CN114837689B - 一种基于入射空间角的隧道微气压波缓解方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于入射空间角的隧道微气压波缓解方法，当列车靠近缓冲结构时，前方气流以球面波的形式向四周散开，并且该球面波的等效半径为隧道断面的水力半径，形成的空间角为1/4球体π，以该球体的球心为投影中心，将缓冲结构入口平面向球面S上投影，得到投影面积S1，定义入射空间角θ＝S1/S×π，通过减小入射空间角θ的大小，来减小列车通过隧道产生的微气压波。本发明满足了在既有铁路隧道的基础上，更高速列车顺利安全地通过隧道这一需求，通过对缓冲结构入射空间角特征与隧道出口微气压波之间影响机制的研究，可以得出高效缓解微气压波的缓冲结构模型，为缓冲结构设计提供新的方式。
Description
技术领域
本发明涉及高速列车空气动力学领域，特别涉及一种基于入射空间角的隧道微气压波缓解方法。
背景技术
当列车高速进入隧道时，由于隧道壁面的限制，使得前方气流波动并形成初始压缩波，并在隧道出口以脉冲波的形式向外辐射，产生噪声音爆，对周围环境产生危害。为缓解隧道出口微气压波，在隧道口设置缓冲结构，以此来减缓列车进入隧道产生的初始压缩波梯度。现阶段，常用于缓解隧道空气动力学的缓冲结构有多种类型，但当更高速列车在既有线路上运行时，现有隧道缓冲结构已不能高效缓解该速度等级下列车通过隧道产生的气动效应，无法达到现有铁路隧道标准。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
本发明的目的是：针对上述背景技术中存在的不足，提供一种高速铁路上缓解隧道微气压波的方法，通过对缓冲结构的入射空间角特征与隧道出口微气压波之间影响机制的研究，得出、优化缓解微气压波的缓冲结构模型，确保更高速列车顺利安全地通过隧道。
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于入射空间角的隧道微气压波缓解方法，当列车靠近缓冲结构时，前方气流以球面波的形式向四周散开，并且该球面波的等效半径为隧道断面的水力半径，形成的空间角为1/4球体π，以该球体的球心为投影中心，将缓冲结构入口平面向1/4球面S上投影，得到投影面积S1，定义入射空间角θ＝S1/S×π，通过减小入射空间角θ的大小，来减小列车通过隧道产生的微气压波。
进一步地，将缓冲结构的开口调整为截面斜切式，来减小入射空间角θ，截面斜切率大于0。
进一步地，缓冲结构的截面斜切率与入射空间角满足对数关系。
进一步地，将缓冲结构的开口边缘处调整为锯齿状，来减小入射空间角θ。
进一步地，将缓冲结构的开口调整为截面斜切式且边缘处调整为锯齿状，来减小入射空间角θ。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
本发明提供的缓解隧道微气压波的方案，满足了在既有铁路隧道的基础上，更高速列车顺利安全地通过隧道这一需求，通过对缓冲结构入射空间角特征与隧道出口微气压波之间影响机制的研究，可以得出高效缓解微气压波的缓冲结构模型，为缓冲结构设计提供新的方式；
本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1为本发明的实施例1垂直式缓冲结构示意图；
图2为本发明的实施例1斜切式缓冲结构示意图；
图3为本发明的斜切率与入射空间角对数拟合曲线图；
图4为本发明的实施例1不同斜切率下隧道出口20m处微气压波时间历程；
图5为本发明的实施例1不同斜切率下隧道出口50m处微气压波时间历程；
图6为本发明的实施例2缓冲结构示意图；
图7为本发明的实施例2中20m处的微气压波时间历程；
图8为本发明的实施例2中50m处的微气压波时间历程。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
在本发明的描述中，为了简单说明，该方法或规则作为一系列操作来描绘或描述，其目的既不是对实验操作进行穷举，也不是对实验操作的次序加以限制。例如，实验操作可以各种次序进行和/或同时进行，并包括其他再次没有描述的实验操作。此外，所述的步骤不都是在此描述的方法和算法所必备的。本领域技术人员可以认识和理解，这些方法和算法可通过状态图或项目表示为一系列不相关的状态。
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基于附图所示的方位或位置关系，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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明涉及高速列车空气动力学领域，当列车进入隧道时，前方气流由于隧道壁面的限制和粘性作用无法及时排开，造成隧道内部产生压力波动，剧烈的压力变化使得隧道内产生初始压缩波，初始压缩波以脉冲波的形式向外辐射，即隧道出口微气压波。当列车以更高速度运行时，通过隧道引发的气动效应愈发明显。针对设计时速更高的列车在既有线路上运行时，现存的隧道缓冲结构已不能高效缓解该速度等级下列车通过隧道产生的气动效应，无法达到现有铁路隧道标准。为缓解高速列车通过隧道产生的空气动力学效应，现有技术中对隧道缓冲结构进行了一系列优化改进，但并不具有普遍性，因而对于不同状况隧道的改进效果不够稳定，难以达到满意的效果。
基于此，本发明的实施例1提供了一种高速铁路隧道微气压波的缓冲结构优化方法，力求从机理上对隧道微气压波进行缓解。
具体地，当列车靠近缓冲结构时，前方气流以球面波的形式向四周散开，并且该球面波的等效半径为隧道断面的水力半径，形成的空间角为1/4球体，即为π，以该球体的球心为投影中心，将缓冲结构向1/4球面S上投影，得到投影面积S1，定义入射空间角θ＝S1/S×π。
对于如图1、图2所示的拱形缓冲结构，当列车还未进入缓冲结构时，S1为缓冲结构的入口截面向球面S上的投影面积。
由于斜切式缓冲结构的入射空间角小于垂直式缓冲结构。通过对垂直式缓冲结构和斜切式缓冲结构进行数值计算，发现斜切式缓冲结构对微气压波的缓解效果更佳。因此，可以通过调整缓冲结构开口的截面斜切率大小来对缓冲结构进行优化，以此减小列车进入隧道产生的微气压波。
将缓冲结构的截面斜切率等效为入射空间角，并将两者进行对数拟合，相关系数达0.999，拟合曲线如图3所示。由图可知，两者之间的拟合关系符合对数函数，在斜切率达到一定值时，入射空间角会基本保持不变，从而将斜切率进一步增大时缓冲效果不会明显增强。
通过数值模拟分析了列车以600km/h穿越2000m单线隧道时的空气动力学性能。隧道横断面面积92m2，隧道两端布置缓冲结构，列车采用5车编组；缓冲结构为截面扩大式，横断面面积为两倍隧道横断面面积，缓冲结构长度为100m；斜切率定义为斜切段底部长度与缓冲结构高度的比值，分别取0、1、1.25及1.5。计算所得不同缓冲结构斜切率下距隧道出口20m、50m处的微气压波幅值，如图4和图5所示。由图可知：隧道出口20m及50m处的微气压幅值随着缓冲结构斜切率的增加而减小；当缓冲结构斜切率为1.5时，对隧道出口20m及50m处的微气压波缓解效果最好，20m和50m处微气压波幅值分别为236Pa和126Pa，相比斜切率为0的垂直式缓冲结构时的419Pa及177Pa，缓解效果分别为43.7％及28.8％，如表1-1和表1-2所示。
表1-1：不同缓冲结构斜切率下20m处微气压波幅值。
| 缓冲结构斜切率 | 0 | 1 | 1.25 | 1.5 |
| 微气压波幅值(Pa) | 419 | 273 | 260 | 236 |
| 缓解效果 | - | 34.8％ | 38.0％ | 43.7％ |
表1-2：不同缓冲结构斜切率下50m处微气压波幅值。
因此，可以认为截面斜切率与微气压波的缓解效果为正相关的关系，在对实际缓冲结构进行改进时，可以综合考虑现场施工条件等选择合适的截面斜切率并进行测试，使得入射空间角尽可能小的同时也不会导致尺寸过度增大。
实施例2：
本发明的实施例2提供了另一种减小入射空间角的方式，与实施例1不同的是未进行斜切率的改进，而采用将缓冲结构的开口边缘处设置为锯齿状的方式。
其中，锯齿可以为方形齿槽、梯形齿槽、三角形齿槽等。在计算入射空间角时齿槽所贡献的入射空间角由其底面所决定，显然地，相比于未设置锯齿的缓冲结构空间角减小。
因此，采用该方式，能够在不明显改变缓冲结构纵向尺寸的同时减少入射空间角，从而增强缓解效果。
通过数值模拟分析了列车以600km/h穿越2000m单线隧道时的空气动力学性能。隧道横断面面积92m2，隧道两端布置缓冲结构，列车采用5车编组；缓冲结构横断面面积为两倍隧道横断面面积，缓冲结构长度为100m，并在缓冲结构入口处进行切割，将其变成锯齿状入口，在缓冲结构横断面上设有均匀分布的12个齿槽，每个齿槽均为1m×1m，如图6所示。
经过验证，本实施例和原始缓冲结构下的隧道出口20m和50m处的微气压波时间历程分别如图7和图8所示，由图7、图8和表2-1可知，隧道出口20m和50m处的微气压波分别减缓15.8％和19.2％。
表2-1：有无锯齿状缓冲结构斜切率下20、50m处微气压波幅值。
因此，对于那些难以调整纵向尺寸、结构强度冗余量不大的缓冲结构来说，采用锯齿状开口的缓冲结构能够较好地满足要求。
实施例3：
本发明的实施例3将实施例1与实施例2相结合，即在增大缓冲结构斜切率的同时采用锯齿状入口，依据实施例1与实施例2的推断，能够更有效地缓解隧道微气压波。
本发明不仅适用于高速铁路隧道，也适用于高速磁悬浮铁路隧道使用。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于入射空间角的隧道微气压波缓解方法，其特征在于，当列车靠近缓冲结构时，前方气流以球面波的形式向四周散开，并且该球面波的等效半径为隧道断面的水力半径，形成的空间角为1/4球体，用π表示，以该球体的球心为投影中心，将缓冲结构入口平面向1/4球面上投影，得到投影面积S1，S为1/4球面面积，定义入射空间角θ＝S1/S×π，通过减小入射空间角θ的大小，来减小列车通过隧道产生的微气压波。
2.根据权利要求1所述的一种基于入射空间角的隧道微气压波缓解方法，其特征在于，将缓冲结构的开口调整为截面斜切式，来减小入射空间角θ，截面斜切率大于0，斜切率定义为斜切段底部长度与缓冲结构高度的比值。
3.根据权利要求1所述的一种基于入射空间角的隧道微气压波缓解方法，其特征在于，缓冲结构的截面斜切率与入射空间角满足对数关系，斜切率定义为斜切段底部长度与缓冲结构高度的比值。
4.根据权利要求1所述的一种基于入射空间角的隧道微气压波缓解方法，其特征在于，将缓冲结构的开口边缘处调整为锯齿状，来减小入射空间角θ。
5.根据权利要求1所述的一种基于入射空间角的隧道微气压波缓解方法，其特征在于，将缓冲结构的开口调整为截面斜切式且边缘处调整为锯齿状，来减小入射空间角θ。
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