CN115042837B - 一种基于高速列车加速通过隧道的压力波缓解方法 - Google Patents

一种基于高速列车加速通过隧道的压力波缓解方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于高速列车加速通过隧道的压力波缓解方法，通过进入隧道前减速、隧道内加速的速度调节方式通过隧道，保持高速列车隧道通行效率的同时降低压力波的影响。其中降低压力波的影响包括改善高速列车头车的压力特性，改善每节车厢的压力特性，改善隧道壁的压力特性。采用本发明提供的方法，能够在不需要工程改造和高速列车外形优化的前提下，同时尽可能保证高速列车隧道通行效率的基础上，降低压力波对乘客、车体及隧道的影响，实施受限更少，运营成本更低，产生可靠的压力波缓解效果。

Description

一种基于高速列车加速通过隧道的压力波缓解方法
技术领域
本发明涉及隧道压力波缓解技术领域，特别涉及一种基于高速列车加速通过隧道的压力波缓解方法。
背景技术
建设更高等级的高速铁路，提高既有线路的运行速度，是世界铁路发展的主流趋势。随着高速列车速度的不断提高，高速列车运行带来的空气动力学问题日益突出，尤其是高速列车通过隧道时，会对周围空气产生强烈扰动，形成瞬态压力波。作用于车体表面的瞬态压力会影响车体结构的安全性和运行的平稳性。同时，空气动力效应也会导致乘客耳朵不适，隧道外音爆噪声增大，严重影响乘客舒适度。
根据以往的研究，降低高速列车通过隧道产生的压力波主要有两种途径：一是改造现有隧道，二是优化高速列车的气动外形。但是，出于工程实践的考虑，如今的高铁线路隧道较多，隧道的改造会带来较大的工程改造和较大的资源浪费。同时，高速列车的气动外形优化也已经到了瓶颈阶段，难以取得大的突破。放眼其他国家，由于日本现有高速铁路线路上的隧道截面较小，很难承受更高速度带来的压力波的影响，所以更高速列车往往需要降速后通行。但另一方面，降低速度会对通行效率产生不利影响，因此需要更加谨慎地设计列车隧道通行速度，这也为本专利的产生提供了重要前提和设计思路。总之，随着我国高速列车速度进一步提升，探寻一种适合既有线路且能更有效缓解高速列车通过隧道诱导压力波的新方法，十分必要。
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，提供一种高速列车通过隧道过程压力波缓解方法，在不需要工程改造和高速列车外形优化的前提下，同时尽可能保证高速列车隧道通行效率的基础上，通过针对性调节高速列车通行速度来降低压力波对乘客、车体及隧道的影响。
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于高速列车加速通过隧道的压力波缓解方法，通过进入隧道前减速、隧道内加速的速度调节方式通过隧道，保持高速列车隧道通行效率的同时降低压力波的影响。
进一步地，降低压力波的影响包括改善高速列车头车的压力特性，改善每节车厢的压力特性，改善隧道壁的压力特性。
进一步地，时速400km/h高速列车在隧道前减速至300～325km/h，在隧道内以0.5～1m/s2的加速度加速通过。
进一步地，时速400km/h高速列车在隧道前减速至300km/h，在隧道内以1m/s2的加速度加速通过，加速至400km/h。
进一步地，时速400km/h高速列车在隧道前减速至325km/h，在隧道内以0.5m/s2的加速度加速通过，加速至375km/h。
进一步地，对于过隧道入口距离L≤2250m时，高速列车加速通过隧道能够改善在该段隧道壁的压力特性。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
由于隧道洞口的优化主要是扩大隧道横截面积、改变入口形式、增设缓冲结构、横通道和竖井等方式，这些优化措施都涉及对于隧道的结构改造，然而目前既有线路改造中，多数铁路线地处山区，受地形限制较大，实现起来工程难度很大，同时，对于增设缓冲结构和改变入口形式，当隧道处在地形陡峭或隧道入口直接与桥梁相连时，很难在隧道入口处设置缓冲结构，此外，改造隧道就意味着带来较大的工程花费，提高铁路运营的成本，而采用本方法无需进行隧道工程改造，因此能够更顺利地实施，且降低成本；
优化列车设计一般是对列车密闭性和车头的流线型进行调整，而高速列车的气动外形优化也已经到了瓶颈阶段，传统的优化设计很难取得明显的突破，而新的优化技术目前在高速列车上实现起来很难，所以高速列车优化设计也很难再取得较大的优化效果，采用本方法无需对高速列车进行气动外形优化，能够有效降低压力波，缓解高速列车通过隧道的压力波影响；
本发明通过数值仿真，验证了时速400km/h的高速列车在隧道前减速至325km/h，在隧道内以0.5m/s2的加速度加速至375km/h通过的方案能够更好地降低压力波，是缓解高速列车通过隧道的压力波影响的有效手段；
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为本发明实施例中数值仿真模型；
图2为本发明实施例中数值仿真边界条件；
图3为本发明实施例中三种不同速度模式下列车速度和行驶距离差的时程曲线；
图4为本发明实施例中头车鼻尖点压力时程曲线；
图5为本发明实施例中头车四个测点最大压力值分布图；
图6为本发明实施例中各节车厢中部压力的分布曲线(a为最大压力值，b为最小压力值，c为峰峰压力值)；
图7为本发明实施例中隧道壁面沿线压力的分布曲线(a为最大压力值，b为最小压力值，c为峰峰压力值)。
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。
本发明针对背景技术中的问题，提供了一种新的隧道压力波缓解方法，该方法在保证高速列车通过隧道时间相同的情况下，通过改变高速列车通过隧道的速度，探索了一种新的高速列车穿越长隧道速度策略，也提供了一种新的措施来减轻高速列车进入隧道引起的瞬态压力。
本方法中，以时速400km/h高速列车过隧道为例，列车采用隧道前减速、隧道内加速的速度调节方式通过隧道可以显著降低高速列车头车的峰间压力。其中，较大加速工况(V300-400)的压力峰峰值比匀速工况(V350)下可降低5.63％。而较小加速工况(V325-375)的压力峰峰值比匀速工况(V350)下可降低15.37％。
高速列车的加速可以有效改善每节车厢的空气动力特性。高速列车的加速可以有效降低每辆列车中间的最大、最小和峰峰压力值。但是，加速度的大小也会影响改进效果。考虑到各高速列车的压力变化，加速度较小的工况(V325-375)改善效果较好。与匀速工况(V350)相比，头车和尾车测点压力变化幅度分别降低了8.89％和4.55％。
高速列车的加速度改变了隧道壁的压力特性。对于2500m全长隧道，其中隧道内L≤2250m(距隧道入口的距离)，高速列车的加速可以有效改善其在该段隧道壁的气动特性。但对于L≥2250m(距隧道入口的距离)，高速列车的加速会使该段隧道壁的气动特性略有恶化。综合考虑，高速列车采用本发明提供的基于加速通过隧道的方式能使得隧道壁面压力特性更优。
考虑到旅客舒适性，高速列车的加速度不易过高，一般不超过1m/s2，基于此，本实施例提供了两个高速列车的开行方案和一个对比方案，以400km/h高速列车为例，运行的高速列车整个过程可以概括为在隧道前减速、隧道内加速的速度调节方式通过隧道(同一开行方案下加减速的加速度大小保持相同)：
方案一(V325-375)：
(1)隧道前减速阶段：加速度大小为1m/s2，保证高速列车头部刚进入隧道时速度为325km/h，所以需要在距离隧道前的距离L1时开始从400km/h匀减速至325km/h：
需要经过t1时间：
其中V0为400km/h，V为325km/h，a1大小为1m/s2。
(2)隧道内加速阶段：加速度大小为0.5m/s2，保证高速列车头部刚进入隧道时速度为325km/h，同时车尾部恰好完全离开隧道时为375km/h，高速列车加速行驶的长度为隧道长度L2和一个高速列车车身的长度L：
其中高速列车车身的长度L约为200m，故隧道长度L2约为2500m，加速运行时间为：
其中V1为375km/h，V为325km/h，a2大小为0.5m/s2。
方案二(V300-400)：
(1)隧道前减速阶段：加速度大小为1m/s2，保证高速列车头部刚进入隧道时速度为300km/h，所以需要在距离隧道前的距离L3时开始从400km/h匀减速至300km/h：
需要经过t1时间：
其中V0为400km/h，V2为300km/h，a1大小为1m/s2。
(2)隧道内加速阶段：加速度大小为1m/s2，保证高速列车头部刚进入隧道时速度为300km/h，同时车尾部恰好完全离开隧道时为400km/h，高速列车加速行驶的长度为隧道长度L2和一个高速列车车身的长度L：
其中高速列车车身的长度L约为200m，故隧道长度L2约为2500m，加速运行时间为：
其中V3为400km/h，V2为300km/h，a3大小为1m/s2。
对比方案(V350)：
(1)隧道前减速阶段：加速度大小为1m/s2，保证高速列车头部刚进入隧道时速度为350km/h，所以需要在距离隧道前的距离L4时开始从400km/h匀减速至350km/h：
需要经过t4时间：
其中V0为400km/h，V4为350km/h，a1大小为1m/s2。
(2)隧道内匀速阶段：保证高速列车头部刚进入隧道时速度为350km/h，并且在隧道内保持速度不变，直至车尾部恰好完全离开隧道，高速列车匀速行驶的长度为隧道长度L2和一个高速列车车身的长度L，其所需时间为t2：
其中，高速列车在隧道中通行的时间与上述提供的两种方案的通行时间相同。
上述方案通过现有成熟流体力学商业软件ANSYSFluent进行模拟计算：
(1)运动仿真区域的建立：
高速列车通过隧道是车隧耦合模型，需要分别对高速列车区域和隧道区域进行网格离散，并利用滑移网格技术进行相关的运动过程仿真。在进行网格离散化处理之前，需要对隧道和高速列车结合实际情况建模，如图1所示，为整个工况的计算域。其中隧道长度为2500m，为了更好的模拟高速列车进出隧道的整个过程，在隧道两端设置了开放区域，其中开放区域的外域为两个半圆柱体，长500m，半径60m。如图2所示，本次仿真计算采用的滑移网格法，所以将区域分为两个部分，区域1是滑动域，区域2是静止域。高速列车包含在区域1中，并与滑动区域一起移动。为保证高速列车运动中气流的连续性，滑移区有一条长尾，并且在固定区域和滑动区域的交界处设置了一个交界面。
(2)数值仿真工况设置：
本次仿真计算涉及三种不同形式的速度工况，匀速的工况，高速列车的速度为350km/h；加速的有两种工况，一种是从初速300km/h进入隧道，匀加速到最终出口完全离开隧道时速度为400km/h(V300-400)；另一种是进入隧道时初始速度为325km/h，匀加速到最终出口完全离开隧道时速度为375km/h(V325-375)。加速度大小考虑人体舒适度，加速度大小分别为1m/s2和0.5m/s2。其中，高速列车通过隧道的时间在三种工况下都是相同的，图3为不同速度模式下高速列车速度和行驶距离差Δx的时程图。
得到的仿真结果表明通过调节高速列车速度过隧道的压力波缓解方式有明显的效果：
(1)显著降低头车鼻尖点压力的峰峰值，改善高速列头车车鼻尖点的压力特性。
图4展示了高速列头车车鼻尖点压力的时程曲线，可以发现几种工况下压力的最大值Pmax和最小值Pmin出现的位置是不同的。匀速的工况鼻尖点压力最大值出现在前段高速列车刚进入隧道时，而加速的工况鼻尖点压力最大值出现在末端高速列车出隧道时。无论其出现在哪，峰峰值ΔP都是判断高速列车气动特性的一个指标。由表1可以观察到，两种加速的工况相较于匀速工况(V350)的压力最大值变化并不相同，但是对于都能够有效降低峰峰值：加速度较小的工况能够降低压力峰峰值的15.37％，而加速度较大的工况能够降低压力峰峰值的5.63％，很明显改善高速列头车车鼻尖点的压力特性。
表1整个运行过程中高速列车鼻尖点的最大值、最小值和峰峰值
(2)优化高速列头车车各测点的压力特性
图5展示了头车四个测点最大压力值分布图，随着压力测量点的不断向后移动，测量点的压力最大值也不断减小。除了测量点1，加速度较大的工况(V300-V400)和其他变化不太相同，略有增长，其余各点均保持下降趋势。这也说明高速列车采用加速的方式确实可以有效改善头车的压力特性，减少气动压力的影响。
(3)优化高速列车各节车中部的压力特性
图6展示了通过隧道的高速列车不同车厢表面上的最大、最小和峰峰压力值分布。在所有情况下，从1号车厢到8号车厢，沿车体最大和最小压力均保持下降趋势。同时，与匀速通过隧道相比，在保证通过隧道时间相同的情况下，高速列车加速通过方法可以显著减少列车表面的压力变化。在高速列车以加速方式通过隧道的情况下，当加速度从0增加到0.5m/s2时，峰峰值整体变化趋势是一致的。头车峰峰值由3455.86Pa降至3148.79Pa，降幅为8.89％。随着加速度的不断增加，当加速度的幅度从0.5m/s2增加到1m/s2时，压力峰峰值随列车表面的分布趋势发生了变化，尤其是前两节车厢。头车峰峰值从3148.79Pa下降到2997.21Pa，下降4.81％。其余各节车也都有不同程度的下降。
(4)优化沿线隧道壁面的压力特性
图7展示了沿隧道壁面的最大压力、最小压力和峰峰压力值分布曲线。隧道壁面上的最大正压通常是由机车通过产生的压缩波引起的，而隧道壁面上的最大负压通常是由机车通过后产生的膨胀波引起的。从这些图中可以看出，这三种不同速度模式下沿隧道壁的最大压力、最小压力和峰峰压力值的变化趋势基本相同。与高速列车匀速通过该隧道相比，高速列车采用加速方式，隧道壁面整体受压效果更好。特别是隧道壁的最大正压，高速列车通过隧道加速得到更好的优化。对于前方较长距离，高速列车匀速通过隧道时，隧道壁上的最大正压较高。但隧道后方有不同的规律，由于加速工况后期速度较高，所以会导致出隧道时压力相比变得更大。
高速列车通过隧道的两种加速方式，它们所引起的隧道壁面压力变化并不相同。对于前方较长距离，与高速列车以较大加速度通过隧道相比，高速列车采用较小的加速度隧道壁的最大正压、最大负压和峰峰压力值更好。然而，在隧道出口附近的一段距离，由于高速列车的速度相对较高，压力特性会下降。
综上所述，高速列车采用加速方式优化了车体表面和隧道壁面的压力，有效缓解了压力波的影响。
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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于高速列车加速通过隧道的压力波缓解方法，其特征在于，通过进入隧道前减速、隧道内加速的速度调节方式通过隧道，保持高速列车隧道通行效率的同时降低压力波的影响；
降低压力波的影响包括改善高速列车头车的压力特性，改善每节车厢的压力特性，改善隧道壁的压力特性；
对于2500m全长隧道，高速列车在通行效率保持一致的情况下，相比于匀速通过隧道，先减速到更小的速度进入隧道再加速到更大的速度离开隧道，能够显著改善在该段隧道壁的压力特性；
时速400km/h高速列车在隧道前减速至300km/h，在隧道内以1m/s2的加速度加速通过，加速至400km/h；
或，时速400km/h高速列车在隧道前减速至325km/h，在隧道内以0.5m/s2的加速度加速通过，加速至375km/h。
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