单线铁路隧道内热湿环境模拟

论文摘要

高速铁路是现代化铁路的重要标志。由于列车散热使得铁路隧道内空气温度升高,高速度、高密度列车运行会引起铁路隧道内热湿环境的进一步恶化,特别是对于特长铁路隧道,由于热量累积会使得隧道内空气温度较高。隧道热湿环境的恶化对列车安全运行及设备的可靠性带来一定的影响,隧道内热湿环境的模拟研究对铁路发展具有重要意义。本文为博士点基金项目《特长高速铁路隧道空气热湿环境模拟与控制方法》的研究内容,重点考虑了隧道围岩渗流和外界气温、竖井等因素对隧道内空气温度的影响,建立和完善了单线铁路隧道内空气温度的非稳态模拟计算物理模型和数学模型,研究了数值计算方法。采用网络法对多竖井隧道内空气流速进行求解,采用有限体积法对热湿控制方程进行离散,用Matlab工具编写隧道内空气温度模拟计算程序,对列车经过隧道时隧道内空气流速和热湿环境进行模拟计算。分别在不同的渗流作用系数时对单线铁路隧道内空气温度进行模拟计算,分析渗流对隧道内空气温度和围岩温度的影响,研究表明,渗流对于铁路隧道内空气温度具有较大的影响,在隧道内热湿环境模拟中模拟计算中不能忽略渗流的影响。外界温度恒定时,渗流对隧道内空气温度的影响作用取决于隧道内空气温度和壁面温度的大小渗流对隧道围岩温度场的作用为减缓围岩温度偏离围岩初始温度场的变化趋势。对于夏季最热月隧道内空气温度预测采用了三种计算温度：①建筑物通风计算温度；②近20年最热月月平均温度的平均值；③逐时典型气象参数。对隧道内空气温度进行模拟,分析夏季最热月不同计算温度下隧道内空气温度分布规律；采用夏季近20年最热月平均温度的平均值作为外界计算温度时,隧道内空气温度的最大值与逐时计算时隧道出口温度比较吻合,可以较为准确的预测出隧道内空气温度的最高值。采用全年逐时典型气象参数对隧道内空气温度进行全年工况模拟,分析全年隧道内空气温度及围岩温度变化规律。此外,对于多竖井隧道内空气温度分布规律进行了分析,分别研究不同外界气温、列车速度、竖井位置等因素下多竖井隧道内空气温度变化规律,得出了些结论。通过关于隧道内空气温度的模型和计算方法的研究,分析对比得出了不同影响因素对隧道空气温度的影响规律,为隧道内空气温度的预测奠定了基础,为隧道通风设计提供参考依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 国内外研究现状及问题的提出
• 1.3 研究内容
• 1.4 研究方法
• 第2章 隧道空气流动数学模型和计算方法
• 2.1 隧道空气流动数学模型
• 2.1.1 单线无竖井隧道内列车通过时活塞风计算
• 2.1.2 单线无竖井隧道射流纵向式通风下空气流速计算
• 2.1.3 多竖井隧道通风网络空气流速计算
• 2.2 数值计算方法
• 2.3 本章小结
• 第3章 隧道内热湿环境模型和计算方法
• 3.1 隧道内热湿环境的形成机理
• 3.2 物理模型
• 3.2.1 隧道内温度、湿度模型
• 3.2.2 隧道内壁及围岩温度场的模型
• 3.2.3 隧道内行驶列车车体温度场的模型
• 3.3 数学模型
• 3.3.1 空气温度方程
• 3.3.2 空气湿度方程
• 3.3.3 隧道围岩温度方程
• 3.3.4 列车车体温度方程
• 3.3.5 边界条件
• 3.4 数值计算方法及流程图
• 3.4.1 隧道内空气温度方程的离散
• 3.4.2 隧道内空气中水蒸汽含量计算方程的离散
• 3.4.3 围岩温度方程离散
• 3.4.4 列车车体温度方程离散
• 3.4.5 计算工具及程序流程图
• 3.5 基本参数的取值
• 3.5.1 隧道围岩参数
• 3.5.2 外界气象参数
• 3.5.3 时间步长和节点间距的选取
• 3.5.4 空气和隧道壁面之间的对流换热系数
• 3.5.5 空气和列车之问的对流换热系数
• 3.6 验证及说明
• 3.6.1 隧道内空气流速计算的验证
• 3.6.2 隧道围岩温度场计算模型验证
• 3.6.3 隧道内热湿环境模拟计算说明
• 3.7 本章小结
• 第4章 渗流对隧道内空气和围岩温度的影响
• 4.1 外界大气温度高于隧道围岩初始温度
• 4.1.1 渗流对隧道内空气温度分布的影响
• 4.1.2 渗流对隧道出口空气温度的影响
• 4.1.3 对围岩温度分布的影响
• 4.2 外界大气温度低于隧道围岩初始温度
• 4.2.1 渗流对隧道内空气温度分布的影响
• 4.2.2 渗流对隧道出口空气温度的影响
• 4.2.3 渗流对围岩温度分布的影响
• 4.3 本章小结
• 第5章 不同气象参数下隧道内空气温度模拟
• 5.1 不同计算温度下夏季最热月隧道内空气温度模拟
• 5.1.1 不同外界计算气象参数对比
• 5.1.2 不同外界计算温度对隧道内空气温度分布影响分析
• 5.1.3 不同外界计算温度对隧道内最高空气温度的影响分析
• 5.2 隧道内空气温度全年工况模拟计算
• 5.2.1 全年不同月份隧道内空气温度分布
• 5.2.2 隧道出口空气温度随时间变化
• 5.2.3 隧道围岩温度随时间变化
• 5.3 本章小结
• 第6章 有竖井的隧道内空气温度模拟
• 6.1 具有竖井的隧道内空气流速模拟计算
• 6.2 不同外界气温下多竖井隧道内空气温度模拟
• 6.2.1 外界温度低于隧道围岩初始温度
• 6.2.2 外界温度高于隧道围岩初始温度
• 6.3 竖井位置对隧道内空气温度的影响
• 6.4 列车速度对隧道内空气温度的影响
• 6.5 本章小结
• 结论
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果
• 参考文献