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高速列车隧道运行车内外压力及车厢气密性研究

  国内图书分类号:U270.11,U271.91 密级:公开 国际图书分类号:629 高速列车隧道运行车内外压力及车厢气密性研究 申请学位级别工程硕士 张继业教授 二零一八 ClassifiedIndex: U270.11, U271.91 U.D.C: 629 Southwest Jiaotong University Master Degree Thesis STUDY AIRTIGHTNESS HIGH-SPEEDTRAINS RUNNING TUNNELGrade: 2015 Candidate: Luo Jie Academic Degree Applied EngineeringSpeciality: Transportation Engineering Supervisor: Prof. Zhang Jiye May.3, 2018 随着高速铁路的飞速发展,列车速度不断提高,随之而来的空气动力学问题也日益突出,对列车车体强度和车厢气密性设计提出了更高的要求。本文针对列车在隧道内运 行时的车内外压力及车厢气密性问题,利用数值仿真方法对其进行了研究,得到了以下 结果: 1.基于三维非定常可压缩的N-S 方程,采用商用软件ICEM CFD 分别建立了五种不 同编组(8 节、10 节、12 节、14 节、16 节)的高速列车在其最不利长度的隧道内等速 交会的滑移网格模型,并借助流体计算软件FLUENT 对气动性能进行了仿真计算。结果 表明:在 车编组到16 车编组范围内,除头车鼻尖位置和尾车外,列车其他位置的车 体表面压力幅值均随着编组数量的增加而增大。 2.对某型高速动车组8 节编组列车分别通过三种不同阻塞比的隧道时列车车体表面 的压力变化进行了计算分析。结果表明:除头车鼻尖外,车体其他位置处的表面压力幅 值均随着阻塞比的增大而单调增大。 3.根据实际列车车厢的构造,建立了简化的两空间静态泄压数学模型,并结合流体 力学基本原理推导了客室区域内外压差的变化与降压时间和当量泄漏面积的数学表达 式。采用试验和数值仿真的方法分别对理论公式进行了验证,结果表明该理论公式可以 应用于描述高速列车车厢内外压差的变化情况,并根据理论公式对仿真结果的拟合得到 修正系数为α=0.8。 4.基于车厢气密性指数与车内外压差及泄压时间关系的递推公式,得到不同车外压 力下车内压力变化的极限情况,并由此得到不同隧道工况下车厢最大当量泄漏面积的变 化规律。结果表明:当不同编组高速列车分别在隧道内等速交会时,中间车车厢最大当 量泄漏面积随着编组的增加而减小。当高速列车通过三种不同阻塞比的隧道时,中间车 车厢最大当量泄漏面积随着阻塞比的增大而减小。而且,对比相同车速下相同列车在隧 道内交会和单车通过可知,列车隧道交会比隧道单车通过对车厢的气密性要求高很多。 关键词:高速列车;计算流体力学;列车编组;隧道阻塞比;气密性 第II 西南交通大学硕士研究生学位论文Abstract rapiddevelopment highspeed railway, trainspeed continuousincreasing, correspondingaerodynamic problems have become increasingly prominent, higherrequirement putforward carbodystrength airtightness traincoach. airtightness high-speedtrains tunnelwere studied usingnumerical simulation method. follows:Firstly, based three-dimensionalunsteady compressibleN-S equation, three- dimensional sliding finite element models twoidentical high-speed trains passing each other uniformvelocity mostunfavorable tunnel under five different train formations (including eight, ten, twelve, fourteen sixteentrain formation) were built usingcommercial software ICEM CFD, respectively, correspondingaerodynamic performance usingCFD software FLUENT. resultsindicate betweeneight-section trainsurface pressure increasingtrain formation, except nose-tipposition headcar tailcar. Secondly, trainsurface pressure typicaleight-section high-speed EMU passing through tunnels threedifferent blockage ratios resultsindicate trainsurface pressure increasedmonotonously blockageratio, except nose-tipposition headcar. Thirdly, simplifiedstatic leakage numerical model builtbased actualstructure traincoach, theoreticalformula relationshipbetween internal-external pressure difference pressuredescending time equivalentleakage area deducedbased theoreticalformula usingtest method numericalsimulation method, respectively. resultsindicate theoreticalformula internal-externalpressure difference, correctionfactor α=0.8 numericalresult based theoreticalformula. Forthly, based airtightness index theoreticalformula relationshipbetween internal-externalpressure difference pressuredescending time, limiting cases internaltrain pressure under different external train pressure 第III 西南交通大学硕士研究生学位论文conditions were obtained, changetrend maximumequivalent leakage area differenttunnel conditions. resultsindicate maximumequivalent leakage area middletrain coach increasingtrain formation twoidentical high-speed trains passing each other uniformvelocity maximumequivalent leakage area middletrain coach blockageratio high-speedtrain alone passing through tunnels threedifferent blockage ratios. Furthermore, high-speedtrain alone passing through twoidentical high-speed trains passing each other uniformvelocity airtightness twoidentical high-speed trains passing each other uniformvelocity significantlyhigher than high-speedtrain alone passing through tunnel.Key words:High speed train; computational fluid dynamics; train formation; tunnel blockage ratio; air tightness 第IV 1.1研究背景 1.2国内外研究现状 1.2.1列车隧道运行研究现状 1.2.2列车车厢气密性研究现状 1.3研究意义 1.4本文主要研究内容 2.1流体控制方程 2.1.1连续性方程 2.1.2运动方程 2.1.3能量方程 2.2湍流计算方法 2.3本章小结 103.1 数值计算模型 103.1.1 几何模型 103.1.2 计算区域 123.1.3 网格划分及边界条件 133.1.4 测点布置 143.2 典型工况车体外表面压力分析 163.2.1 头车表面压力 173.2.2 中间车表面压力 183.2.3 尾车表面压力 213.3 同一列车不同车厢外表面压力对比分析................................................................... 23 3.4 不同编组列车车体外表面典型位置压力对比分析 293.5 本章小结 384.1 数值计算模型 384.1.1 几何模型 384.1.2 计算区域 394.1.3 网格划分、边界条件及测点布置..................................................................... 39 4.2 典型工况车体表面压力分析 404.2.1 头车表面压力 414.2.2 中间车表面压力 424.2.3 尾车表面压力 464.3 列车隧道通过过程不同车厢外表面压力对比分析 484.4 隧道内列车单车通过时车体表面典型位置压力与阻塞比的关系 524.5 本章小结 605.1 理论依据 605.2 数学模型建立 605.3 模型验证 645.3.1 数值仿线 数学模型理论验证.............................................................................................. 66 5.4 本章小结 706.1 车内压力计算 706.2 不同编组列车隧道交会车内压力与当量泄漏面积的关系分析 716.2.1 同一列车不同车厢最大当量泄漏面积变化规律分析 716.2.2 最大当量泄漏面积最值随动车组编组数量的变化规律 776.3 阻塞比对列车隧道通过时车内压力与车厢当量泄漏面积的影响 786.3.1 同一列车不同车厢当量泄漏面积变化规律分析............................................ 78 6.3.2 最大当量泄漏面积与隧道阻塞比的关系 816.4 本章小结 82总结与展望 84致谢................................................................................................................................................ 86 第VI 西南交通大学硕士研究生学位论文参考文献 87攻读硕士期间发表的论文及参加的科研项目 绪论1.1 研究背景 铁路作为一种重要的公共交通工具,在人类社会发展中起到了至关重要的作用。十 九世纪初期,在英国诞生了世界上最早的铁路,直到 1964 年,在日本才诞生了世界上 第一条高速铁路,之后法国和德国等也开展了高速铁路的研究。作为国民经济发展的动 脉,高速铁路有着显著的优势,例如方便高效、运载量大、耗能低等。 相较于日本、德国等高速铁路发达国家,我国高速铁路发展起步较晚。直到2002 才诞生了我国第一条高速铁路——秦沈客运专线km/h。从此,我国正式拉开了高速铁路飞速建设的序幕,并于 2004 年批准了我国第一个高速铁路规 划——《中长期铁路网规划》,其详细阐述了我国路网规划的总体部署。此外,国内一些 学者也开展了路网规划的研究工作 。2007年,我国铁路开始了第六次提速,吹响了大 力建设高速铁路的号角,并于同年投入运行了中国高速动车组,其运营速度可以达到 200~250 km/h。2008 年,国家发展改革委对《中长期铁路网规划》做出了调整,提出了 “四纵四横”的高速铁路客运专线建设目标,并于同年投入运营了京津城际铁路,这是我 国第一条时速350 公里的高速铁路。2009 年,随着我国另一条时速350 公里的高速铁路 ——京港高速铁路武广段的投入运营,我国逐渐进入了高速铁路建设先进国家行列。 2010 年,郑西高铁投入运营,其时速同样达到了 350 公里。2012 年,世界上第一条穿 越高寒冻土区域的高速铁路——哈大高速铁路也实现了开通运营,彰显了中国高速铁路 建设的实力。2016 月,我国正式出版发行了《中长期铁路网规划》,并提出在“四纵四横”的高速铁路客运专线建设目标基础上,充分利用既有铁路,逐步建成“八纵八横”的 中国高速铁路网。同月,中国标准动车组(CR400AF CR400BF)在郑州至徐州高速铁路段完成了综合试验,并成功实现了世界上第一次速度420 km/h 的交会和重联运行, 且其拥有我国完全自主知识产权,在我国高速铁路发展上具有里程碑的意义。 高速铁路虽然给人们的生活带来了极大便利,但随着高速列车的不断提速,引起的 列车空气动力学问题也变得日益突出,并成为高速列车进一步提速的重要限制。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 列车隧道运行研究现状 随着世界上第一条铁路线的开通,铁路隧道压力波的研究也由此开始。随着列车速 度的不断提高,国内外学者也陆续开展了大量的压力波的系统研究。其中,现场试验 和数值仿真是研究压力波的两种主要手段,这些研究为设计隧道相关参数、确保车体的气密性和强度以及预防耳感不适等问题提供了空气动力学的理论基础和技术支持 [4-7] 现场试验大致可以分为实车试验和模型车试验两种方式,试验结果可用来验证数值仿真方法的准确度和精度。通过隧道时,压力波的形成及传播特性可以通过实车试验来 测定,测定的结果可用于定性研究。 实车试验方面,Seo [8-9]针对高速列车过隧道引起的气动载荷压力波进行了现场试 验,分析得到了高速列车过隧道时压力波的传播规律,并在此基础上提出了压力波频率 以及幅值的预测方法。Holmes [10-12]通过理论计算与实车试验相结合的方法研究了高 速列车与货车在不等速交会以及静止交会两种工况下的列车表面压力和受力情况。此外, 我国一些研究学者通过对比分析国内外高速铁路压力舒适度相关标准,搜集整理了我国 各型动车组压力变化的试验数据,并结合乘客舒适度的调研结果,提出了适用于我国铁 路车辆压力舒适度的指标以及一些提高列车密封性和舒适度的建议 [13-15] 实车试验具有精度高的优点,但其成本高且耗时长。模型车试验克服了上述缺点,可以用来研究模型车在模型隧道内的流动特性,也方便改变车和隧道的几何参数。瑞士 的流体力学实验室在2001 年已经建立了HISTR 实验平台,采用比例为1:10 的非对称机 车模型,最高试验速度可达到500 km/h,测试区域长度为250 [16]。英国机车研究所于 2003 年建立的1:25 的比例模型的最高启动速度可以达到305 km/h [17] 。2005 年,日本铁 路技术研究中心建造了比例介于1:50 到1:100 的实验平台,模型车的试验速度可以达到 550 km/h [18] 。2009 年,王英学等利用西南交通大学建立的高速列车模型试验平台进行了 模型车试验,对缓冲设施、减压竖井降低压缩波峰值和压力梯度峰值的效果进行了测试 分析 [19] 相较于实车和模型车试验,数值仿真方法可以对动车组运行时的各种现象和指标进行量化,并在高速列车过隧道引起的压力波分析中得到了大量应用。王潇芹等 [20] 基于一 维可压缩非定常不等熵流动模型和广义黎曼变量特征线法,针对高速列车单车通过隧道 和两列车隧道交会两种工况,分析了列车各个位置的压力波形成过程,并在此基础上给 出了相同编组下不同车厢车内压力和车内外压差的变化规律,以及列车编组(8 节和16 节编组)对车厢车内压力和车内外压差的影响。结果表明:列车隧道交会产生的压力波 变化相较于单车过隧道更加剧烈,16 节编组下的车厢车内压力和车内外压差整体高于8 [21]基于一维可压缩不等熵非定常流动模型,开展了单车通过简单 结构特长复线隧道内时的压力波特性的研究。结果表明:高速列车通过特长隧道时车内 西南交通大学硕士研究生学位论文外最大正压值基本保持不变,但其相应的最大负压值相差较大。 考虑到高速列车过隧道时的流场计算十分复杂,且上述一维模型无法模拟列车车头 形状对隧道内压缩波以及会车压力波的影响,并随着计算机技术的迅速发展,国内外研 究学者更倾向于采用三维模型进行仿线] 基于k-ε 两方程湍流模型建立 了高速列车过隧道的三维模型,分析了高速列车通过不同断面形式的隧道时,隧道内的 缓冲结构对隧道内外气动效应的影响。王英学等 [23] 仿真分析了列车过有通风竖井的隧道 时的压力波变化特性,结果表明:通风竖井的存在使得隧道内压力波的衰减率显著增大。 [24]基于k-ε 两方程湍流模型分别建立了高速列车在隧道内和明线上交会的三维 模型,讨论了高速列车在列车速度350km/h 隧道交会和明线交会两种工况下车体表面压 力以及气动荷载的变化。结果表明:高速列车明线交会引起的车体表面压力显著小于高 速列车隧道交会引起的车体表面压力。李人宪等 [25] 以三维、非稳态、粘性雷诺时均方程 两方程湍流模型为基础,仿真分析了五种车速下明线和长隧道内等速会车的动态过程。结果表明:长隧道内会车时交会侧侧窗的气动负压峰值相较于明线会车情况大了 将近一倍。梅元贵等 [26] 借助有限体积方法,针对高速列车隧道内等速和不等速交会两种 工况进行了仿真分析。结果表明:等速交会时隧道中央的交会压力变化幅值最大,不等 速交会时高速列车车体正压峰值和负压峰值均随低速列车速度的减小而减小,但低速列 车比高速列车的正压峰值大。Hermanns [27]利用边界元法,针对高速列车静止交会、等 速交会和不等速交会三种工况进行了仿真模拟,得到了列车表面压力和气动载荷的变化 规律。Adami [29]分别对 ICE 列车过隧道和 Etr500 列车过隧道进行了 仿真分析,并分别得到了隧道压力波和压力梯度的变化规律。Tielkes [30]基于建立的高 速列车过隧道三维模型,讨论了隧道长度对压力波的影响。结果表明:不同隧道横截面 下,压力波幅值随着隧道长度的增加而减小。 高速列车过隧道时,如果列车速度保持一定,那么阻塞比便是影响空气动力学效应 的主要因素。当列车外形确定的前提下,阻塞比就取决于隧道断面的大小,由于隧道断 面每扩大一点,其工程造价就会翻升几倍,因此研究列车在不同隧道断面的隧道内运行 时车身周围的空气压力变化规律是十分必要的。 王英学等 [31] 借助模型试验方法,针对高速列车过隧道时引起的空气压力波动进行了 分析研究,得到了隧道出口微气压波与阻塞比的理论关系,并确定了其最大值与阻塞比 成幂指数函数关系。周晓等 [32] 基于三维非定常可压缩的 N-S 方程和 双方程湍流模型,仿真得到了真空管道系统内列车空气阻力与阻塞比的关系。 西南交通大学硕士研究生学位论文综上可知,三维模型仿真计算成本高,但是得到的数据可以表示流动变量的分配, 所以这种方法大多用来研究列车鼻尖进入隧道入口产生的压缩波或列车车体表面压力 分配的情况 [33-34] 。由于列车车型众多,因此大多数的数值仿真都采用三维模型。但对于 长径比很大的列车通过隧道时,一维流动模型同样可以达到精度要求。 1.2.2 列车车厢气密性研究现状 列车气密性通常包括整车的气密性和各部件的气密性,且各部件的气密性要求高于

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