CN113010969A - 一种高速列车进隧道压力波最大值的计算校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速列车进隧道压力波最大值的计算校正方法，所述计算校正方法至少包括：S1：建立列车的几何模型，保留列车转向架及路基、铁轨，并划分网格；S2：确定数值模拟方法；S3：使用动模型试验对数值模拟方法进行验证，在仿真与试验结果不符时返回步骤S2重新确定设置模拟方法，在仿真与试验结果相符时进行步骤S4；S4：对不同编组长度的列车模型进行数值仿真；S5：基于数值仿真的结果分析最大压力波幅值的增量与列车编组长度的关系，并拟合出相应关系式；S6：将S5中拟合得到的关系式合并至现有经验公式上，得到校正后的经验公式。

Description

一种高速列车进隧道压力波最大值的计算校正方法

技术领域

本发明属于空气动力学领域，尤其涉及一种高速列车进隧道压力波最大值的计算校正方法。

背景技术

高速列车在高速行驶过程中，会产生一系列空气动力学相关问题。列车驶入隧道时，隧道内空气产生阻塞效应，列车快速驶入引起的压缩波和膨胀波以及波的干涉叠加，使得隧道内压力剧烈变化，其产生的冲击会影响车辆行驶的稳定性。压力波动也会引起客车车厢内压力变化，引起乘客耳部不适等状况。压力波过大还会对设备舱、车窗等车体结构安全性产生影响。列车穿越隧道时，在车头驶入隧道口的过程中，压力波急剧上升，同时压缩波在隧道内传播并反射，当尾车进隧道后产生膨胀波，压力迅速下降。压力波幅值的大小与列车隧道截面阻塞比、列车头型、行驶速度等均有密切关系。

高速列车进隧道的压力波幅值研究主要包括试验研究和数值研究。试验研究是基本的研究方法，其结果常用来标定与修正数值研究的结果，然而其成本昂贵，费时费力，且容易受到试验条件的种种限制；数值研究是对实际物理情景进行一定的简化，建立相应的数学物理模型，通过计算机数值仿真便可以得到与实际相符的结果。在有试验研究验证的情况下，数值研究可以以低成本快速得到可靠的结果。

列车进隧道的压力波幅值主要受列车运行速度、隧道长度、阻塞比、列车头型等参数的影响。目前关于车速和阻塞比对压力波幅值的影响，已经有较多的研究及明确的结论。前人给出的经验公式也大多基于理论与试验研究，与实际压力波幅值有着较好的吻合。然而这些经验公式均未考虑列车编组长度对压力波幅值的影响，没有给出编组长度对压力波幅值影响的定量分析。在高速列车编组长度变化的情况下，压力波实际的幅值与经验公式的结果有着一定的出入。

由于高速列车进隧道的压力波幅值对行车安全、车体结构等具有重大的影响，同时考虑到成本因素，有必要通过数值研究方法对已有的经验公式进行相应的改进。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种高速列车进隧道压力波最大值的计算校正方法，本发明计算校正方法考虑了列车编组长度对压力波的贡献，准确校正了高速列车进隧道压力波最大值相关经验公式。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种高速列车进隧道压力波最大值的计算校正方法，所述计算校正方法至少包括：S1：建立列车的几何模型，保留列车转向架及路基、铁轨，并划分网格；S2：确定数值模拟方法；S3：使用动模型试验对数值模拟方法进行验证，在仿真与试验结果不符时返回步骤S2重新确定设置模拟方法，在仿真与试验结果相符时进行步骤S4；S4：对不同编组长度的列车模型进行数值仿真；S5：基于数值仿真的结果分析最大压力波幅值的增量与列车编组长度的关系，并拟合出相应关系式；S6：将步骤S5中拟合得到的关系式合并至现有经验公式上，得到校正后的经验公式。

根据一个优选的实施方式，所述步骤S6还包括对校正后经验公式的准确性进行验证。

根据一个优选的实施方式，所述步骤S2中，确定数值模拟方法包括：计算算法采用求解低速流动的压力修正算法求解RANS方程、湍流模型采用

模型、动网格方法采用滑移网格方法、滑移面的插值算法采用守恒型插值算法。

根据一个优选的实施方式，所述步骤S3中，动模型试验采用车缩比模型进行试验。

根据一个优选的实施方式，所述步骤S1中建立列车的几何模型过程中，列车的列车头型号不限于采用CRH380、CRH350、CRH250和CRH1-6型车头。

根据一个优选的实施方式，所述步骤S1中划分的网格采用结构网格或非结构网格。

根据一个优选的实施方式，所述步骤S5中，最大压力波幅值的增量与编组长度的关系拟合公式采用多项式拟合或线性回归拟合。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，（各非冲突选择）选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本发明的有益效果：本发明提供了一种高速列车进隧道压力波最大值的计算校正方法，在现有经验公式的基础上，考虑了列车编组长度对压力波最大值的影响，校正了相关公式，提高了理论计算的准确性，对于正确计算高速列车进隧道压力波最大值，进而对保障高速列车行车安全具有重要意义。

附图说明

图1是本发明计算校正方法的流程示意图；

图2是本发明中隧道壁和车体表面测点位置示意图；

图3是本发明中CRH3A车型动模型试验与仿真结果的对比图；

图4是本发明中三种编组B1测点上的压力波。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。

实施例1：

参考图1至图4所示，本发明公开了一种高速列车进隧道压力波最大值的计算校正方法。本实施例以列车车型为CRH380的高速列车为例。所述计算校正方法至少包括：

步骤S1：建立列车车型为CRH380的高速列车的几何模型，保留列车转向架及路基、铁轨，并划分网格。

优选地，列车编组采用三车、六车和八车编组。划分出结构网格，分为两块，一块为运动区，包含车辆及其附近空间网格；另一块为静止区，包含隧道及其附近空间网格。网格总量约2000万。并在头车、中间车和隧道壁设表面压力的监测点。

步骤S2：确定数值模拟方法；

优选地，确定数值模拟方法包括：计算算法采用求解低速流动的压力修正算法求解RANS方程，湍流模型采用

模型。动网格方法采用滑移网格方法，网格块和网格单元进行刚性运动，形状保持不变，两块网格的交界面处滑移运动，变量在交界面处进行插值。滑移面的插值算法采用守恒型插值算法，将网格重叠部分的投影面积作为通量插值的权重。

步骤S3：使用CRH3A车缩比模型进行仿真计算，并与实验结果对比，验证数值模拟方法的可靠性。实验在动模型试验装置上展开，该装置通过弹射方式使模型列车在模拟线路上运行。参考图3所示。实验使用的模型为三车编组，模型比例为1：16.8，压力波测点位于列车头车鼻尖附近。对比试验结果与仿真结果，若满足误差要求，则继续下一步，若不满足误差要求，则返回步骤S2修改计算方法直至满足精度要求。

步骤S4：对不同编组长度的列车模型进行数值仿真。

具体地，可以在高速列车车速为250km/h时，分别对列车在三车、六车、八车编组情况下进行数值仿真。研究列车在不同编组长度进隧道时非定常压力波的变化过程，得到隧道内流场压力分布，以及隧道壁、列车表面监测点压力波随时间变化的曲线。

步骤S5：基于数值仿真的结果分析最大压力波幅值的增量与列车编组长度的关系，并拟合出相应关系式。所述步骤S5中，最大压力波幅值的增量与编组长度的关系拟合公式采用多项式拟合或线性回归拟合。

具体地，日本小泽智提出的压力波最大值的经验公式为：

。

其中，

为堵塞比，M _a 为列车行驶马赫数，V _train 为列车车速，

为空气密度。参考图4和表1，隧道壁压力最大值仿真计算结果与经验公式的预测值的对比表。

表1

在表1中列出三种编组情况下隧道壁压力波幅值的计算结果，以及按照日本小泽智的经验公式计算得到的列车进隧道压力波最大值的预测值。

对比结果可见，经验公式在小编组情况下预测结果较好，随着车体长度增加，预测的结果与数值计算结果偏差逐渐变大。

分析表中的仿真结果发现，最大压力波幅值的增量与编组长度基本呈线性关系，对其做线性回归拟合，得到其公式为：

。其中x为列车车身长度；y为压力波增量。

步骤S6：将步骤S5中拟合得到的关系式合并至现有经验公式上，得到校正后的经验公式。

具体地，将车体长度引起的压力增加加入到日本小泽智提出的经验公式上，可给出以下改进的压力波最大值经验公式：

；

其中，K为摩擦系数，K = 3.3732 Pa/m；

为列车长度。

优选地，所述步骤S6还包括对校正后经验公式的准确性进行验证。比较修正后经验公式的结果与仿真计算得到的结果，计算偏差分别为三车编组-21Pa、六车编组7Pa、八车编组3Pa，最大偏差为0.75%。

从上述技术方案可以看出，本实施例提供的高速列车进隧道压力波最大值相关经验公式校正方法结合数值仿真技术，对列车进隧道压力波最大值相关经验公式进行了准确的校正，动模型实验数据验证了该方法的可靠性，经过校正后的经验公式可直接用于列车行车安全分析。

前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。本领域技术人员可知有众多组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高速列车进隧道压力波最大值的计算校正方法，其特征在于，所述计算校正方法包括：

S1：建立列车的几何模型，保留列车转向架及路基、铁轨，并划分网格；

S2：确定数值模拟方法；

S3：使用动模型试验对数值模拟方法进行验证，在仿真与试验结果不符时返回步骤S2重新确定设置模拟方法，在仿真与试验结果相符时进行步骤S4；

S4：对不同编组长度的列车模型进行数值仿真；

S5：基于数值仿真的结果分析最大压力波幅值的增量与列车编组长度的关系，并拟合出相应关系式；

S6：将步骤S5中拟合得到的关系式合并至现有经验公式上，得到校正后的经验公式。

2.如权利要求1所述的高速列车进隧道压力波最大值的计算校正方法，其特征在于，所述步骤S6还包括对校正后经验公式的准确性进行验证。

3.如权利要求1所述的高速列车进隧道压力波最大值的计算校正方法，其特征在于，所述步骤S2中，确定数值模拟方法包括：计算算法采用求解低速流动的压力修正算法求解RANS方程、湍流模型采用

模型、动网格方法采用滑移网格方法、滑移面的插值算法采用守恒型插值算法。

4.如权利要求3所述的高速列车进隧道压力波最大值的计算校正方法，其特征在于，所述步骤S3中，动模型试验采用车缩比模型进行试验。

5.如权利要求4所述的高速列车进隧道压力波最大值的计算校正方法，其特征在于，所述步骤S1中建立列车的几何模型过程中，列车的列车头型号包括CRH380、CRH350、CRH250和CRH1-6型车头。

6.如权利要求5所述的高速列车进隧道压力波最大值的计算校正方法，其特征在于，所述步骤S1中划分的网格采用结构网格或非结构网格。

7.如权利要求1或6所述的高速列车进隧道压力波最大值的计算校正方法，其特征在于，所述步骤S5中，最大压力波幅值的增量与编组长度的关系拟合公式采用多项式拟合或线性回归拟合。

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