CN112814696B - 一种斜切型隧道入口缓冲结构的设计优化方法 - Google Patents

一种斜切型隧道入口缓冲结构的设计优化方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112814696B
CN112814696B CN202110279596.3A CN202110279596A CN112814696B CN 112814696 B CN112814696 B CN 112814696B CN 202110279596 A CN202110279596 A CN 202110279596A CN 112814696 B CN112814696 B CN 112814696B
Authority
CN
China
Prior art keywords
buffer structure
tunnel
pressure
oblique
cut
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110279596.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112814696A (zh
Inventor
闫亚光
赵亚军
张童童
张立功
赵志超
周海波
张晓明
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hebei University of Engineering
Original Assignee
Hebei University of Engineering
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hebei University of Engineering filed Critical Hebei University of Engineering
Priority to CN202110279596.3A priority Critical patent/CN112814696B/zh
Publication of CN112814696A publication Critical patent/CN112814696A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112814696B publication Critical patent/CN112814696B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D9/00—Tunnels or galleries, with or without linings; Methods or apparatus for making thereof; Layout of tunnels or galleries
    • E21D9/14—Layout of tunnels or galleries; Constructional features of tunnels or galleries, not otherwise provided for, e.g. portals, day-light attenuation at tunnel openings
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21F—SAFETY DEVICES, TRANSPORT, FILLING-UP, RESCUE, VENTILATION, OR DRAINING IN OR OF MINES OR TUNNELS
    • E21F17/00—Methods or devices for use in mines or tunnels, not covered elsewhere
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)

Abstract

本发明提供了一种斜切型隧道入口缓冲结构的设计优化方法，设置斜切型缓冲结构后，初始压缩波的波前厚度显著加大，从而延长了压缩波的上升时间，降低了初始压缩波的压力梯度，减缓隧道出口处的微气压波，可以有效缓解隧道内、外的气动效应，斜切型缓冲结构的设计优化方法，具体有以下步骤：一、计算模型；二、基于气动声学求解隧道气动效应；三、缓冲结构优化。本发明可推广应用在高速铁路建设领域，对隧道入口处进行改造优化，结构设计科学合理，设计优化准确易操作。

Description

一种斜切型隧道入口缓冲结构的设计优化方法
技术领域
本发明属于隧道设计技术领域，具体涉及一种斜切型隧道入口缓冲结构的设计优化方法。
背景技术
通常，当高速列车进入隧道时，车头压缩隧道内空气形成压缩波。这种压缩波以声速沿隧道传播，并以微压波的形式通过隧道出口向外发射。由于微压波导致对周边私人住宅的脉冲噪声和低频振动，在设计高速铁路隧道入口时减小气动效应是非常重要的。
针对高速铁路隧道气动效应，通常在隧道入口设置缓冲结构，其中喇叭型缓冲结构的缓冲效果最好。但喇叭型缓冲结构浇筑施工时，模板需要按一定的曲线或角度展开，施工难度较大，质量难以控制，费工、不便制作，为了方便施工，节约造价，可优化设计成斜切型隧道入口。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种斜切型隧道入口缓冲结构的设计优化方法，该设计能使隧道的初始压缩波的波前厚度显著加大，从而延长了压缩波的上升时间，降低了初始压缩波的压力梯度，减缓隧道出口处的微气压波，可以有效缓解隧道内、外的气动效应，斜切型隧道入口施工简单，外型美观，成本可控。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种斜切型隧道入口缓冲结构的设计优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、计算模型：
所述斜切型隧道入口缓冲结构是在常规隧道的入口处，通过一个与缓冲结构或隧道轴线成一定角度的斜平面切割形成的结构，设坐标原点在缓冲结构入口处O点，列车及隧道的对称轴与x轴重合，列车沿x轴负向以一定速度U进入隧道，假设列车头部长度L范围内符合理想地流线型设计，车头横断面积AT逐渐变大，列车车身高度为h，横断面积保持定值A0；隧道截面为半径R的半圆形，横断面积为A；隧道入口处的斜切型缓冲结构，长度lh，且lh＞＞R，缓冲结构的横断面积函数为Ah(x)，斜切角为α，入口高度为a，忽略地面摩擦的影响，将列车和隧道沿着地面作镜像，并对镜像进行分区，分为隧道内远离入口的区域
Figure BDA0002977598310000021
隧道与斜切型缓冲结构的连接部区域
Figure BDA0002977598310000022
切型缓冲结构的斜切开口区域
Figure BDA0002977598310000023
斜切型缓冲结构区域
Figure BDA0002977598310000024
斜切型缓冲结构入口区域
Figure BDA0002977598310000025
和斜切型缓冲结构外部的自由空间区域
Figure BDA0002977598310000026
S2、基于气动声学求解隧道气动效应：
首先借助势流函数
Figure BDA0002977598310000027
求出相应的广义Green函数；然后求解气动声学方程，根据气动声学方程得出气动“活塞效应”压力pT和斜切开口喷射出流压力
Figure BDA0002977598310000028
接着求斜切型缓冲结构的隧道内初始压缩波，得到初始压缩波波前的压力梯度；最后根据实际数据对斜切型缓冲结构的缓冲效果进行计算验证；
S3、对斜切型缓冲结构进行优化：具体优化内容为对缓冲结构长度一定时的斜切角的优化，最后验证优化结果。
优选的，所述广义Green函数的具体计算方法为：
S201、求斜切型缓冲结构入口处势流函数：
缓冲结构入口范围内
Figure BDA0002977598310000029
和
Figure BDA00029775983100000210
区域即x＝0的势流函数
Figure BDA00029775983100000211
式中l′≈0.3R+a，Ah0表示缓冲结构入口处横断面积；
Figure BDA0002977598310000031
斜切型缓冲结构入口
Figure BDA0002977598310000032
区域(x＝0)势流函数为
Figure BDA0002977598310000033
根据位势理论可知：势流函数在斜切型缓冲结构入口处是连续的，且当斜切型缓冲结构的长度远远大于其4倍半径时，
Figure BDA0002977598310000034
区域处的势函数统一采用
Figure BDA0002977598310000035
表示；
S202、求斜切型缓冲结构的斜切开口处势流函数：
将斜切型缓冲结构的斜切开口处看作无限多个连续微孔，设速度势为
Figure BDA0002977598310000036
的一平面波从微孔左侧无穷远处入射，得x′处微孔的势流函数为
Figure BDA0002977598310000037
式中Rw表示微孔处的反射系数；Fw表示微孔处的透射系数；α0和β0为耦合系数；
Figure BDA0002977598310000038
表示在一开口圆管中，两个以单位速度相向而运动的活塞形成的“单极子”流产生的孔洞处速度势；
Figure BDA0002977598310000039
表示在一开口圆管中，两个以单位速度从左向右同向运动的活塞形成的“偶极子”流产生的孔洞处速度势；
根据重叠区域等效表示的原则，联立求得相关系数α0、β0、Rw和Fw
Figure BDA00029775983100000310
Figure BDA00029775983100000311
Figure BDA00029775983100000312
Figure BDA00029775983100000313
S203、根据斜切型缓冲结构的特点，求解广义Green函数：
设在隧道内x点处(x＝-∞)入射一平面波
Figure BDA00029775983100000314
则观察点x′位于隧道的不同位置区域
Figure BDA0002977598310000041
处，会产生不同的声场；
当观察点x′位于隧道内
Figure BDA0002977598310000042
区域，且远离斜切开口
Figure BDA0002977598310000043
区域，即满足|x′+lh|＞＞R，此时
Figure BDA0002977598310000044
当观察点x′位于斜切型缓冲结构的斜切开口
Figure BDA0002977598310000045
区域，
Figure BDA0002977598310000046
当观察点x′位于斜切型缓冲结构入口
Figure BDA0002977598310000047
区域，
Figure BDA0002977598310000048
当观察点x′位于斜切型缓冲结构外自由空间
Figure BDA0002977598310000049
区域，
Figure BDA00029775983100000410
式中
Figure BDA00029775983100000411
RT、α、β、γ、δ、ε是与声波数、缓冲结构斜切角、尺寸和隧道半径有关的系数，根据重叠区域等效表示的原则，联立式(3)至式(6)，求得式中的各个系数；
将求得的系数α、β、γ、δ表达式回代入式(4)和式(5)，并进行Fourier变换，得到斜切型缓冲结构入口
Figure BDA00029775983100000412
区域和斜切开口
Figure BDA00029775983100000413
区域的广义Green函数的近似表示GE和GW
Figure BDA00029775983100000414
Figure BDA00029775983100000415
因为|RW|＜1，则
Figure BDA00029775983100000416
可表示成级数形式，即
Figure BDA00029775983100000417
RE＝-1
将式(7)中的积分形式采用级数形式表示，即：
Figure BDA0002977598310000051
式中，δ(x)为狄拉克函数，
Figure BDA0002977598310000052
A项表示直接从声源点发射并传入隧道的入射波，B项表示直接入射波经过斜切型缓冲结构的斜切开口
Figure BDA0002977598310000053
区域时的修正项，C项表示在斜切型缓冲结构入口
Figure BDA0002977598310000054
区域处的n次反射波；
当斜切角α→0，即a→R时，说明斜切开口面积很小，忽略缓冲结构上斜切开口的影响，则可忽略式(9)中的B、C两项，只考虑A项；当α角较大，即a→0时，说明斜切开口面积较大，则式(9)中A、B两项相互抵消，可以忽略，只考虑C项；
将式(8)中的积分形式也采用级数形式表示，即
Figure BDA0002977598310000055
式中，
Figure BDA0002977598310000056
A项表示在斜切型缓冲结构的斜切开口
Figure BDA0002977598310000057
区域向右传播的波，B项表示在斜切型缓冲结构的斜切开口
Figure BDA0002977598310000058
区域向左传播的波；
综上，斜切型缓冲结构的广义Green函数G＝GE+GW 式(11)。
优选的，求解气动声学方程、气动“活塞效应”压力pT和斜切开口喷射出流压力
Figure BDA0002977598310000061
的具体方法包括以下步骤：
S211、忽略热传导和摩擦的影响，可得线性化气动声学方程
Figure BDA0002977598310000062
式中A项表示分布在列车表面的单、偶极子声源，B项表示斜切型缓冲结构斜切开口处喷射出流剪切层中涡动产生的声源；
气动声学方程的右侧声源项包含两项，则式(12)的解(即初始压缩波的压力)也应由两部分组成
p＝pT+pω 式(13)
其中，pT表示气动“活塞效应”压力，pω表示喷射出流剪切层中涡动压力；
为便于研究，忽略摩擦、热传导和入口
Figure BDA0002977598310000063
区域的喷射出流的涡动压力(即
Figure BDA0002977598310000064
)，仅考虑斜切开口
Figure BDA0002977598310000065
区域喷射出流剪切层中涡动压力
Figure BDA0002977598310000066
故
Figure BDA0002977598310000067
S212、计算气动“活塞效应”压力pT：
气动“活塞效应”形成的初始压缩波由两部分构成：一部分是高速列车与斜切型缓冲结构入口
Figure BDA0002977598310000068
区域相互作用所致，用pE来表示；另一部分是高速列车与斜切型缓冲结构的斜切开口
Figure BDA0002977598310000069
区域相互作用所致，用pW来表示，则pT＝pE+pW，应用Green函数，求解声学方程可得：
Figure BDA00029775983100000610
式(14)两侧对时间t进行积分，可得气动“活塞效应”压力pT为
Figure BDA0002977598310000071
当时间t→+∞时，气动“活塞效应”的压力增量ΔpT为
Figure BDA0002977598310000072
即
Figure BDA0002977598310000073
当斜切角α→0时，斜切开口很小，孔洞的Rayleigh传导系数K→0，斜切型缓冲结构的入口横断面积Ah→A，则Ah/(Ah+lK)→1，(lK)/(Ah+lK)→0，即ΔpW→0，则ΔpT＝ΔpE，可以忽略斜切型缓冲结构上斜切开口的影响；当α较大时，缓冲结构的入口横断面积Ah→0，斜切开口较大，K→∞，则Ah/(Ah+lK)→0，(lK)/(Ah+lK)→1，即ΔpE→0，则ΔpT＝ΔpW，忽略斜切型缓冲结构入口的影响；ΔpT在无缓冲结构时，列车“活塞效应”气动压力波前增量表达一致，可见，设置斜切型缓冲结构对降低隧道气动“活塞效应”压力增量的效果不显著；
S213、计算斜切开口喷射出流压力
Figure BDA0002977598310000074
当高速列车抵达斜切开口
Figure BDA0002977598310000075
区域的第i个微孔处时，假设微孔处的喷射流趋于均匀，将微孔处的喷射出流近似为一段长为si(t)的柱状气流，微孔处喷射流速恒定为uω，i，其剪切层中的喷射涡动产生的压力为
Figure BDA0002977598310000076
则斜切型缓冲结构斜切开口处喷射出流剪切层中涡动产生的压力为
Figure BDA0002977598310000077
优选的，S2中所述的斜切型缓冲结构的隧道内初始压缩波的计算方法为：
高速列车驶入设置斜切型缓冲结构的隧道产生的初始压缩波压力可表示为：
Figure BDA0002977598310000081
pT＞＞pω，隧道内的气动“活塞效应”压力pT决定初始压缩波波前的形成，而斜切开口
Figure BDA0002977598310000082
区域喷射出流剪切层中涡动产生的压力pω发生在波前形成以后，是压力曲线后部增量的原因所在，故在比较斜切型缓冲结构的缓冲效果时，仅考虑气动“活塞效应”压力，忽略喷射出流涡动和摩擦的影响，这样，并不会影响初始压缩波波前效果，且大大简化了计算；
初始压缩波波前的压力梯度为
Figure BDA0002977598310000083
对设置斜切型缓冲结构的隧道内初始压缩波压力及其压力梯度进行无量纲化处理，得到相应的无量纲压力Cp和压力梯度
Figure BDA0002977598310000084
优选的，S3中所述的斜切型缓冲结构进行优化具体包括以下方法：
设置斜切型缓冲结构隧道内初始压缩波的无量纲压力Cp和压力梯度
Figure BDA0002977598310000085
分别与势流函数的导数和二阶导数有关，斜切型缓冲结构的优化设计，需要通过调整势流函数的导数
Figure BDA0002977598310000086
使其发生线性变化，即可达到理想的最优效果；
由速度势流函数定义，
Figure BDA0002977598310000087
当x＝0时，
Figure BDA0002977598310000088
当x＜-lh时，
Figure BDA0002977598310000089
由于斜切型缓冲结构的斜切开口
Figure BDA00029775983100000810
区域可看作连续分布的无穷多个矩形微孔，当-lh＜x＜0时，
Figure BDA00029775983100000811
在v0和1之间呈线性变化，斜切型缓冲结构内的
Figure BDA00029775983100000812
为
Figure BDA00029775983100000813
上式含有a0、v0两个未知参数，可借助斜切型缓冲结构入口
Figure BDA00029775983100000814
区域(x＝0)处的势流条件求得
a0＝-v0·l′ 式(21)
则
Figure BDA0002977598310000091
根据斜切型缓冲结构的性质，势流函数的二阶导数
Figure BDA0002977598310000092
在斜切型缓冲结构的入口
Figure BDA0002977598310000093
区域和斜切开口
Figure BDA0002977598310000094
区域处不为零；引入柱面坐标，势流函数的二阶导数
Figure BDA0002977598310000095
可表示为
Figure BDA0002977598310000096
由上式可知，斜切型缓冲结构的长度lh和隧道半径R确定后，可通过调整参数v0，达到优化
Figure BDA0002977598310000097
的目的，使其在缓冲结构入口
Figure BDA0002977598310000098
区域和斜切开口
Figure BDA0002977598310000099
区域处的值相等且较小，这样，
Figure BDA00029775983100000910
更趋于线性规律增长，达到优化设计的目的；
若各微孔的中心位于同一轴线，则参数r和θ为定值，
Figure BDA00029775983100000911
在斜切开口
Figure BDA00029775983100000912
区域的中心处(x＝-lh/2)产生极值，且极值为-0.89，则式(23)右侧的第一项可简化为
Figure BDA00029775983100000913
同理，
Figure BDA00029775983100000914
在缓冲结构的入口
Figure BDA00029775983100000915
区域(x＝0)处产生极值，且极值为-0.64，则式(23)右侧的第二项可简化为
Figure BDA00029775983100000916
令
Figure BDA00029775983100000917
各驻点处的极值都相等，则
Figure BDA00029775983100000918
相应的斜切型缓冲结构的最优斜切角α可表示为
Figure BDA00029775983100000919
对于长度lh一定的斜切型缓冲结构，最优斜切角α为α＝arctg[(0.72/(1/v0-1))-a/lh]，相应的参数v0取1/(1+0.72(lh/R))，可使初始压缩波压力曲线更趋于线性规律增长，压力梯度峰值相等且最小，达到优化设计的目的；
最后代入实际数据进行优化验证，代入的实际数据包括隧道横截面积、截面半径和隧道长度，列车车型、车长、横断面积和车速，还包括缓冲结构长度。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明缓冲结构设计简单科学，造价成本低，便于施工，外型美观，该设计优化方法科学严谨，具有明确的指导意义。
2、本发明设计的斜切型缓冲结构由于斜切型缓冲结构的横断面积逐渐变化，未发生突变，列车与缓冲结构之间的有效接触面积是逐渐变化的，因此气动压力变化曲线比较光滑，避免了压力曲线的阶梯型突变。设置了斜切型缓冲结构后，初始压缩波的波前厚度显著加大，从而延长了压缩波的上升时间，降低了初始压缩波的压力梯度，减缓隧道出口处的微气压波，可以有效缓解隧道内、外的气动效应。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明的计算模型示意图。
图2是本发明的镜像计算模型示意图。
图3是本发明中斜切型缓冲结构的立体示意图。
图4是本发明中缓冲结构的气动效应示意图。
图5是本发明中有斜切型缓冲结构与无缓冲结构的Cp和
Figure BDA0002977598310000101
的比较曲线。
图6是本发明中不同参数v0的Cp、
Figure BDA0002977598310000102
对比曲线。
具体实施方式
如图3和图1所示，本发明所要设计的斜切型缓冲结构是将一个与缓冲结构轴线成一定角度的斜平面切割所致，切割后为曲边弧形结构。斜切型缓冲结构相当于一个设置了无限多个曲边矩形微孔的缓冲结构型式，各微孔连续变化。本发明设计及优化上述斜切型缓冲结构的方法包括以下步骤：
S1、计算模型：
如图1至图4所示，设坐标原点在缓冲结构入口处O点，列车及隧道的对称轴与x轴重合，列车沿x轴负向以一定速度U进入隧道，假设列车头部长度L范围内符合理想地流线型设计，车头横断面积AT逐渐变大，列车车身高度为h，横断面积保持定值A0；隧道截面为半径R的半圆形，横断面积为A；隧道入口处的斜切型缓冲结构，长度lh，且lh＞＞R，缓冲结构的横断面积函数为Ah(x)，斜切角为α，入口高度为a，忽略地面摩擦的影响，将列车和隧道沿着地面作镜像，并对镜像进行分区，分为隧道内远离入口的区域
Figure BDA0002977598310000111
隧道与斜切型缓冲结构的连接部区域
Figure BDA0002977598310000112
切型缓冲结构的斜切开口区域
Figure BDA0002977598310000113
斜切型缓冲结构区域
Figure BDA0002977598310000114
斜切型缓冲结构入口区域
Figure BDA0002977598310000115
和斜切型缓冲结构外部的自由空间区域
Figure BDA0002977598310000116
S2、基于气动声学求解隧道气动效应：
首先借助势流函数
Figure BDA0002977598310000117
求出相应的广义Green函数；然后求解气动声学方程，根据气动声学方程得出气动“活塞效应”压力pT和斜切开口喷射出流压力
Figure BDA0002977598310000118
接着求斜切型缓冲结构的隧道内初始压缩波，得到初始压缩波波前的压力梯度；最后根据实际数据对斜切型缓冲结构的缓冲效果进行计算验证；
S3、对斜切型缓冲结构进行优化：具体优化内容为对缓冲结构长度一定时的斜切角的优化，最后验证优化结果。
本实施例中，所述广义Green函数的具体计算方法为：
S201、求斜切型缓冲结构入口处势流函数：
缓冲结构入口范围内
Figure BDA0002977598310000119
和
Figure BDA00029775983100001110
区域即x＝0的势流函数
Figure BDA0002977598310000121
式中l′≈0.3R+a，Ah0表示缓冲结构入口处横断面积；
Figure BDA0002977598310000122
斜切型缓冲结构入口
Figure BDA0002977598310000123
区域(x＝0)势流函数为
Figure BDA0002977598310000124
根据位势理论可知：势流函数在斜切型缓冲结构入口处是连续的，且当斜切型缓冲结构的长度远远大于其4倍半径时，
Figure BDA0002977598310000125
区域处的势函数统一采用
Figure BDA0002977598310000126
表示；
S202、求斜切型缓冲结构的斜切开口处势流函数：
将斜切型缓冲结构的斜切开口处看作无限多个连续微孔，设速度势为
Figure BDA0002977598310000127
的一平面波从微孔左侧无穷远处入射，得x′处微孔的势流函数为
Figure BDA0002977598310000128
式中Rw表示微孔处的反射系数；Fw表示微孔处的透射系数；α0和β0为耦合系数；
Figure BDA0002977598310000129
表示在一开口圆管中，两个以单位速度相向而运动的活塞形成的“单极子”流产生的孔洞处速度势；
Figure BDA00029775983100001210
表示在一开口圆管中，两个以单位速度从左向右同向运动的活塞形成的“偶极子”流产生的孔洞处速度势；
根据重叠区域等效表示的原则，联立求得相关系数α0、β0、Rw和Fw
Figure BDA00029775983100001211
Figure BDA00029775983100001212
Figure BDA00029775983100001213
Figure BDA0002977598310000131
S203、根据斜切型缓冲结构的特点，求解广义Green函数：
设在隧道内x点处(x＝-∞)入射一平面波
Figure BDA0002977598310000132
则观察点x′位于隧道的不同位置区域
Figure BDA0002977598310000133
处，会产生不同的声场；
当观察点x′位于隧道内
Figure BDA0002977598310000134
区域，且远离斜切开口
Figure BDA0002977598310000135
区域，即满足|x′+lh|＞＞R，此时
Figure BDA0002977598310000136
当观察点x′位于斜切型缓冲结构的斜切开口
Figure BDA0002977598310000137
区域，
Figure BDA0002977598310000138
当观察点x′位于斜切型缓冲结构入口
Figure BDA0002977598310000139
区域，
Figure BDA00029775983100001310
当观察点x′位于斜切型缓冲结构外自由空间
Figure BDA00029775983100001311
区域，
Figure BDA00029775983100001312
式中
Figure BDA00029775983100001313
RT、α、β、γ、δ、ε是与声波数、缓冲结构斜切角、尺寸和隧道半径有关的系数，根据重叠区域等效表示的原则，联立式(3)至式(6)，求得式中的各个系数；
将求得的系数α、β、γ、δ表达式回代入式(4)和式(5)，并进行Fourier变换，得到斜切型缓冲结构入口
Figure BDA00029775983100001314
区域和斜切开口
Figure BDA00029775983100001315
区域的广义Green函数的近似表示GE和GW
Figure BDA00029775983100001316
Figure BDA00029775983100001317
因为|RW|＜1，则
Figure BDA00029775983100001318
可表示成级数形式，即
Figure BDA00029775983100001319
将式(7)中的积分形式采用级数形式表示，即：
Figure BDA0002977598310000141
式中，δ(x)为狄拉克函数，
Figure BDA0002977598310000142
A项表示直接从声源点发射并传入隧道的入射波，B项表示直接入射波经过斜切型缓冲结构的斜切开口
Figure BDA0002977598310000143
区域时的修正项，C项表示在斜切型缓冲结构入口
Figure BDA0002977598310000144
区域处的n次反射波；
当斜切角α→0，即a→R时，说明斜切开口面积很小，忽略缓冲结构上斜切开口的影响，则可忽略式(9)中的B、C两项，只考虑A项；当α角较大，即a→0时，说明斜切开口面积较大，则式(9)中A、B两项相互抵消，可以忽略，只考虑C项；
将式(8)中的积分形式也采用级数形式表示，即
Figure BDA0002977598310000145
式中，
Figure BDA0002977598310000146
A项表示在斜切型缓冲结构的斜切开口
Figure BDA0002977598310000147
区域向右传播的波，B项表示在斜切型缓冲结构的斜切开口
Figure BDA0002977598310000148
区域向左传播的波；
综上，斜切型缓冲结构的广义Green函数G＝GE+GW 式(11)。
本实施例中，求解气动声学方程、气动“活塞效应”压力pT和斜切开口喷射出流压力
Figure BDA0002977598310000151
的具体方法包括以下步骤：
S211、忽略热传导和摩擦的影响，可得线性化气动声学方程
Figure BDA0002977598310000152
式中A项表示分布在列车表面的单、偶极子声源，B项表示斜切型缓冲结构斜切开口处喷射出流剪切层中涡动产生的声源；
气动声学方程的右侧声源项包含两项，则式(12)的解(即初始压缩波的压力)也应由两部分组成
p＝pT+pω 式(13)
其中，pT表示气动“活塞效应”压力，pω表示喷射出流剪切层中涡动压力；
为便于研究，忽略摩擦、热传导和入口
Figure BDA0002977598310000153
区域的喷射出流的涡动压力(即
Figure BDA0002977598310000154
)，仅考虑斜切开口
Figure BDA0002977598310000155
区域喷射出流剪切层中涡动压力
Figure BDA0002977598310000156
故
Figure BDA0002977598310000157
S212、计算气动“活塞效应”压力pT：
气动“活塞效应”形成的初始压缩波由两部分构成：一部分是高速列车与斜切型缓冲结构入口
Figure BDA0002977598310000158
区域相互作用所致，用pE来表示；另一部分是高速列车与斜切型缓冲结构的斜切开口
Figure BDA0002977598310000159
区域相互作用所致，用pW来表示，则pT＝pE+pw，应用Green函数，求解声学方程可得：
Figure BDA00029775983100001510
式(14)两侧对时间t进行积分，可得气动“活塞效应”压力pT为
Figure BDA0002977598310000161
当时间t→+∞时，气动“活塞效应”的压力增量ΔpT为
Figure BDA0002977598310000162
即
Figure BDA0002977598310000163
当斜切角α→0时，斜切开口很小，孔洞的Rayleigh传导系数K→0，斜切型缓冲结构的入口横断面积Ah→A，则Ah/(Ah+lK)→1，(lK)/(Ah+lK)→0，即ΔpW→0，则ΔpT＝ΔpE，可以忽略斜切型缓冲结构上斜切开口的影响；当α较大时，缓冲结构的入口横断面积Ah→0，斜切开口较大，K→∞，则Ah/(Ah+lK)→0，(lK)/(Ah+lK)→1，即ΔpE→0，则ΔpT＝ΔpW，忽略斜切型缓冲结构入口的影响；ΔpT在无缓冲结构时，列车“活塞效应”气动压力波前增量表达一致，可见，设置斜切型缓冲结构对降低隧道气动“活塞效应”压力增量的效果不显著；
S213、计算斜切开口喷射出流压力
Figure BDA0002977598310000164
当高速列车抵达斜切开口
Figure BDA0002977598310000165
区域的第i个微孔处时，假设微孔处的喷射流趋于均匀，将微孔处的喷射出流近似为一段长为si(t)的柱状气流，微孔处喷射流速恒定为uω，i，其剪切层中的喷射涡动产生的压力为
Figure BDA0002977598310000166
则斜切型缓冲结构斜切开口处喷射出流剪切层中涡动产生的压力为
Figure BDA0002977598310000167
本实施例中，S2中所述的斜切型缓冲结构的隧道内初始压缩波的计算方法为：
高速列车驶入设置斜切型缓冲结构的隧道产生的初始压缩波压力可表示为：
Figure BDA0002977598310000171
pT＞＞pω，隧道内的气动“活塞效应”压力pT决定初始压缩波波前的形成，而斜切开口
Figure BDA0002977598310000172
区域喷射出流剪切层中涡动产生的压力pω发生在波前形成以后，是压力曲线后部增量的原因所在，故在比较斜切型缓冲结构的缓冲效果时，仅考虑气动“活塞效应”压力，忽略喷射出流涡动和摩擦的影响，这样，并不会影响初始压缩波波前效果，且大大简化了计算；
初始压缩波波前的压力梯度为
Figure BDA0002977598310000173
对设置斜切型缓冲结构的隧道内初始压缩波压力及其压力梯度进行无量纲化处理，得到相应的无量纲压力Cp和压力梯度
Figure BDA0002977598310000174
基于对斜切型缓冲结构作用机理的研究，以某隧道工程设置斜切型缓冲结构为实例，在不考虑涡动压力和摩擦影响的条件下，以表1的数据为基础通过计算分析，验证斜切型缓冲结构的缓冲效果。
Figure BDA0002977598310000175
表1
分别计算出了设置斜切型缓冲结构和无缓冲结构时，隧道内初始压缩波的压力p和压力梯度
Figure BDA0002977598310000176
并对其进行无量纲化处理，得到隧道内初始压缩波无量纲压力Cp及压力梯度
Figure BDA0002977598310000177
并绘于图5中。
由图5中的a图可知，设置斜切型缓冲结构后隧道内初始压缩波的压力峰值与无缓冲结构工况相比变化不大，但斜切型缓冲结构的压力曲线较无缓冲结构更趋于缓和。由图5中的b图可知，无缓冲结构的压力梯度曲线只有1个峰值，且
Figure BDA0002977598310000181
而设置斜切型缓冲结构以后，压力梯度曲线出现了2个峰值，且最大压力梯度峰值
Figure BDA0002977598310000182
较无缓冲结构的最大压力梯度峰值要降低37.56％。压力梯度曲线的第1个峰值表示列车与斜切型缓冲结构入口
Figure BDA0002977598310000183
区域相互作用所致，第2个峰值表示列车与斜切开口
Figure BDA0002977598310000184
区域相互作用所致。由分析可知：设置斜切型缓冲结构虽对隧道内初始压缩波的压力峰值影响有限，但可以显著延长初始压缩波的上升时间，明显增大波前厚度；设置斜切型缓冲结构对于隧道内初始压缩波压力梯度的影响显著，最大压力梯度峰值与无缓冲结构工况相比要大大降低。可见设置斜切型缓冲结构能有效缓解隧道内、外的气动效应。
本实施例中，S3中所述的斜切型缓冲结构进行优化具体包括以下方法：
设置斜切型缓冲结构隧道内初始压缩波的无量纲压力Cp和压力梯度
Figure BDA0002977598310000185
分别与势流函数的导数和二阶导数有关，斜切型缓冲结构的优化设计，需要通过调整势流函数的导数
Figure BDA0002977598310000186
使其发生线性变化，即可达到理想的最优效果；
由速度势流函数定义，
Figure BDA0002977598310000187
当x＝0时，
Figure BDA0002977598310000188
当x＜-lh时，
Figure BDA0002977598310000189
由于斜切型缓冲结构的斜切开口
Figure BDA00029775983100001810
区域可看作连续分布的无穷多个矩形微孔，当-lh＜x＜0时，
Figure BDA00029775983100001811
在v0和1之间呈线性变化，斜切型缓冲结构内的
Figure BDA00029775983100001812
为
Figure BDA00029775983100001813
上式含有a0、v0两个未知参数，可借助斜切型缓冲结构入口
Figure BDA00029775983100001814
区域(x＝0)处的势流条件求得
a0＝-v0·l′ 式(21)
则
Figure BDA0002977598310000191
根据斜切型缓冲结构的性质，势流函数的二阶导数
Figure BDA0002977598310000192
在斜切型缓冲结构的入口
Figure BDA0002977598310000193
区域和斜切开口
Figure BDA0002977598310000194
区域处不为零；引入柱面坐标，势流函数的二阶导数
Figure BDA0002977598310000195
可表示为
Figure BDA0002977598310000196
由上式可知，斜切型缓冲结构的长度lh和隧道半径R确定后，可通过调整参数v0，达到优化
Figure BDA0002977598310000197
的目的，使其在缓冲结构入口
Figure BDA0002977598310000198
区域和斜切开口
Figure BDA0002977598310000199
区域处的值相等且较小，这样，
Figure BDA00029775983100001910
更趋于线性规律增长，达到优化设计的目的；
若各微孔的中心位于同一轴线，则参数r和θ为定值，
Figure BDA00029775983100001911
在斜切开口
Figure BDA00029775983100001912
区域的中心处(x＝-lh/2)产生极值，且极值为-0.89，则式(23)右侧的第一项可简化为
Figure BDA00029775983100001913
同理，
Figure BDA00029775983100001914
在缓冲结构的入口
Figure BDA00029775983100001915
区域(x＝0)处产生极值，且极值为-0.64，则式(23)右侧的第二项可简化为
Figure BDA00029775983100001916
令
Figure BDA00029775983100001917
各驻点处的极值都相等，则
Figure BDA00029775983100001918
相应的斜切型缓冲结构的最优斜切角α可表示为
Figure BDA00029775983100001919
对于长度lh一定的斜切型缓冲结构，最优斜切角α为α＝arctg[(0.72/(1/v0-1))-a/lh]，相应的参数v0取1/(1+0.72(lh/R))，可使初始压缩波压力曲线更趋于线性规律增长，压力梯度峰值相等且最小，达到优化设计的目的；
最后代入实际数据进行优化验证，代入的实际数据如表2所示
Figure BDA0002977598310000201
表2
针对参数v0分别为0.01、0.122(优化值)、0.99的三种斜切型缓冲结构工况，分别计算隧道内初始压缩波的压力p和压力梯度
Figure BDA0002977598310000202
对其进行无量纲化处理，得到隧道内初始压缩波无量纲压力Cp及压力梯度
Figure BDA0002977598310000203
并绘于图6中进行比较分析。
由图6中的a图可知，三种斜切型缓冲结构的初始压缩波压力峰值趋于一致，在列车刚抵达缓冲结构入口(U[t]/R＝0)处，v0＝0.01工况的压力曲线比较缓和，而v0＝0.99工况的压力曲线比较陡峭；随着列车的逐渐深入(U[t]/R＞0)后，v0＝0.99工况的压力曲线比较陡峭，而v0＝0.1工况的压力曲线又变得比较缓和；v0＝0.122工况(v0的优化值)的压力曲线整体更缓和，且呈线性增长。由图6中的b图可知，v0＝0.99和v0＝0.01的两种斜切型缓冲结构的压力梯度曲线均存在2个峰值，第1个峰值是列车与缓冲结构入口
Figure BDA0002977598310000204
(U[t]/R＝0)区域处相互作用产生的，第2个峰值是列车与斜切开口
Figure BDA0002977598310000205
(U[t]/R＝5)区域相互作用产生的。v0＝0.122(v0的优化值)斜切型缓冲结构的压力梯度曲线出现了平直的水平段，且压力梯度峰值最小。v0＝0.99工况，压力梯度峰值
Figure BDA0002977598310000206
v0＝0.01工况，压力梯度峰值
Figure BDA0002977598310000207
v0＝0.122(v0的优化值)工况，压力梯度峰值均匀相等且最小，
Figure BDA0002977598310000208
由分析可知，斜切型缓冲结构的参数v0变化时，对初始压缩波波前压力峰值的影响不大，但经过优化的参数v0会使压力曲线成线性规律增长；参数v0变化时，对初始压缩波的压力梯度影响较大，经过优化的参数v0会使压力梯度曲线出现了平直的水平段，且压力梯度峰值最小。该斜切型缓冲结构具有优化的必要，且优化效果显著。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (2)

1.一种斜切型隧道入口缓冲结构的设计优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、计算模型：
所述斜切型隧道入口缓冲结构是在常规隧道的入口处，通过一个与缓冲结构或隧道轴线成一定角度的斜平面切割形成的结构，设坐标原点在缓冲结构入口处O点，列车及隧道的对称轴与x轴重合，列车沿x轴负向以一定速度U进入隧道，假设列车头部长度L范围内符合理想地流线型设计，车头横断面积AT逐渐变大，列车车身高度为h，横断面积保持定值A0；隧道截面为半径R的半圆形，横断面积为A；隧道入口处的斜切型缓冲结构，长度lh，且lh>>R，缓冲结构的横断面积函数为Ah(x)，斜切角为α，入口高度为a，忽略地面摩擦的影响，将列车和隧道沿着地面作镜像，并对镜像进行分区，分为隧道内远离入口的区域
Figure FDA0003824705690000011
隧道与斜切型缓冲结构的连接部区域
Figure FDA0003824705690000012
切型缓冲结构的斜切开口区域
Figure FDA0003824705690000013
斜切型缓冲结构区域
Figure FDA0003824705690000014
斜切型缓冲结构入口区域
Figure FDA0003824705690000015
和斜切型缓冲结构外部的自由空间区域
Figure FDA0003824705690000016
S2、基于气动声学求解隧道气动效应：
首先借助势流函数
Figure FDA0003824705690000017
求出相应的广义Green函数；然后求解气动声学方程，根据气动声学方程得出气动“活塞效应”压力pT和斜切开口喷射出流压力
Figure FDA0003824705690000018
接着求斜切型缓冲结构的隧道内初始压缩波，得到初始压缩波波前的压力梯度；最后根据实际数据对斜切型缓冲结构的缓冲效果进行计算验证；
所述广义Green函数的具体计算方法为：
S201、求斜切型缓冲结构入口处势流函数：
缓冲结构入口范围内
Figure FDA0003824705690000019
和
Figure FDA00038247056900000110
区域即x＝0的势流函数
Figure FDA0003824705690000021
式中l′≈0.3R+a，Ah0表示缓冲结构入口处横断面积；
Figure FDA0003824705690000022
斜切型缓冲结构入口
Figure FDA0003824705690000023
区域(x＝0)势流函数为
Figure FDA0003824705690000024
根据位势理论可知：势流函数在斜切型缓冲结构入口处是连续的，且当斜切型缓冲结构的长度远远大于其4倍半径时，
Figure FDA0003824705690000025
区域处的势函数统一采用
Figure FDA0003824705690000026
表示；
S202、求斜切型缓冲结构的斜切开口处势流函数：
将斜切型缓冲结构的斜切开口处看作无限多个连续微孔，设速度势为
Figure FDA0003824705690000027
的一平面波从微孔左侧无穷远处入射，得x′处微孔的势流函数为
Figure FDA0003824705690000028
式中Rw表示微孔处的反射系数；Fw表示微孔处的透射系数；α0和β0为耦合系数；
Figure FDA0003824705690000029
表示在一开口圆管中，两个以单位速度相向而运动的活塞形成的“单极子”流产生的孔洞处速度势；
Figure FDA00038247056900000210
表示在一开口圆管中，两个以单位速度从左向右同向运动的活塞形成的“偶极子”流产生的孔洞处速度势；
根据重叠区域等效表示的原则，联立求得相关系数α0、β0、Rw和Fw
Figure FDA00038247056900000211
Figure FDA00038247056900000212
Figure FDA00038247056900000213
Figure FDA0003824705690000031
S203、根据斜切型缓冲结构的特点，求解广义Green函数：
设在隧道内x点处(x＝-∞)入射一平面波
Figure FDA0003824705690000032
则观察点x′位于隧道的不同位置区域
Figure FDA0003824705690000033
处，会产生不同的声场；
当观察点x′位于隧道内
Figure FDA0003824705690000034
区域，且远离斜切开口
Figure FDA0003824705690000035
区域，即满足|x′+lh|＞＞R，此时
Figure FDA0003824705690000036
当观察点x′位于斜切型缓冲结构的斜切开口
Figure FDA0003824705690000037
区域，
Figure FDA0003824705690000038
当观察点x′位于斜切型缓冲结构入口
Figure FDA0003824705690000039
区域，
Figure FDA00038247056900000310
当观察点x′位于斜切型缓冲结构外自由空间
Figure FDA00038247056900000311
区域，
Figure FDA00038247056900000312
式中
Figure FDA00038247056900000313
RT、α、β、γ、δ、ε是与声波数、缓冲结构斜切角、尺寸和隧道半径有关的系数，根据重叠区域等效表示的原则，联立式(3)至式(6)，求得式中的各个系数；
将求得的系数α、β、γ、δ表达式回代入式(4)和式(5)，并进行Fourier变换，得到斜切型缓冲结构入口
Figure FDA00038247056900000314
区域和斜切开口
Figure FDA00038247056900000315
区域的广义Green函数的近似表示GE和GW
Figure FDA00038247056900000316
Figure FDA00038247056900000317
因为|RW|＜1，则
Figure FDA00038247056900000318
可表示成级数形式，即
Figure FDA00038247056900000319
将式(7)中的积分形式采用级数形式表示，即：
Figure FDA0003824705690000041
式中，δ(x)为狄拉克函数，
Figure FDA0003824705690000042
A项表示直接从声源点发射并传入隧道的入射波，B项表示直接入射波经过斜切型缓冲结构的斜切开口
Figure FDA0003824705690000043
区域时的修正项，C项表示在斜切型缓冲结构入口
Figure FDA0003824705690000044
区域处的n次反射波；
当斜切角α→0，即a→R时，说明斜切开口面积很小，忽略缓冲结构上斜切开口的影响，则可忽略式(9)中的B、C两项，只考虑A项；当α角较大，即a→0时，说明斜切开口面积较大，则式(9)中A、B两项相互抵消，可以忽略，只考虑C项；
将式(8)中的积分形式也采用级数形式表示，即
Figure FDA0003824705690000045
式中，
Figure FDA0003824705690000046
A项表示在斜切型缓冲结构的斜切开口
Figure FDA0003824705690000047
区域向右传播的波，B项表示在斜切型缓冲结构的斜切开口
Figure FDA0003824705690000048
区域向左传播的波；
综上，斜切型缓冲结构的广义Green函数G＝GE+GW 式(11)；
求解气动声学方程、气动“活塞效应”压力pT和斜切开口喷射出流压力
Figure FDA0003824705690000051
的具体方法包括以下步骤：
S211、忽略热传导和摩擦的影响，可得线性化气动声学方程
Figure FDA0003824705690000052
式中A项表示分布在列车表面的单、偶极子声源，B项表示斜切型缓冲结构斜切开口处喷射出流剪切层中涡动产生的声源；
气动声学方程的右侧声源项包含两项，则式(12)的解(即初始压缩波的压力)也应由两部分组成
p＝pT+pω 式(13)
其中，pT表示气动“活塞效应”压力，pω表示喷射出流剪切层中涡动压力；
为便于研究，忽略摩擦、热传导和入口
Figure FDA0003824705690000053
区域的喷射出流的涡动压力(即
Figure FDA0003824705690000054
)，仅考虑斜切开口
Figure FDA0003824705690000055
区域喷射出流剪切层中涡动压力
Figure FDA0003824705690000056
故
Figure FDA0003824705690000057
S212、计算气动“活塞效应”压力pT：
气动“活塞效应”形成的初始压缩波由两部分构成：一部分是高速列车与斜切型缓冲结构入口
Figure FDA0003824705690000058
区域相互作用所致，用pE来表示；另一部分是高速列车与斜切型缓冲结构的斜切开口
Figure FDA0003824705690000059
区域相互作用所致，用pW来表示，则pT＝pE+pW，应用Green函数，求解声学方程可得：
Figure FDA00038247056900000510
式(14)两侧对时间t进行积分，可得气动“活塞效应”压力pT为
Figure FDA0003824705690000061
当时间t→+∞时，气动“活塞效应”的压力增量ΔpT为
Figure FDA0003824705690000062
即
Figure FDA0003824705690000063
当斜切角α→0时，斜切开口很小，孔洞的Rayleigh传导系数K→0，斜切型缓冲结构的入口横断面积Ah→A，则Ah/(Ah+lK)→1，(lK)/(Ah+lK)→0，即ΔpW→0，则ΔpT＝ΔpE，可以忽略斜切型缓冲结构上斜切开口的影响；当α较大时，缓冲结构的入口横断面积Ah→0，斜切开口较大，K→∞，则Ah/(Ah+lK)→0，(lK)/(Ah+lK)→1，即ΔpE→0，则ΔpT＝ΔpW，忽略斜切型缓冲结构入口的影响；ΔpT在无缓冲结构时，列车“活塞效应”气动压力波前增量表达一致，可见，设置斜切型缓冲结构对降低隧道气动“活塞效应”压力增量的效果不显著；
S213、计算斜切开口喷射出流压力
Figure FDA0003824705690000064
当高速列车抵达斜切开口
Figure FDA0003824705690000065
区域的第i个微孔处时，假设微孔处的喷射流趋于均匀，将微孔处的喷射出流近似为一段长为si(t)的柱状气流，微孔处喷射流速恒定为uω,i，其剪切层中的喷射涡动产生的压力为
Figure FDA0003824705690000066
则斜切型缓冲结构斜切开口处喷射出流剪切层中涡动产生的压力为
Figure FDA0003824705690000067
S3、对斜切型缓冲结构进行优化：具体优化内容为对缓冲结构长度一定时的斜切角的优化，最后验证优化结果；
具体步骤为：设置斜切型缓冲结构隧道内初始压缩波的无量纲压力Cp和压力梯度
Figure FDA0003824705690000071
分别与势流函数的导数和二阶导数有关，斜切型缓冲结构的优化设计，需要通过调整势流函数的导数
Figure FDA0003824705690000072
使其发生线性变化，即可达到理想的最优效果；
由速度势流函数定义，
Figure FDA0003824705690000073
当x＝0时，
Figure FDA0003824705690000074
当x＜-lh时，
Figure FDA0003824705690000075
由于斜切型缓冲结构的斜切开口
Figure FDA0003824705690000076
区域可看作连续分布的无穷多个矩形微孔，当-lh＜x＜0时，
Figure FDA0003824705690000077
在v0和1之间呈线性变化，斜切型缓冲结构内的
Figure FDA0003824705690000078
为
Figure FDA0003824705690000079
上式含有a0、v0两个未知参数，可借助斜切型缓冲结构入口
Figure FDA00038247056900000710
区域(x＝0)处的势流条件求得
a0＝-v0·l′ 式(21)
则
Figure FDA00038247056900000711
根据斜切型缓冲结构的性质，势流函数的二阶导数
Figure FDA00038247056900000712
在斜切型缓冲结构的入口
Figure FDA00038247056900000713
区域和斜切开口
Figure FDA00038247056900000714
区域处不为零；引入柱面坐标，势流函数的二阶导数
Figure FDA00038247056900000715
可表示为
Figure FDA00038247056900000716
由上式可知，斜切型缓冲结构的长度lh和隧道半径R确定后，可通过调整参数v0，达到优化
Figure FDA00038247056900000717
的目的，使其在缓冲结构入口
Figure FDA00038247056900000718
区域和斜切开口
Figure FDA00038247056900000719
区域处的值相等且较小，这样，
Figure FDA00038247056900000720
更趋于线性规律增长，达到优化设计的目的；
若各微孔的中心位于同一轴线，则参数r和θ为定值，
Figure FDA00038247056900000721
在斜切开口
Figure FDA00038247056900000722
区域的中心处(x＝-lh/2)产生极值，且极值为-0.89，则式(23)右侧的第一项可简化为
Figure FDA0003824705690000081
同理，
Figure FDA0003824705690000082
在缓冲结构的入口
Figure FDA0003824705690000083
区域(x＝0)处产生极值，且极值为-0.64，则式(23)右侧的第二项可简化为
Figure FDA0003824705690000084
令
Figure FDA0003824705690000085
各驻点处的极值都相等，则
Figure FDA0003824705690000086
相应的斜切型缓冲结构的最优斜切角α可表示为
Figure FDA0003824705690000087
对于长度lh一定的斜切型缓冲结构，最优斜切角α为α＝arctg[(0.72/(1/v0-1))-a/lh]，相应的参数v0取1/(1+0.72(lh/R))，可使初始压缩波压力曲线更趋于线性规律增长，压力梯度峰值相等且最小，达到优化设计的目的。
2.根据权利要求1所述的一种斜切型隧道入口缓冲结构的设计优化方法，其特征在于，S2中所述的斜切型缓冲结构的隧道内初始压缩波的计算方法为：
高速列车驶入设置斜切型缓冲结构的隧道产生的初始压缩波压力可表示为：
Figure FDA0003824705690000088
pT＞＞pω，隧道内的气动“活塞效应”压力pT决定初始压缩波波前的形成，而斜切开口
Figure FDA0003824705690000089
区域喷射出流剪切层中涡动产生的压力pω发生在波前形成以后，是压力曲线后部增量的原因所在，故在比较斜切型缓冲结构的缓冲效果时，仅考虑气动“活塞效应”压力，忽略喷射出流涡动和摩擦的影响，这样，并不会影响初始压缩波波前效果，且大大简化了计算；
初始压缩波波前的压力梯度为
Figure FDA0003824705690000091
对设置斜切型缓冲结构的隧道内初始压缩波压力及其压力梯度进行无量纲化处理，得到相应的无量纲压力Cp和压力梯度
Figure FDA0003824705690000092
CN202110279596.3A 2021-03-16 2021-03-16 一种斜切型隧道入口缓冲结构的设计优化方法 Active CN112814696B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110279596.3A CN112814696B (zh) 2021-03-16 2021-03-16 一种斜切型隧道入口缓冲结构的设计优化方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110279596.3A CN112814696B (zh) 2021-03-16 2021-03-16 一种斜切型隧道入口缓冲结构的设计优化方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112814696A CN112814696A (zh) 2021-05-18
CN112814696B true CN112814696B (zh) 2023-01-31

Family

ID=75863280

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110279596.3A Active CN112814696B (zh) 2021-03-16 2021-03-16 一种斜切型隧道入口缓冲结构的设计优化方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112814696B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114837688B (zh) * 2022-05-10 2023-05-16 中南大学 一种缓解隧道微气压波的结构
CN114837689B (zh) * 2022-05-10 2022-12-13 中南大学 一种基于入射空间角的隧道微气压波缓解方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101402366A (zh) * 2008-11-24 2009-04-08 中铁二院工程集团有限责任公司 高速铁路地下车站气动效应缓解设施
CN101697173A (zh) * 2009-10-26 2010-04-21 中南大学 高速列车经过隧道后的微压波计算方法
CN101929339A (zh) * 2010-06-22 2010-12-29 西南交通大学 高速铁路隧道洞身微压波减缓构造
CN103016023A (zh) * 2012-12-31 2013-04-03 中铁第四勘察设计院集团有限公司 一种喇叭口隧道洞门结构
CN103016025A (zh) * 2012-12-31 2013-04-03 中铁第四勘察设计院集团有限公司 一种高速铁路双线隧道洞口缓冲结构
CN103470269A (zh) * 2013-10-17 2013-12-25 铁道第三勘察设计院集团有限公司 高速铁路隧道洞口间缝式高效缓冲结构
JP2016132928A (ja) * 2015-01-20 2016-07-25 東海旅客鉄道株式会社 緩衝工
CN208959100U (zh) * 2018-08-15 2019-06-11 国旭天华（苏州）医疗器械科技有限公司 流线型双瓣膜防返流导管
CN112395679A (zh) * 2020-11-23 2021-02-23 河北工程大学 一种等段阶梯型隧道缓冲结构及其设计优化方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101402366A (zh) * 2008-11-24 2009-04-08 中铁二院工程集团有限责任公司 高速铁路地下车站气动效应缓解设施
CN101697173A (zh) * 2009-10-26 2010-04-21 中南大学 高速列车经过隧道后的微压波计算方法
CN101929339A (zh) * 2010-06-22 2010-12-29 西南交通大学 高速铁路隧道洞身微压波减缓构造
CN103016023A (zh) * 2012-12-31 2013-04-03 中铁第四勘察设计院集团有限公司 一种喇叭口隧道洞门结构
CN103016025A (zh) * 2012-12-31 2013-04-03 中铁第四勘察设计院集团有限公司 一种高速铁路双线隧道洞口缓冲结构
CN103470269A (zh) * 2013-10-17 2013-12-25 铁道第三勘察设计院集团有限公司 高速铁路隧道洞口间缝式高效缓冲结构
JP2016132928A (ja) * 2015-01-20 2016-07-25 東海旅客鉄道株式会社 緩衝工
CN208959100U (zh) * 2018-08-15 2019-06-11 国旭天华（苏州）医疗器械科技有限公司 流线型双瓣膜防返流导管
CN112395679A (zh) * 2020-11-23 2021-02-23 河北工程大学 一种等段阶梯型隧道缓冲结构及其设计优化方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
缓冲结构对铁路隧道车站气动效应影响研究;王英学;《路基工程》;20090430;154-156 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112814696A (zh) 2021-05-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112814696B (zh) 一种斜切型隧道入口缓冲结构的设计优化方法
EP1714871B1 (en) Acoustic dampers
EP0984662B1 (en) Waveguide electroacoustical transducing
US2916230A (en) Supersonic airfoil
EP4190664A1 (en) Air conditioning duct for rail transit vehicle
WO2020134005A1 (zh) 具有非对称后体型面的喉道偏移式气动矢量喷管
EP2252836B1 (en) Sound absorbing baffle and arrangement for a baffle
CN106468197B (zh) 一种宽频降噪消声器
EP1410683A2 (en) Speaker port system for reducing boundary layer separation
CA2968584C (en) Three dimensional pinched airflow nozzle and methods for use thereof
CN110671231B (zh) 一种具有前置扰流片的喉道偏移式气动矢量喷管
JP3822368B2 (ja) トンネル入出口に発生する低周波音を低減する緩衝工
EP3693956B1 (en) Soundproof structural body
CN112962361B (zh) 动力吸振装置
CN110889180B (zh) 一种扇环转矩形隔离段设计方法
CN111503410A (zh) 一种赫姆霍兹型消声器
CN108019295B (zh) 一种航空发动机扰流降噪装置
EP1085201A3 (en) Tuned active helmholtz resonator with forced response
CN206338099U (zh) 一种宽频降噪消声器
CN207093251U (zh) 一种用于消除管道内泄气噪音的管路结构
CN101566076B (zh) 能削弱跨音速涡轮激波强度的叶片
CN210670560U (zh) 一种声音传播管道及助听器
CN113392548A (zh) 一种基于消声器的仿真模型软件排气系统
JP2912178B2 (ja) 鉄道車両
CN112395679A (zh) 一种等段阶梯型隧道缓冲结构及其设计优化方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant