地铁列车气动特性的数值模拟研究

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地铁列车在区间隧道内快速运行时产生的瞬变压力及强活塞作用不仅会影响列车车体表面、隧道壁面及隧道内附属设施的使用寿命,还会影响地铁列车在隧道内的安全运行。本文对广州地铁二号线市二宫站前后区间隧道内活塞风速的真实变化情况进行测试,并采用数值模拟方法,对列车在短隧道内经历“匀加速-匀速-匀减速”这一完整过程时隧道内速度场和压力场进行了数值模拟分析,在求解计算时,地铁列车行驶于短隧道模型采用了ANSYS FLUENT提供的动网格技术。在隧道内活塞风和环隙流场方面,主要研究了讨论列车与隧道组成的环隙空间内的风速分布情况。在实车测试中得到隧道内活塞风的运动规律基础上,展示了隧道内湍流充分发展条件下列车与隧道之间气流流动的细节。对比不同列车行驶速度、两种车头形状以及环隙内不同竖向高度上的环隙空间风速数值,可以发现,在目标短隧道内,列车行驶速度变化、列车车头形状和环隙空间内竖向高度变化均对车-隧间环隙流场类型几乎无影响,无论何种列车行驶速度、何种竖向高度,列车车头是否优化为流线型,环隙空间内流场类型均呈现出Poiseuille型湍流流态。而能够影响测点处活塞风速变化趋势的仅为列车车头形状。在隧道内压力场方面,详细分析了列车变行驶状态的运行过程中,隧道内压力波动规律及造成波峰波谷的原因。结合隧道内压力波峰和波谷的出现时间及列车行驶状态可得,隧道内测点的正压波峰不总由列车车头到达测点造成,也可能受列车车前正压和遇到车头而反射的压力波的叠加影响;隧道内测点的负压波峰不总由列车车尾负压造成,随列车行驶速度降低,车身负压对测点处压力的影响逐渐大于列车尾流。地铁列车在区间隧道内匀加速行驶直至最大速度,在隧道内产生的压力波强度最大约为410Pa,最大负压为-810Pa。若要考虑多列车在隧道内运行导致的压力叠加对屏蔽门承压及顺利启闭的影响,则需在列车进站端、站台隧道区域内合理设置风井。本文对地铁列车气动特性的研究可为提出短隧道内地铁安全运行措施等提供理论分析基础。
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