本發(fā)明涉及隧道壓縮波，具體為一種模擬不同列車入隧工況產(chǎn)生符合工程實(shí)際壓縮波的研究方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，隨著我國高速鐵路技術(shù)的快速發(fā)展。我國多山的地貌特征導(dǎo)致隧道開鑿數(shù)量隨著線路鋪設(shè)量而上升。當(dāng)列車高速駛?cè)脒@些隧道時(shí)，類似于活塞在管道內(nèi)快速移動(dòng)，會形成初始壓縮波，如圖1所示。初始壓縮波會在隧道內(nèi)不斷傳播和反射，使得隧道內(nèi)部壓力發(fā)生劇烈變化，這些交變載荷會車體、隧道等其他附屬結(jié)構(gòu)造成潛在影響，如大的行車阻力、墻體疲勞損害，墻皮碎片墜落等，并影響列車內(nèi)部環(huán)境以至于乘客感到不適。另一方面，初始壓縮波會從隧道出口向外輻射，誘導(dǎo)微氣壓波的生成，微氣壓波主要以次聲波形式出現(xiàn)，且與人體器官、建筑物的振動(dòng)頻率接近，極易帶來潛在危害，在極端情況下，隧道出口還會出現(xiàn)令人不快的音爆現(xiàn)象。隨著世界各國列車速度不斷向前推進(jìn)，以至于車隧耦合引發(fā)的問題愈發(fā)嚴(yán)重，如何緩解初始壓縮波和微氣壓波是空氣動(dòng)力學(xué)一個(gè)持續(xù)的研究熱點(diǎn)。

2、研究列車/隧道耦合空氣動(dòng)力學(xué)的方法，主要包括理論計(jì)算，數(shù)值模擬，實(shí)車測試和基于不同原理的模型實(shí)驗(yàn)。

3、理論分析能夠?qū)栴}提供一定理解和一般性結(jié)論，但通常需要做出相應(yīng)的簡化和假設(shè)?；谝痪S流動(dòng)理論的特征法(moc)仍被用于求解壓力波，這種方法因其計(jì)算資源消耗較少，尤其適用于長隧道工況。然而，對于不可忽視的三維效應(yīng)，如在研究隧道通風(fēng)井和支井時(shí)需要引入補(bǔ)償修正項(xiàng)。

4、近年來隨著計(jì)算機(jī)性能的大幅提升，三維計(jì)算流體力學(xué)方法(cfd)被廣泛應(yīng)用，它在研究緩沖結(jié)構(gòu)、車速、車頭形狀等方面有著具有很強(qiáng)的便捷性，其主要基于滑移網(wǎng)格和重疊網(wǎng)格技術(shù)以模擬列車與隧道相互運(yùn)動(dòng)，但是數(shù)值計(jì)算結(jié)果通常對網(wǎng)格劃分質(zhì)量和流動(dòng)模型選取有著較高的敏感度。

5、憑借著更貼合工程實(shí)際的直接測量，實(shí)車測試的結(jié)果往往具有較強(qiáng)說服力。然而，這種方法的應(yīng)用常受限于惡劣的測試環(huán)境和高昂的成本等，且通常為了避免對車體的破壞，測試不宜布置大量的測點(diǎn)，致使現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)相對較少。因此，它通常被用于驗(yàn)證對于一類方法的準(zhǔn)確性。

6、因此，利用運(yùn)動(dòng)相似性和流動(dòng)相似原理，縮比模型裝置被廣泛研究和應(yīng)用以模擬高速列車過隧道的壓力波動(dòng)規(guī)律。列車/隧道耦合的一個(gè)關(guān)鍵是壓縮波的產(chǎn)生、傳播和輻射帶來的壓力變化，區(qū)別于傳統(tǒng)的動(dòng)模型裝置，本發(fā)明研究的壓縮波發(fā)生裝置簡化了列車突入隧道的過程，其基于波前傳播速度遠(yuǎn)大于車速的原理，利用壓差關(guān)系產(chǎn)生一個(gè)與車頭擠壓空氣具有相同特征的初始壓縮波，且可以不受任何限制地研究其傳播和輻射。此外，通過調(diào)節(jié)裝置的各個(gè)變量，可以將生成的波形與多種實(shí)車入隧工況下生成的波形相映射。相較于傳統(tǒng)的動(dòng)模型裝置，壓縮波發(fā)生裝置更加聚焦研究主體，確保后續(xù)初始壓縮波在隧道內(nèi)傳播以及隧道出口處微氣壓波的研究持續(xù)進(jìn)行。本發(fā)明研究結(jié)果將為未來減小微氣壓波，特別是在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面提供新思路。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決目前研究隧道空氣動(dòng)力學(xué)方法準(zhǔn)確性差、成本高、操作復(fù)雜的問題，本發(fā)明簡化了車輛入隧過程，采用可產(chǎn)生符合工程實(shí)際的壓縮波發(fā)生裝置，通過該裝置的四個(gè)參數(shù)：高壓腔初始壓力、電磁閥開啟電壓、開啟數(shù)量和開啟順序，可分別映射列車入隧速度、列車流線型長度、車隧阻塞比和典型隧道入口緩沖結(jié)構(gòu)，可用來模擬不同的列車入隧工況。

2、本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、一種模擬不同列車入隧工況產(chǎn)生符合工程實(shí)際壓縮波的研究方法，建立隧道壓縮波的模擬發(fā)生裝置，包括空氣壓縮機(jī)、高壓腔、數(shù)顯壓力表、聚氨酯管、電磁閥、法蘭端蓋、模擬隧道、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)；所述空氣壓縮機(jī)與高壓腔一端連接，所述高壓腔上安裝數(shù)顯壓力表，所述模擬隧道一端安裝法蘭端蓋，所述模擬隧道內(nèi)前部安裝壓力傳感器，多根聚氨酯管一端與高壓腔連接、另一端連接于法蘭端蓋上，每根聚氨酯管上安裝有電磁閥，所有電磁閥作為一個(gè)電磁閥組，該電磁閥組帶有plc控制功能，允許電磁閥組在開啟時(shí)有不同的電壓、數(shù)量和順序。

4、在實(shí)驗(yàn)開始前，模擬隧道內(nèi)進(jìn)行靜態(tài)氣密性試驗(yàn)，保證模擬隧道內(nèi)具有良好的氣密性；實(shí)驗(yàn)時(shí)，電磁閥組保持關(guān)閉，依據(jù)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)通過空氣壓縮機(jī)向高壓腔充入預(yù)設(shè)初始壓力，即準(zhǔn)備進(jìn)入模擬隧道前的壓力；其次，依據(jù)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)設(shè)置各個(gè)電磁閥的開啟電壓、數(shù)量和先后順序；之后，開啟電磁閥控制高壓腔內(nèi)高壓氣體釋放；最后，通過壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集儀來測量和采集模擬隧道初始壓縮波的壓力變化。

5、通過隧道壓縮波的模擬發(fā)生裝置的四個(gè)參數(shù)：高壓腔初始壓力、電磁閥開啟電壓、開啟數(shù)量和開啟順序，分別映射列車以不同速度進(jìn)入隧道、不同流線型長度的列車進(jìn)入隧道、列車進(jìn)入不同橫截面積的隧道、列車進(jìn)入典型入口緩沖結(jié)構(gòu)的隧道，模擬不同的列車入隧工況，具體如下：

6、ⅰ、高壓腔初始壓力映射模擬列車以不同速度進(jìn)入隧道的實(shí)驗(yàn)步驟如下：

7、1.1、保持高壓腔和模擬隧道中間的電磁閥組保持關(guān)閉，啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)，向高壓腔腔室內(nèi)充氣，高壓腔上部的數(shù)顯壓力表實(shí)時(shí)顯示腔室內(nèi)壓力狀態(tài)，當(dāng)高壓腔腔室內(nèi)壓力分別達(dá)到穩(wěn)定的預(yù)設(shè)值，即初始壓力p0，切斷空氣壓縮機(jī)供氣；

8、1.2、高壓腔空氣釋放過程如下：通過直流電源向電磁閥供電，并保持電磁閥開啟策略不變，即開啟電壓u0、開啟數(shù)量n0、開啟順序保持一致，電磁閥受到電磁力后閥芯開啟，高壓空氣通過聚氨酯管進(jìn)入到模擬隧道內(nèi)；

9、1.3、高壓空氣推動(dòng)模擬隧道內(nèi)靜止空氣向前運(yùn)動(dòng)，模擬隧道內(nèi)空氣受到擠壓，其壓強(qiáng)瞬間升高，形成隧道初始壓縮波，該初始壓縮波以聲速向前傳播，其經(jīng)過的地方使得壓力迅速上升；通過在模擬隧道壁面上布置壓力傳感器獲得初始壓縮波形狀，即壓力隨時(shí)間變化情況；

10、1.4、通過將壓力傳感器測得的壓力信號進(jìn)行濾波降噪處理，在不同的初始壓力p0下生成初始壓縮波曲線，即模擬隧道內(nèi)初始壓縮波形狀；

11、1.5、為探明高壓腔初始壓力p0和列車速度vt的關(guān)系，對高壓腔初始壓力p0的工程價(jià)值進(jìn)行間接驗(yàn)證；

12、將不同高壓腔初始壓力下生成的初始壓縮波的壓力幅值pmax帶入公式(1)、公式(2)、公式(3)，以獲得對應(yīng)的列車速度vt；

13、

14、式中：γ為氣體比熱比；p*為環(huán)境參考壓力；m和β分別為馬赫數(shù)和阻塞比，由式(2)和式(3)求得；

15、

16、其中，c為聲速，at和at分別為列車和隧道的橫截面積；

17、1.6、根據(jù)不同高壓腔初始壓力p0時(shí)的壓力幅值pmax獲得的vt，進(jìn)一步得到高壓腔初始壓力p0與列車速度vt的關(guān)系，計(jì)算出不同高壓腔初始壓力下生成的壓縮波的壓力幅值，和對應(yīng)上述計(jì)算得到的理論列車速度，表明高壓腔的初始壓力能夠映射到列車速度；

18、1.7、通過初始壓縮波上升段的最大壓力梯度gmax的角度進(jìn)行分析，將最大壓力梯度與公式(4)進(jìn)行比較；

19、

20、其中，ln是列車的流線型長度，pmax為不同高壓腔初始壓力下生成的初始壓縮波的壓力幅值，gmax為不同高壓腔初始壓力下生成的初始壓縮波上升段的最大壓力梯度，vt為不同高壓腔初始壓力下生成的初始壓縮波通過計(jì)算得到的理論車速；給定一個(gè)ln定值，意味著不同高壓腔初始壓力下獲得的壓縮波壓力幅值pmax和理論車速vt，通過公式(4)計(jì)算得到不同高壓腔初始壓力下獲得的壓縮波的理論的最大壓力梯度gmax，而實(shí)驗(yàn)值為初始壓縮波曲線直接一階求導(dǎo)獲得的梯度最大值；理論值和實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對比，表明上述轉(zhuǎn)化映射的可行性或準(zhǔn)確性。

21、ⅱ、電磁閥開啟策略-電磁閥開啟電壓映射模擬不同流線型長度的列車進(jìn)入隧道的實(shí)驗(yàn)步驟如下：

22、2.1、保持高壓腔和隧道模型中間的電磁閥組保持關(guān)閉，啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)，向高壓腔腔室內(nèi)充氣，高壓腔上部的數(shù)顯壓力表實(shí)時(shí)顯示腔室內(nèi)壓力狀態(tài)，當(dāng)高壓腔腔室內(nèi)壓力達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的預(yù)設(shè)值，即初始壓力p0，切斷空氣壓縮機(jī)供氣；

23、2.2、高壓腔空氣釋放過程如下：通過直流電源向電磁閥供電，保持電磁閥的開啟個(gè)數(shù)不變和同步開啟，增大電磁閥開啟電壓u0，電磁閥受到電磁力后閥芯開啟，高壓空氣通過聚氨酯管進(jìn)入到模擬隧道內(nèi)；

24、2.3、高壓空氣推動(dòng)模擬隧道內(nèi)靜止空氣向前運(yùn)動(dòng)，模擬隧道內(nèi)空氣受到擠壓，其壓強(qiáng)瞬間升高，形成隧道初始壓縮波，該初始壓縮波以聲速向前傳播，其經(jīng)過的地方使得壓力迅速上升；通過在模擬隧道壁面上布置壓力傳感器獲得初始壓縮波形狀，即壓力隨時(shí)間變化情況；

25、2.4、通過將壓力傳感器測得的壓力信號進(jìn)行濾波降噪處理，分別給出不同電磁閥開啟電壓u0下生成的初始壓縮波曲線，即隧道內(nèi)初始壓縮波形狀；在電磁閥開啟后，初始壓縮波在壓力幅值保持不變的基礎(chǔ)上，最大壓力梯度逐漸變大，這能夠比擬車頭更短的列車進(jìn)入隧道時(shí)的情況；

26、2.5、為說明電磁閥開啟電壓u0和理論車頭流線型長度ln的關(guān)系，對電磁閥開啟電壓u0的工程價(jià)值進(jìn)行間接驗(yàn)證；

27、將不同電磁閥開啟電壓u0下生成的初始壓縮波的最大壓力梯度值gmax帶入公式(4)，以獲得對應(yīng)的理論車頭流線型長度ln；

28、

29、其中，pmax和vt為高壓腔初始壓力p0下生成的初始壓縮波的壓力幅值和轉(zhuǎn)化的理論速度；通過不同電磁閥開啟電壓下獲得的初始壓縮波的最大壓力梯度計(jì)算得到不同的車頭流線型長度ln；

30、2.6、根據(jù)不同電磁閥開啟電壓u0時(shí)的最大壓力梯度gmax獲得的ln，進(jìn)一步得到電磁閥開啟電壓u0與車頭流線型長度ln的關(guān)系，通過對電磁閥開啟電壓u0與車頭流線型長度ln進(jìn)行曲線擬合，表明電磁閥開啟電壓能夠映射到車頭流線型長度。

31、ⅲ、電磁閥開啟策略-電磁閥開啟個(gè)數(shù)映射模擬列車進(jìn)入不同橫截面積的隧道的實(shí)驗(yàn)步驟如下：

32、3.1、保持高壓腔和隧道模型中間的電磁閥組關(guān)閉，啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)，向高壓腔腔室內(nèi)充氣，高壓腔上部的數(shù)顯壓力表實(shí)時(shí)顯示腔室內(nèi)壓力狀態(tài)，當(dāng)高壓腔腔室內(nèi)壓力達(dá)到穩(wěn)定的預(yù)設(shè)值，即初始壓力p0，切斷空氣壓縮機(jī)供氣；

33、3.2、高壓腔空氣釋放過程如下：通過直流電源向電磁閥供電，保持電磁閥的開啟電壓u0不變和同步開啟，依次增大電磁閥開啟數(shù)量，電磁閥受到電磁力后閥芯開啟，高壓空氣通過聚氨酯管進(jìn)入到模擬隧道內(nèi)；

34、3.3、高壓空氣推動(dòng)模擬隧道內(nèi)靜止空氣向前運(yùn)動(dòng)，模擬隧道內(nèi)空氣受到擠壓，其壓強(qiáng)瞬間升高，形成隧道初始壓縮波，該初始壓縮波以聲速向前傳播，其經(jīng)過的地方使得壓力迅速上升；通過在模擬隧道壁面上布置壓力傳感器獲得初始壓縮波形狀，即壓力隨時(shí)間變化情況；

35、3.4、通過將壓力傳感器測得的壓力信號進(jìn)行濾波降噪處理，分別給出不同的電磁閥開啟個(gè)數(shù)n0下生成的初始壓縮波曲線；增大電磁閥的開啟數(shù)量，在電磁閥開啟后，初始壓縮波在壓縮波長度保持不變的基礎(chǔ)上，壓力幅值和壓力梯度值變大，這能夠比擬列車進(jìn)入具有不同橫截面積的隧道時(shí)引起的波面形狀；

36、3.5、為進(jìn)一步說明電磁閥開啟數(shù)量n0和理論車隧阻塞比β的關(guān)系，對電磁閥開啟數(shù)量n0的工程價(jià)值進(jìn)行間接驗(yàn)證；

37、將不同電磁閥開啟數(shù)量n0下生成的初始壓縮波的壓力幅值pmax帶入公式(1)，以獲得對應(yīng)的理論車頭流線型長度ln；

38、

39、式中：γ為氣體比熱比；p*為環(huán)境參考壓力；m和β分別為馬赫數(shù)和阻塞比，pmax和vt為高壓腔初始壓力p0下生成的初始壓縮波的壓力幅值和轉(zhuǎn)化的理論速度；通過不同電磁閥開啟數(shù)量下獲得的初始壓縮波的壓力幅值計(jì)算得到不同的車隧阻塞比β；

40、3.6、根據(jù)不同電磁閥開啟數(shù)量n0時(shí)生成的壓縮波的壓力幅值pmax獲得的β，進(jìn)一步得到電磁閥開啟數(shù)量n0與車隧阻塞比β的關(guān)系，對電磁閥開啟數(shù)量n0與車隧阻塞比β進(jìn)行曲線擬合，表明電磁閥開啟數(shù)量能夠映射到車隧阻塞比。

41、ⅳ、電磁閥開啟策略-電磁閥開啟順序映射模擬列車進(jìn)入典型入口緩沖結(jié)構(gòu)的隧道的實(shí)驗(yàn)步驟如下：

42、4.1、保持電磁閥組關(guān)閉，啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)，向高壓腔腔室內(nèi)充氣，高壓腔上部的數(shù)顯壓力表實(shí)時(shí)顯示腔室內(nèi)壓力狀態(tài)，當(dāng)高壓腔腔室內(nèi)壓力達(dá)到穩(wěn)定的預(yù)設(shè)值，即初始壓力p0，切斷空氣壓縮機(jī)供氣；

43、4.2、高壓腔空氣釋放過程如下：通過直流電源向電磁閥供電保持高壓腔初始壓力，電磁閥開啟電壓u0和數(shù)量n0不變，控制電磁閥的先后順序，先開一部分電磁閥，之后再開啟另一部分電磁閥，通過序列控制引導(dǎo)電磁閥先后開啟變化，開啟順序根據(jù)延時(shí)繼電器和plc控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，電磁閥受到電磁力后閥芯開啟，高壓空氣通過聚氨酯管進(jìn)入到模擬隧道內(nèi)；

44、4.3、高壓空氣推動(dòng)模擬隧道內(nèi)靜止空氣向前運(yùn)動(dòng)，模擬隧道內(nèi)空氣受到擠壓，其壓強(qiáng)瞬間升高，形成隧道初始壓縮波，該初始壓縮波以聲速向前傳播，其經(jīng)過的地方使得壓力迅速上升；通過在模擬隧道壁面上布置壓力傳感器獲得初始壓縮波形狀，即壓力隨時(shí)間變化情況；

45、4.4、由于電磁閥分批開啟，初始壓縮波的形狀是先上升一部分，之后保持不變，最后再次上升到最終的壓力幅值，這能夠比擬列車進(jìn)入帶有典型入口緩沖結(jié)構(gòu)的隧道生成的壓縮波的波形變化規(guī)律，表明電磁閥開啟順序能夠映射到隧道典型入口緩沖結(jié)構(gòu)。

46、本發(fā)明設(shè)計(jì)合理，提出的壓縮波發(fā)生裝置通過高壓腔內(nèi)高壓空氣瞬間釋放的方法簡化了列車入隧過程，且裝置成本較低，數(shù)據(jù)生產(chǎn)率高，可以為未來研究初始壓縮波演化，開發(fā)減小微氣壓波危害的新型緩沖結(jié)構(gòu)，在工程驗(yàn)證手段上提供新的實(shí)驗(yàn)思路，具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。