專(zhuān)利名稱(chēng)：：高速列車(chē)經(jīng)過(guò)隧道后的微壓波計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于列車(chē)高速通過(guò)隧道，特別是長(zhǎng)隧道所產(chǎn)生的微壓波對(duì)環(huán)境的影響測(cè)定領(lǐng)域，具體地涉及一種精簡(jiǎn)、高效的用于高速列車(chē)經(jīng)過(guò)隧道后的微壓波計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
：我國(guó)鐵路正處于跨越式發(fā)展的重要時(shí)期，既有鐵路干線(xiàn)經(jīng)第六次大范圍提速后，客運(yùn)列車(chē)最高運(yùn)營(yíng)速度達(dá)250km/h，例如京津客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)最高運(yùn)營(yíng)速度達(dá)350km/h，同時(shí)，多條運(yùn)行更高速度的客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)開(kāi)始動(dòng)工，預(yù)計(jì)2010年左右建成，將運(yùn)行380km/h等級(jí)速度的高速列車(chē)。而我國(guó)是一個(gè)多山的國(guó)家，線(xiàn)路上隧道多達(dá)5000多座，隨著列車(chē)運(yùn)行速度大幅度提高，高速列車(chē)進(jìn)出隧道產(chǎn)生的空氣動(dòng)力效應(yīng)，必然會(huì)對(duì)旅客的舒適性，對(duì)隧道周?chē)沫h(huán)境造成影響，特別對(duì)于隧道出口附近，列車(chē)高速通過(guò)隧道產(chǎn)生的微壓波對(duì)周?chē)h(huán)境的的影響更為突出，引起越來(lái)越多的關(guān)注。隧道出口微氣壓波的數(shù)值模擬方法主要有一維算法和三維數(shù)值模擬方法，一維算法具有算法簡(jiǎn)單、效率高等特點(diǎn)，不足之處是無(wú)法精確模擬列車(chē)進(jìn)出隧道口所產(chǎn)生的三維效應(yīng)，另外也無(wú)法精確模擬豎井和帶天窗的緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)的影響；三維數(shù)值模擬方法，一般采用模擬三維可壓縮非定常雷諾平均N-S方程，并結(jié)合滑移網(wǎng)格技術(shù)對(duì)隧道微氣壓波進(jìn)行直接模擬，該方法的特點(diǎn)是可以直接模擬列車(chē)和隧道內(nèi)的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，列車(chē)進(jìn)出隧道的三維效應(yīng)等，缺點(diǎn)是對(duì)于長(zhǎng)大隧道和隧道群的出口微壓波的模擬存在相當(dāng)大的困難計(jì)算網(wǎng)格規(guī)模太大，計(jì)算周期太長(zhǎng)，只能在大中型工作站上求解。另外，現(xiàn)有技術(shù)中仍然沒(méi)有很好的方法來(lái)模擬列車(chē)過(guò)彎隧道的過(guò)程，也無(wú)法對(duì)彎隧道出口微壓波進(jìn)行評(píng)估。而列車(chē)經(jīng)過(guò)隧道變截面段會(huì)產(chǎn)生新的膨脹波和壓縮波，并且進(jìn)隧道口產(chǎn)生的壓縮波和膨脹波也會(huì)在傳播過(guò)程中，經(jīng)過(guò)隧道壁面反射而改變傳播方向，使隧道內(nèi)的流場(chǎng)更為復(fù)雜。彎隧道和相同長(zhǎng)度和面積直隧道的微壓波具有不同的特性。而由于地形的限制，很多隧道中存在彎道；另外，高速鐵路穿越城市人口密集區(qū)修建的地下隧道也普遍存在由地表進(jìn)入地下的過(guò)渡彎道。因此，工程設(shè)計(jì)中迫切需要新方法來(lái)研究彎隧道出口微壓波。
發(fā)明內(nèi)容0005]本發(fā)明提供了一種很好地解決了長(zhǎng)大隧道和隧道群三維計(jì)算網(wǎng)格規(guī)模太大，計(jì)算周期太長(zhǎng)等問(wèn)題的高速列車(chē)經(jīng)過(guò)隧道后的微壓波計(jì)算方法，其采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，將流場(chǎng)分為若干區(qū)域，根據(jù)微壓波的形成機(jī)理，只計(jì)算包含第一道壓縮波和膨脹波的區(qū)域及其波前的區(qū)域，對(duì)隧道出口微壓波進(jìn)行了數(shù)值模擬。同時(shí)，也為彎隧道出口微壓波的計(jì)算提供了新方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下高速列車(chē)經(jīng)過(guò)隧道后的微壓波計(jì)算方法，其特征在于所述微壓波計(jì)算方法包括采用動(dòng)網(wǎng)格，將隧道的流場(chǎng)分為多個(gè)區(qū)域，對(duì)包含第一道壓縮波和膨脹波的區(qū)域及該壓縮波和膨脹波前的區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，模擬得到隧道出口的微壓波數(shù)值。具體的講，所述微壓波計(jì)算方法進(jìn)一步包括將隧道的流場(chǎng)分為多個(gè)計(jì)算區(qū)域，其中一第一區(qū)域包括隧道入口區(qū)域和部分隧道，對(duì)該第一區(qū)域采用動(dòng)網(wǎng)格模擬列車(chē)進(jìn)入隧道過(guò)程。所述部分隧道的長(zhǎng)度滿(mǎn)足如下條件該長(zhǎng)度可使列車(chē)尾部完全進(jìn)入隧道，并且車(chē)尾產(chǎn)生的膨脹波到達(dá)第一區(qū)域和相鄰第二區(qū)域的公關(guān)邊界時(shí)，車(chē)頭離公關(guān)邊界的距離以滿(mǎn)足網(wǎng)格重構(gòu)的要求。所述第一區(qū)域的動(dòng)網(wǎng)格在膨脹波進(jìn)入相鄰的一第二區(qū)域后不再進(jìn)行計(jì)算。上述微壓波計(jì)算方法中所述隧道包括長(zhǎng)隧道和彎隧道。當(dāng)列車(chē)駛?cè)胨淼浪查g，由于空氣的壓縮性及列車(chē)壁和隧道壁限制了空氣側(cè)向流動(dòng)和向上流動(dòng)的空間，使緊貼在列車(chē)車(chē)頭前面的空氣受到壓縮并隨列車(chē)向前流動(dòng)，造成列車(chē)前方的空氣壓力突然升高，產(chǎn)生壓縮波。隨著列車(chē)的進(jìn)一步駛?cè)胨淼?，環(huán)狀空間長(zhǎng)度逐步增大，使列車(chē)前隧道空間的空氣壓力繼續(xù)升高，即壓縮波的強(qiáng)度繼續(xù)增大，直到列車(chē)全部進(jìn)入隧道為止。該壓縮波以近似音速的速度向前傳播。壓縮波前方的空氣流速為零，而壓縮波后方的空氣則以一定的流速隨著列車(chē)向前流動(dòng)。壓縮波傳播到隧道出口后，一部分壓縮波以膨脹波形式被反射回隧道，另一部分則以微氣壓波的形式向隧道出口空間擴(kuò)散。列車(chē)進(jìn)入隧道形成的壓力波不僅引起車(chē)廂內(nèi)壓力的變化，而且在壓縮波由隧道口作為沖擊波穿出時(shí)，會(huì)形成噪聲，作為微氣壓波向周?chē)鷤鞑?。根?jù)隧道出口微氣壓波的形成機(jī)理，微氣壓波主要是由列車(chē)進(jìn)入隧道口時(shí)，產(chǎn)生的第一道壓縮波，并沖出隧道口時(shí)產(chǎn)生的脈沖波，該壓縮波的形成經(jīng)歷兩個(gè)過(guò)程，其一是列車(chē)頭部進(jìn)入隧道口產(chǎn)生的第一道壓縮波，該波使波后面的壓力迅速增加，因此波形比較陡，其二是列車(chē)進(jìn)入隧道后，列車(chē)?yán)^續(xù)壓縮其前面的空氣，使壓力緩慢增加，因此波形比較平緩，壓縮波波后空氣的溫度增加，因此，波的傳播速度也增加，后面的壓縮波會(huì)趕上前面的壓縮波，并使其強(qiáng)度變大，波形變陡。這種情況直到列車(chē)車(chē)尾進(jìn)入隧道口，產(chǎn)生第一道膨脹波，并超過(guò)列車(chē)頭部為止，其后，列車(chē)在隧道內(nèi)的壓縮波和膨脹波再也趕不上前面的波。因此，本發(fā)明在計(jì)算微壓波的時(shí)，只計(jì)算第一道膨脹波和其前面的區(qū)域即可以準(zhǔn)確地模擬微壓波。對(duì)于長(zhǎng)隧道，計(jì)算區(qū)域可以分為若干區(qū)域，其中第一區(qū)域包括隧道入口流域和部分隧道，該第一區(qū)域采用動(dòng)網(wǎng)格模擬列車(chē)進(jìn)入隧道過(guò)程，其包含的隧道的長(zhǎng)度，要使列車(chē)尾部完全進(jìn)入隧道，并且車(chē)尾產(chǎn)生的膨脹波到達(dá)第一區(qū)域和相鄰的第二區(qū)域的公關(guān)邊界時(shí)，車(chē)頭離公關(guān)邊界有足夠長(zhǎng)的距離，該長(zhǎng)度滿(mǎn)足網(wǎng)格重構(gòu)的要求。另外，該第一區(qū)域由于列車(chē)的存在，網(wǎng)格比較密，其網(wǎng)格數(shù)目在總網(wǎng)格數(shù)中占相當(dāng)大的比例，這部分網(wǎng)格在膨脹波進(jìn)入第二區(qū)域后不再進(jìn)行計(jì)算，不但可以大幅減少網(wǎng)格數(shù)目，而且此時(shí)不再需要網(wǎng)格重構(gòu)，也可節(jié)約大量時(shí)間，壓縮波和膨脹波在比較均勻的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中傳播，每一時(shí)間步流場(chǎng)的變化只限于很小的局部區(qū)域，收斂的過(guò)程大幅加快，以上三個(gè)因素，大大加快了計(jì)算過(guò)程。本發(fā)明的有益效果在于，該高速列車(chē)經(jīng)過(guò)隧道后的微壓波計(jì)算方法很好地解決了長(zhǎng)大隧道和隧道群三維計(jì)算網(wǎng)格規(guī)模太大，計(jì)算周期太長(zhǎng)等問(wèn)題，其采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，將流場(chǎng)分為若干區(qū)域，根據(jù)微壓波的形成機(jī)理，只計(jì)算包含第一道壓縮波和膨脹波的區(qū)域及其波前的區(qū)域，對(duì)隧道出口微壓波進(jìn)行了數(shù)值模擬。同時(shí)，也為彎隧道出口微壓波的計(jì)算提供4了新方法。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述。圖1為本發(fā)明具體實(shí)施方式中隧道出口10m處的微壓波比較圖；圖2為本發(fā)明具體實(shí)施方式中隧道出口20m處的微壓波比較具體實(shí)施例方式列車(chē)在隧道內(nèi)運(yùn)行，隧道內(nèi)的空氣的流動(dòng)會(huì)受到隧道壁面限制，即使馬赫數(shù)沒(méi)有達(dá)到0.3，仍然必須考慮壓縮性的影響；以列車(chē)的寬度為特征長(zhǎng)度，列車(chē)周?chē)鲌?chǎng)雷諾數(shù)Re>106，處于湍流狀態(tài)，以此，高速列車(chē)在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，其周?chē)牧鲌?chǎng)為三維、可壓縮湍流流場(chǎng)，邊界運(yùn)動(dòng)著的任意控制體上的流場(chǎng)控制方程可以寫(xiě)成如下統(tǒng)一形式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>式中，Ug為控制體的界面運(yùn)動(dòng)速度，小=1、U、e、k、e時(shí)，方程(1)分別表示質(zhì)量方程、動(dòng)量方程、能量方程、湍動(dòng)能方程和湍動(dòng)能耗散率。r$為廣義擴(kuò)散系數(shù)，S$為廣義源項(xiàng)。此外，還應(yīng)該補(bǔ)充理想氣體狀態(tài)方程，并滿(mǎn)足動(dòng)網(wǎng)格所需要的幾何守恒率(GeometricConservationLaw):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>本發(fā)明基于上述方程，對(duì)高速列車(chē)經(jīng)過(guò)隧道后的微壓波進(jìn)行計(jì)算，其采用動(dòng)網(wǎng)格，將隧道的流場(chǎng)分為多個(gè)區(qū)域，僅對(duì)包含第一道壓縮波和膨脹波的區(qū)域及該壓縮波和膨脹波前的區(qū)域計(jì)算，并模擬得到隧道出口的微壓波數(shù)值。其將隧道的流場(chǎng)分為多個(gè)計(jì)算區(qū)域，其中第一區(qū)域?yàn)樗淼廊肟趨^(qū)域和部分隧道，對(duì)該第一區(qū)域采用動(dòng)網(wǎng)格模擬列車(chē)進(jìn)入隧道過(guò)程。該部分隧道的長(zhǎng)度滿(mǎn)足使列車(chē)尾部完全進(jìn)入隧道，并且車(chē)尾產(chǎn)生的膨脹波到達(dá)第一區(qū)域和相鄰第二區(qū)域的公關(guān)邊界時(shí)，車(chē)頭離公關(guān)邊界的距離以滿(mǎn)足網(wǎng)格重構(gòu)的要求。其中第一區(qū)域的動(dòng)網(wǎng)格在膨脹波進(jìn)入相鄰的一第二區(qū)域后不再進(jìn)行計(jì)算。運(yùn)用上述方法對(duì)遂渝線(xiàn)進(jìn)行隧道口微壓波的實(shí)車(chē)測(cè)試研究，測(cè)試列車(chē)為8車(chē)編組，長(zhǎng)度為200m，運(yùn)行速度200km/h。隧道長(zhǎng)987m，斷面積為48m2，板式道床。則根據(jù)第一區(qū)域的計(jì)算要求，可通過(guò)微壓波傳播速度、列車(chē)長(zhǎng)度計(jì)算出第一區(qū)域的設(shè)定長(zhǎng)度?，F(xiàn)將試驗(yàn)結(jié)果與本文的計(jì)算相對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表l。從該表可以看出，對(duì)于離隧道出口10m和20m處的微壓波幅值，計(jì)算所得的值稍小于實(shí)車(chē)試驗(yàn)測(cè)得的微壓波幅值，兩者相差在7%以?xún)?nèi)。圖l和圖2為微壓波的波形比較圖，兩者所得到的波形基本相同。由此表明本文所采用的計(jì)算模型和計(jì)算方法是正確的，計(jì)算結(jié)果可信。表1隧道出口微氣壓波幅值比較<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>利用本發(fā)明對(duì)長(zhǎng)隧道微壓波進(jìn)行計(jì)算，隧道長(zhǎng)度10km，隧道截面面積100m2，阻塞比為11.2%，動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度250km/h。隧道前部帶有開(kāi)6個(gè)天窗的緩沖結(jié)構(gòu)和3個(gè)沿隧道長(zhǎng)度方向不同位置布置的豎井，豎井面積為隧道凈空面積的30%。如下表2為使用同一4CPU計(jì)算機(jī)平行計(jì)算，網(wǎng)格分布基本相當(dāng)?shù)那闆r下，動(dòng)網(wǎng)格方法、滑移網(wǎng)格方法和本文所采用方法所花費(fèi)的計(jì)算時(shí)間，從該表可以看出全部采用傳統(tǒng)動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算需要的時(shí)間最長(zhǎng)，滑移網(wǎng)格方法次之，本發(fā)明所采用方法的方法耗時(shí)最少，約為動(dòng)網(wǎng)格方法的1/6，滑移網(wǎng)格的1/3。表2計(jì)算時(shí)間和微壓波幅值比較表<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>由上述具體實(shí)施方式可知，本發(fā)明采用采用動(dòng)網(wǎng)格和隧道分區(qū)域計(jì)算方法，通過(guò)和實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果的比較，證明該方法有效可行。從長(zhǎng)隧道的計(jì)算實(shí)施例可以看出，本發(fā)明不僅能保持傳統(tǒng)三維算法模擬隧道出入口的三維效應(yīng)，而且顯著地提高了計(jì)算效率，與次同時(shí)，也為研究彎隧道對(duì)微壓波的影響提供了新的研究方法。權(quán)利要求高速列車(chē)經(jīng)過(guò)隧道后的微壓波計(jì)算方法，其特征在于所述微壓波計(jì)算方法包括采用動(dòng)網(wǎng)格，將隧道的流場(chǎng)分為多個(gè)區(qū)域，對(duì)包含第一道壓縮波和膨脹波的區(qū)域及該壓縮波和膨脹波前的區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，模擬得到隧道出口的微壓波數(shù)值。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速列車(chē)經(jīng)過(guò)隧道后的微壓波計(jì)算方法，其特征在于所述微壓波計(jì)算方法進(jìn)一步包括將隧道的流場(chǎng)分為多個(gè)計(jì)算區(qū)域，其中一第一區(qū)域包括隧道入口區(qū)域和部分隧道，對(duì)該第一區(qū)域采用動(dòng)網(wǎng)格模擬列車(chē)進(jìn)入隧道過(guò)程。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高速列車(chē)經(jīng)過(guò)隧道后的微壓波計(jì)算方法，其特征在于所述部分隧道的長(zhǎng)度滿(mǎn)足如下條件該長(zhǎng)度可使列車(chē)尾部完全進(jìn)入隧道，并且車(chē)尾產(chǎn)生的膨脹波到達(dá)第一區(qū)域和相鄰第二區(qū)域的公關(guān)邊界時(shí)，車(chē)頭離公關(guān)邊界的距離以滿(mǎn)足網(wǎng)格重構(gòu)的要求。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高速列車(chē)經(jīng)過(guò)隧道后的微壓波計(jì)算方法，其特征在于所述第一區(qū)域的動(dòng)網(wǎng)格在膨脹波進(jìn)入相鄰的一第二區(qū)域后不再進(jìn)行計(jì)算。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速列車(chē)經(jīng)過(guò)隧道后的微壓波計(jì)算方法，其特征在于所述隧道包括長(zhǎng)隧道和彎隧道。全文摘要高速列車(chē)經(jīng)過(guò)隧道后的微壓波計(jì)算方法，其特征在于所述微壓波計(jì)算方法包括采用動(dòng)網(wǎng)格，將隧道的流場(chǎng)分為多個(gè)區(qū)域，對(duì)包含第一道壓縮波和膨脹波的區(qū)域及該壓縮波和膨脹波前的區(qū)域計(jì)算，模擬得到隧道出口的微壓波數(shù)值。該高速列車(chē)經(jīng)過(guò)隧道后的微壓波計(jì)算方法很好地解決了長(zhǎng)大隧道和隧道群三維計(jì)算網(wǎng)格規(guī)模太大，計(jì)算周期太長(zhǎng)等問(wèn)題，其采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，將流場(chǎng)分為若干區(qū)域，根據(jù)微壓波的形成機(jī)理，只計(jì)算包含第一道壓縮波和膨脹波的區(qū)域及其波前的區(qū)域，對(duì)隧道出口微壓波進(jìn)行了數(shù)值模擬。同時(shí)，也為彎隧道出口微壓波的計(jì)算提供了新方法。文檔編號(hào)G06F17/50GK101697173SQ20091018032公開(kāi)日2010年4月21日申請(qǐng)日期2009年10月26日優(yōu)先權(quán)日2009年10月26日發(fā)明者劉堂紅,張健,李志偉,楊明智,熊小慧,田紅旗,高廣軍申請(qǐng)人:中南大學(xué);