基于高速列车流线型区域界面属性的隧道压力波缓解方法

1.本发明涉及高速列车空气动力学技术领域，具体涉及一种基于高速列车流线型区域界面属性的隧道压力波缓解方法。


背景技术：

2.随着高速铁路的快速发展和高速列车运行速度的不断提高，列车/隧道耦合空气动力学效应日益突出.列车高速进入隧道产生的瞬变压力波在隧道内传播，到隧道出口处时，会产生强烈的爆破声，即气压爆波。隧道内传播的交变压力波作用在车体上，会引起车体结构疲劳，而传播至车内会直接影响旅客乘车舒适度；气压爆波会破坏隧道出口的环境，使隧道出口附近的居民受到噪声干扰、建筑物受到冲击。
3.现阶段，常在隧道口设置缓冲结构来缓解列车/隧道耦合空气动力学效应，但随着我国更高速度等级列车的研发，列车进入隧道产生的空气动力学效应愈发严重，现有隧道缓冲结构已不能高效缓解更高速度等级下列车通过隧道产生的气动效应。


技术实现要素：

4.本发明需要解决的技术问题是提供一种基于高速列车流线型区域界面属性的隧道压力波缓解方法，可缓解高速列车通过隧道而产生的压力波。
5.为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
6.基于高速列车流线型区域界面属性的隧道压力波缓解方法，通过改变高速列车流线型区域界面属性，实现高速列车的列车头部抽入气体于列车尾部吹出，来抑制初始压缩波/膨胀波，缓解列车/隧道耦合空气动力学效应。
7.优选的，所述通过改变高速列车流线型区域界面属性，实现高速列车的列车头部抽入气体于列车尾部吹出的具体方法为：在列车头部的流线型区域设置列车头部气孔和列车头部气孔风机，列车头部气孔与列车头部气孔风机连接；在列车尾部的流线型区域设置列车尾部气孔和列车尾部气孔风机，列车尾部气孔与列车尾部气孔风机连接；将列车头部气孔通过列车头部气孔风机抽风，列车尾部气孔通过列车尾部气孔风机吹风，列车头部气孔风机和列车尾部风机通过导流通道连接，以实现列车头部气孔抽入气体于列车尾部气孔吹出。
8.优选的，所述列车头部气孔和列车尾部气孔的投影均为矩形。
9.优选的，通过改变所述列车头部气孔和列车尾部气孔的气体流速v来改变气体流量，实现不同程度缓解列车/隧道耦合空气动力学效应。
10.优选的，通过改变所述列车头部气孔和列车尾部气孔的面积s来改变气体流量，实现不同程度缓解列车/隧道耦合空气动力学效应。
11.由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。
12.本发明通过改变高速列车头部和列车尾部流线型区域界面属性，实现列车头部抽入气体于列车尾部吹出，从而抑制初始压缩波/膨胀波，缓解列车/隧道耦合空气动力学效
应，满足了在既有高速列车的基础上，更高速度列车顺利安全地通过隧道这一需求。
附图说明
13.图1为本发明的结构示意图；
14.图2为时速600公里列车和隧道示意图；
15.图3为列车和隧道测点布置图；
16.图4为隧道中部和车体中部测点压力时程曲线及其马赫图；
17.图5为本发明的实施例1中一种列车头部气孔和列车尾部气孔布置侧视图；
18.图6为本发明的实施例1中一种列车头部气孔和列车尾部气孔布置俯视图；
19.图7为pmax、pmin和δp沿着列车和隧道的分布图；
20.图8为本发明的实施例3中一种列车头部气孔和列车尾部气孔布置侧视图；
21.图9为本发明的实施例3中一种列车头部气孔和列车尾部气孔布置俯视图。
22.其中：1.列车头部、2.列车头部气孔、3.列车头部气孔风机、4.导流通道、5.列车尾部气孔风机、6.列车尾部气孔、7.列车尾部。
具体实施方式
23.下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步详细说明。
24.一种基于高速列车流线型区域界面属性的隧道压力波缓解方法，为缓解隧道压力波，需分析隧道内压力波形成与传播机理，于是通过数值模拟分析了某crh型列车(采用动力分布式的高速电力动车组)穿越500m双线隧道时的空气动力学效应。
25.列车和隧道模型如图2所述，隧道横断面积100m2，阻塞比为0.11，列车采用3车编组，速度为600km/h，测点布置如图3所示，其中，(a)为列车；(b)为隧道。此处以隧道中央测点和车体表面中央测点p4为例，绘制马赫波图，分别对应图4中的ptu和ptr，其中，实线c为压缩波，虚线e为膨胀波；h\t实线分别为列车头/尾轨迹，ptu/ptr实线分别为隧道测点和列车测点轨迹。从图4ptu可知，车头进入隧道诱发形成初始压缩波(当高速列车驶入隧道时，车头前部的空气会受到挤压，使压力突然增大，从而产生初始压缩波)，并向隧道内部传播，造成隧道测点压力上升至ptu-max(图4
①
)，后车尾进入隧道产生的膨胀波经过测点，造成测点压力减小，后列车通过测点，尤其是车头通过，持续造成该处压力下降至ptu-min(图4
②③
)；因此，隧道内压力波幅值δptu由前述ptu-max与ptu-min共同决定。从图4ptr可知，车头进入隧道产生的初始压缩波对车身区域压力影响很小，车尾进入隧道形成的膨胀波(车尾进入隧道时，隧道入口被车体挤压的气体得以释放，形成膨胀波)以声速传播，追赶经过列车表面测点，造成该处压力下降(图4
④
)，持续一段时间后，到达隧道出口的初始压缩波的部分能量以膨胀波形式返回隧道，经过列车表面测点，继续造成压力下降至ptr-min(图4
⑤
)；因此，车体表面压力波幅值δptr是由初始压力与ptr-min共同决定。
26.通过上述分析，隧道壁面和车体表面压力波的峰值和幅值主要取决于初始压缩波和初始膨胀波，这两者分别是由列车头尾进入隧道引起的。列车周围压力场基本呈现车头正压、车尾负压分布，这是列车进入隧道诱发形成初始压缩波和膨胀波形成的原因。因此，本发明聚焦列车头尾压力场，通过利用车头吸气/车尾吹气的界面属性设置方法，减小此处压力，在压力波形成阶段，实现抑制隧道初始压缩波/膨胀波的目的，最终减少隧道内压力
波峰值。
27.基于此，本发明的实施例1提供一种列车/隧道耦合空气动力学效应缓解方法，提出于车头流线型区域设置吸气孔抑制初始压缩波，进而减缓隧道出口微气压波；于车尾流线型区域设置吹气孔，缓解由于车尾进入隧道形成的膨胀波，力求从机理上对隧道压力波进行缓解。
28.具体的，如图1所示，在高速列车的列车头部1的流线型区域设置列车头部气孔2和列车头部气孔风机3，列车头部气孔2与列车头部气孔风机3连接；在列车尾部7的流线型区域设置列车尾部气孔6和列车尾部气孔风机5，列车尾部气孔6与列车尾部气孔风机5连接；将列车头部气孔2通过列车头部气孔风机3抽风，实现吸气孔的设置，列车尾部气孔6通过列车尾部气孔风机5吹风，实现吹气孔的设置。列车头部气孔风机3和列车尾部风机5通过导流通道4连接，实现列车头部气孔2抽入气体于列车尾部气孔6吹出，从而抑制初始压缩波/膨胀波，缓解列车/隧道耦合空气动力学效应。
29.采用图2的列车隧道模型，测点布置如图3，列车速度不变，列车头部气孔2和列车尾部气孔6的投影均为矩形，一种列车头部气孔2和列车尾部气孔6的位置和尺寸如图5和图6所示。列车头部气孔2和列车尾部气孔6设置为质量流量出/入口属性，通过设置流量数值来模拟吹/吸气速度。设置列车头部气孔2和列车尾部气孔6的气体流速为10m/s，对应列车头部气孔2和列车尾部气孔6的气体总流量为320kg/s。最大压力波pmax、最小压力波pmin和压力波幅值δp沿着列车和隧道的分布如图7所示，其中，without代表原始列车；both代表布置气孔后的列车；(a)、(b)和(c)为pmax、pmin和δp沿着列车的分布；(d)、(e)和(f)为pmax、pmin和δp沿着隧道的分布；无标记实线代表原始模型，
□
代表车头、尾界面属性分别为抽气和吹气。
30.如图7(a)所示，车头抽气属性布置，车尾吹气属性布置明显增加了列车压力波正峰值。如图7(b)所示，车头抽气属性布置，车尾吹气属性布置明显减小了车体表面压力波负峰值，尤其是列车尾部，最高减幅40％，平均减幅28％左右。如图7(c)所示，车头抽气属性布置，车尾吹气属性布置明显减小了车身压力波幅值，减幅效果18％～24％。从图7(d)可知，车头抽气属性布置，车尾吹气属性布置明显降低了隧道壁面压力波正峰值，隧道出入口附近减幅15％，隧道中部减幅6％。隧道出入口减幅效果较优，这与车尾吹气使隧道内部压力波正峰值被恶化有关。从图7(e)可知，车头抽气属性布置，车尾吹气属性布置明显降低了隧道壁面压力波负峰值，隧道前半区域减幅在20％～25％，隧道后半区域减幅在6％～25％，隧道出口附近减幅较小，这与车尾吹气有关。从图7(f)可知，车头抽气属性布置、车尾吹气属性布置明显降低了隧道壁面压力波幅值，隧道前半区域减幅在12％～20％，隧道后半区域减幅7％～18％。
31.因此可以得出结论，通过改变列车流线型区域界面属性，在流线型区域设置气孔，实现高速列车的列车头部1抽入气体于列车尾部7吹出，可以降低列车/隧道压力波极值，抑制了车/隧耦合空气动力学效应。
32.实施例2
33.本发明的实施例2提供了列车头部气孔2和列车尾部气孔6(以下简称气孔)的气体流速v对车体表面以及隧道壁面压力幅值的影响，与实施例1不同的是改变了气孔的气体流速v，保持气孔的面积和布置位置不变，如图5和图6所示，其中，气体流速v的变化范围为5～
20m/s，变化梯度为5m/s，对应气孔的气体总流量分别为160kg/s、320kg/s、480kg/s、640kg/s。气孔的不同气体流速v对列车/隧道中央测点δp缓解效率的影响分别如表2-1和2-2所示，可知，当气孔的气体流速v位于0～10m/s时，测点δp缓解效率随着气体流速的增加而增加；当气孔的气体流速v位于10～20m/s时，δp缓解效率随着气体流速v增大而减小。隧道出口50m微气压波测点幅值随气体流速v的变化如表2-3，可知，气体流速v越大，微气压波缓解效果越好。
34.表2-1：气孔不同气体流速对列车中央测点δp的缓解效果
[0035][0036]
表2-2：气孔不同气体流速对隧道中央测点δp的缓解效果
[0037][0038]
表2-3：气孔不同气体流速对微气压波幅值的影响
[0039][0040]
实施例3
[0041]
本发明的实施例3提供了列车头部气孔2和列车尾部气孔6(以下简称气孔)的面积s对车体表面及隧道中央测点压力波幅值的影响，与实施例1不同的是改变了气孔的面积s，气孔的具体布置如图8和图9，保持气孔的气体流速v不变，为10m/s。工况设置如表3-1，气孔面积对列车/隧道中央测点δp缓解效率的影响分别如表3-2和3-3所示，可知，车体表面中央测点压力幅值缓解效率随着气孔面积增大而增大，隧道中央测点压力幅值缓解效率同样随气孔面积增大而增大，但当增大到14.42m2后，缓解效率趋于稳定。
[0042]
表3-1工况设置
[0043][0044]
表3-2不同气孔面积对列车中央测点δp的缓解效果
[0045][0046]
表3-3不同气孔面积对隧道中央测点δp的缓解效果
[0047]

技术特征：
1.基于高速列车流线型区域界面属性的隧道压力波缓解方法，其特征在于：通过改变高速列车流线型区域界面属性，实现高速列车的列车头部(1)抽入气体于列车尾部(7)吹出，来抑制初始压缩波/膨胀波，缓解列车/隧道耦合空气动力学效应。2.根据权利要求1所述的基于高速列车流线型区域界面属性的隧道压力波缓解方法，其特征在于：所述通过改变高速列车流线型区域界面属性，实现高速列车的列车头部(1)抽入气体于列车尾部(7)吹出的具体方法为：在列车头部(1)的流线型区域设置列车头部气孔(2)和列车头部气孔风机(3)，列车头部气孔(2)与列车头部气孔风机(3)连接；在列车尾部(7)的流线型区域设置列车尾部气孔(6)和列车尾部气孔风机(5)，列车尾部气孔(6)与列车尾部气孔风机(5)连接；列车头部气孔(2)通过列车头部气孔风机(3)抽风，列车尾部气孔(6)通过列车尾部气孔风机(5)吹风，列车头部气孔风机(3)和列车尾部气孔风机(5)通过导流通道(4)连接，以实现列车头部气孔(2)抽入气体于列车尾部气孔(6)吹出。3.根据权利要求2所述的基于高速列车流线型区域界面属性的隧道压力波缓解方法，其特征在于：所述列车头部气孔(2)和列车尾部气孔(6)的投影均为矩形。4.根据权利要求2所述的基于高速列车流线型区域界面属性的隧道压力波缓解方法，其特征在于：通过改变所述列车头部气孔(2)和列车尾部气孔(6)的气体流速v来改变气体流量，实现不同程度缓解列车/隧道耦合空气动力学效应。5.根据权利要求2所述的基于高速列车流线型区域界面属性的隧道压力波缓解方法，其特征在于：通过改变所述列车头部气孔(2)和列车尾部气孔(6)的面积s来改变气体流量，实现不同程度缓解列车/隧道耦合空气动力学效应。

技术总结
本发明公开了一种基于高速列车流线型区域界面属性的隧道压力波缓解方法，通过改变高速列车流线型区域界面属性，实现高速列车的列车头部抽入气体于列车尾部吹出，来抑制初始压缩波/膨胀波，缓解列车/隧道耦合空气动力学效应。本发明通过改变高速列车头部和列车尾部流线型区域界面属性，实现列车头部抽入气体于列车尾部吹出，从而抑制初始压缩波/膨胀波，缓解列车/隧道耦合空气动力学效应，满足了在既有高速列车的基础上，更高速度列车顺利安全地通过隧道这一需求。过隧道这一需求。过隧道这一需求。


技术研发人员：牛纪强 靳铠龙 张琳 李临冬 李鑫哲 杨旭锋
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：2023.07.04
技术公布日：2023/10/11