高速列车通过帽檐斜切式隧道的气动特性分析

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在高速列车运行速度不断提高的同时也凸显了一系列空气动力学问题,本文通过建立列车-隧道-空气三维数值模型并利用数值仿真方法对高速列车通过帽檐斜切式隧道的压力波效应诸问题进行详细分析。展开的主要工作内容如下:(1)高速列车通过帽檐斜切式隧道时的流场气动特性分析。这是研究帽檐斜切式隧道压力波效应问题的基础。其具体内容包括:列车通过该隧道时,隧道内压力波变化、车身周围气流的速度场分布、隧道横截面上各个时刻的压力变化、隧道壁面上的压力分布、隧道出口微压波分析和车速对隧道内压力变化的影响。计算结果表明:在列车头部附近的隧道横截面和侧壁的压力幅值最大而且隧道压力波幅值、隧道出口的微压波幅值、列车表面压力和列车阻力均随着车速的增加而增加。(2)帽檐斜切式隧道洞门的斜切率对铁路隧道气动性能的影响分析。通过改变帽檐斜切式隧道洞门的斜切率,分析高速列车驶入隧道时的气动特性以及对隧道内初始压缩波和出口微压波的缓解作用。计算结果表明:减小帽檐斜切斜率可有效缓解入口初始压缩波梯度幅值,降低隧道出口微压波幅值,从而减小其对隧道周围环境的影响。(3)列车通过帽檐斜切式隧道时,隧道压力波的频谱特性分析。结果表明:列车表面空气压力波的能量主要集中在0.5Hz~5Hz之间,主频处于低频段,呈次声特性,可能会对车内乘客的舒适性造成不良影响,且在15Hz之后便不会有能量集中现象出现。通过尾车鼻尖处测点的功率谱密度可近似得到尾涡的脱涡频率,并对其进行表征,发现CRH2型列车的尾流脱涡Strouhal数比CRH3型列车的小。(4)列车通过帽檐斜切式隧道时,列车内外压力波的次声特性分析。结果表明:隧道压力波的频率在2.5Hz以下时,次声特点非常明显。且列车运行速度越大,次声特点越显著。在人体固有振动频率范围内,隧道压力波的次声强度较大,对人体危害大。车辆良好的气密性对减少车内次声信号强度和减缓次声信号变化有较明显作用,且车内压力的声压级频谱幅值也达到人体所能承受的声压值范围内。
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