隧道长度对高速列车交会压力波的影响研究.pdf

中国科学: 技术科学 2012 年 第42 卷 第1 期: 82 ~ 90 SCIENCE CHINA PRESS 论 文 隧道长度对高速列车交会压力波的影响研究 ①* ② ① ③ 王一伟 , 杨国伟 , 黄晨光 , 王伟 ① 中国科学院力学研究所水动力学与海洋工程重点实验室, 北京 100190; ② 中国科学院力学研究所高温气体动力学重点实验室, 北京 100190; ③ 中国科学院力学研究所, 北京 100190 * E-mail: wangyw@ 收稿日期: 2010-12-23; 接受日期: 2011-06-29 国家科技支撑计划(批准号: 2009BAG12A03)和国家重点基础研究发展计划(“973”)(批准号: 2011CB71100)资助项目 摘要 高速列车隧道交会空气压力波的幅值对于车体结构及气密强度设计有非常重要的意 关键词 义. 我国的工程条件下需要对该工况对应的最不利隧道长度以及隧道长度对列车表面压力变 隧道交会 化幅度的影响进行估计. 本文通过理论分析研究了隧道压力波的形成和峰值影响因素, 推导了 空气压力波 隧道长度 压力极值对应的最不利隧道长度关于列车长度、运行马赫数的表达式. 同时研究了隧道长度对最 数值模拟 大负压值变化趋势的影响, 并得出了负压极值快速变化所对应的临界长度区间. 随后建立了二维 的隧道交会数值模拟方法, 并对典型工况下不同长度隧道内的列车交会进行了计算, 其结果很好 的验证了理论分析的预测表达式, 证明前述表达式能够有效地应用于实际工程设计当中. 1 引言 十几公里的一个较大范围内[4], 列车在不同长度隧道 内运行时压力波变化会有较大差别, 列车进行车体 当今, 高速列车的速度可与轻型飞机巡航速度 设计时, 难以对线路中所有隧道均进行分析. 因此在 和喷气式飞机的起飞速度相当, 与其相关的空气动 我国现有线路条件下, 寻找最不利隧道长度与列车 力学问题不容忽视[1~3]. 除了明线常规运行工况, 还 长度、速度等变量的关系, 并研究隧道长度对交会压 要面临明线交会、隧道行车和交会等一系列特殊工况. 力波的影响, 能够为列车设计提供较为统一的设计 在这些工况中, 列车的气动性能较之明线状态有明 标准, 对于列车运行安全评估、车体设计等都有非常 显改变, 受力情况显著恶化. 特别是两列车在隧道内 重要的意义. 但由于实际关注问题的差异, 国外学者 交会时, 各自的头尾都会在进入隧道时形成压力波, [5] [6] 对于此方面研究较少, 国内田红旗 、梅元贵 等学 再加上两车交会时引发的交会压力波干扰, 各种波 者在各自专著中给出了定性的结论, 王建宇等人[7]研 在隧道内不断的传播反射并相互叠加, 形成复杂而 究分析了压力波传播、反射和叠加过滤, 并提出了单 又强烈的压力波动. 线隧道相应于压力变化不同情况的“最不利隧道长 因此对于列车的车体设