论文摘要
高速列车交通技术是地面高速交通技术中极为重要的组成部分。随着列车速度的不断提高,高速列车的空气动力学的研究成为不容忽视的重要课题。高速列车空气动力学问题包括明线空气动力学问题和隧道空气动力学问题两大类。列车在穿越隧道过程中所遇到的空气动力学问题常常比明线上遇到的空气动力学问题剧烈和严重,所以对隧道空气动力学的研究极为重要。隧道空气动力学的研究成果为高速铁路-列车系统的研发和评估审核提供重要的理论支持。高速列车穿越隧道问题的数值模拟研究国内外已发展出多种研究方法。该问题的流场是复杂的三维流场,应用三维数值模拟比较能够准确地达到模拟要求,以精确描绘流场。但列车是庞大、细长的物体,研究对象中的隧道一些情况下其长度更为可观,在这样的情况下,考虑到研究效率,以及在隧道和列车长度远大于隧道水力直径的情况下对列车-隧道系统作一维假定有较高的精确度,对列车-隧道问题进行一维数值模拟研究就成为一个重要的研究手段。随着人类对高速交通的需求不断提高,磁浮列车技术作为一项极具发展潜力的地面高速交通技术,受到各国研究者的重视。作为一种具有极高地面速度的交通工具,磁浮列车的空气动力学的研究成为不容忽视的重要课题。本文由对磁浮列车的隧道空气动力学的研究而发展了高速列车穿越隧道问题的一维数值模拟方法。在数值求解的方法上,打破了以往研究人员使用特征线法求解一维列车-隧道问题的传统,本文使用有限体积法求解含面积变化的带源项的广义一维Euler方程,避免了特征线法在边界处理上的困难,增强了模型的灵活可变性,能够求解较复杂结构的隧道问题。本文建立了隧道-列车系统的一维变流通截面、非定常、可压缩、不等熵流模型,对物理参数稍作更改后可用于计算激波管,通过Sod激波管典型算例验证了模型和计算程序的可靠性。在上述研究的基础上,本文对Patchway隧道试验和磁浮列车单列列车穿越隧道作了数值模拟,分析了单列高速列车穿越隧道过程中隧道内流场的气动特性,对影响流场压力分布和变化的各种因素进行了分析讨论,总结流场随列车和隧道的各个物理参数变化的规律。对列车穿越隧道过程中的压力波的产生、传播、反射、叠加和耗减进行了详细分析和探讨。由于高速列车穿越隧道问题本身是复杂的三维流场问题,具有复杂的三维特性,因此,为能更好地掌握高速列车隧道空气动力学特性,有待进行较全面的三维数值模拟研究。最后,本文对磁浮列车隧道内会车作了一维数值模拟,分别对均匀截面隧道内会车情形和非均匀截面隧道内会车情形作了数值模拟。将隧道内会车的流场压力的计算结果与单列列车穿越隧道的情形作了比较,得出结论:隧道会车并不能由两个单列车穿越隧道的流场叠加求解,而是更为复杂的流场问题,并且隧道内会车的压力波问题较之同车速的单列列车穿越隧道的压力波问题要严重得多。对均匀截面隧道内不同位置会车的情形做了比较,隧道中心点会车的情形流场压力波问题最严重。计算了含有暗埋段、工作井的隧道内TR08型磁浮列车隧道内会车的情形,与同等长度的均匀截面隧道相比,增加了工作井和暗埋段的隧道压力波峰值有所削减;与去除暗埋段、工作井的均匀截面隧道相比,增加了工作井和暗埋段的隧道流场压力较复杂,需要经过计算才能判断压力变化情况。本文的工作成功应用于国家重大专项国产化磁浮列车的安全评估工作中。
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标签：磁浮列车论文; 高速列车论文; 隧道空气动力学论文; 变截面论文; 非定常论文; 有限体积论文; 一维数值模拟论文;