，国际铁路联盟秘书长勃莱认为，高速列车最高
四、高速铁路隧道设计关键技术 （一）、空气压力波动及相应的空气动力学问题
当列车进入隧道时，原来占据着空间的空气被排开。空气的粘性 以及隧道壁面和列车表面的摩阻作用使得被排开的空气不能像隧道外那 样及时、顺畅地沿列车两侧和上部形成绕流。于时，列车前方的空气受 压缩，列车后方则形成一定的负压。这就产生一个压力波动过程。这种 压力波动又以声速传播至隧道口，形成反射波，回传，叠加，产生一系 列复杂的空气动力学效应。
（三）、影响空气动力学效应的主要因素 影响隧道空气动力学效应的因素包括：
列车速度
隧道净空有效面积，以及
隧道长度、辅助道坑、道床型式、隧道壁面摩擦系数以及列车速度、 列车长度、车形、列车横断面积、列车表面磨擦系数等因素。研究表明， 在一条运营铁路线上的车型一定的情况下，隧道有效净空面积和列车速度 υ是对瞬变压力具有最大影响的因素。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
来源：作者： 发布时间：2015-07-27 阅读：313次
背景
高铁线路中隧道众多，隧道内空间狭小，列车隧道内的空气动力学效应不容忽视。高速列车以300km/h列车穿越隧道时产生瞬态冲击压力，其气压爆波对列车车体、隧道结构、人耳膜和周围建筑存在很大安全隐患，通过数值模拟研究隧道建筑设计（如隧道洞门等）来缓解气动效应具有重要意义。
结果
中南大学交通运输学院在天河二号系统上开展了高速列车气动数值计算，模拟了16车重联编组高速列车以300km/h车速在2公里隧道内交会等多个工况，网格数规模4000万以上。