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原文传递高速铁路隧道压缩波演变特性与微压波研究

论文题名：	高速铁路隧道压缩波演变特性与微压波研究
关键词：	铁路隧道;压缩波;演变特性;微压波构
摘要：	高速列车隧道微压波对周围环境具有重要影响，其危害主要体现在隧道出口附近的音爆噪声及附近房屋结构的剧烈振动。随着列车速度的不断提高，这些问题将变得越来越突出。微压波的强度正比于隧道出口端处压缩波的最大压力梯度，由列车突入隧道产生的初始压缩波和压缩波在传播过程中的演变共同决定。目前，针对微压波的缓解措施主要是从初始压缩波着手，如工程上普遍采用的不同类型隧道进口缓冲结构，该措施的目的是延长初始压缩波压力的上升时间，使其传播到隧道出口时不会太陡，但其存在一定的局限性。因此，有必要对压缩波在隧道内传播过程中的波形演变进行研究。此外由于入口缓冲结构对隧道内辅助设施引起的新的压缩波没有影响，因此有必要探索新的隧道出口缓冲结构。本文基于理论公式及一维计算程序分析了压缩波沿隧道传播时的演变机理，并通过CFD数值计算研究了隧道出口开孔区域的流动特性和其对微压波的缓解效率。　　首先，采用一维可压缩非定常不等熵流动模型和有限体积法，建立了高速铁路隧道压缩波在隧道传播过程中波形演变的数值计算方法，并编写了计算程序。与现车试验相比，程序计算结果和实测数据吻合良好，表明该方法能较准确地预测压缩波波形的演变。在此基础上，基于一维平面波方程和压缩波的特性，推导了无粘条件下（即惯性作用下）压缩波在隧道内传播时压缩波压力梯度的理论公式。通过该理论公式，分析了传播距离，初始压缩波幅值以及初始压缩波波前长度等因素对隧道不同位置处压缩波压力梯度的影响。结果表明:压缩波压力梯度随传播距离并非线性变化，而是随着传播距离的增加，其变化幅度越来越大，当传播距离接近临界长度时，其压力梯度几乎发生突变;相同的传播距离下，压缩波压力梯度随初始压缩波幅值的增加而增加，随初始压缩波波前长度的增加而减小。　　其次，采用计算程序研究了稳态、非稳态摩擦效应及两者的综合效应对波形演变的影响特性、不同初始压缩波波形的演变特性及最不利的传播距离，并利用稳态摩擦效应下压缩波演变的数值计算结果修正了无粘条件下的理论公式。结果表明:压缩波在隧道传播过程中，压缩波自身不仅存在惯性作用，同时还受摩擦效应的影响，包括稳态摩擦效应和非稳态摩擦效应;随着传播距离的增加，惯性作用使压缩波越来越陡，而摩擦效应的作用都是抑制压缩波的变陡;两种摩擦效应的影响机理不同，非稳态摩擦效应主要影响压缩波的波形，而稳态摩擦效应主要影响其幅值;稳态摩擦和非稳态摩擦效应之间会相互影响，且稳态摩擦系数或非稳态摩擦因子越大，影响越大。此外，压缩波的演变特性不仅与初始压缩波的幅值和最大压力梯度有关，还和压缩波的波形密切相关;列车速度越高，隧道壁面的稳态摩擦系数越大或非稳态摩擦因子越大，最不利传播距离越短。　　根据波的辐射特性，建立了隧道出口微压波的CFD数值计算方法，详细分析了不同空间内流体的流动特征和引起该行为的波动特性，提出了一种缓解微压波的隧道出口开孔缓冲结构，并对该结构下的开孔泄压进行了热力学分析。研究结果表明二维空间内波的传播存在弥散性，因此并不能采用二维平面模型分析隧道出口微压波的辐射。　　本文采用CFD的二维轴对称模型开展了一系列数值计算，分析了不同初始压缩波及不同隧道出口开孔区域结构对隧道外微压波的影响。研究结果表明:该结构可以有效地降低隧道出口的压力辐射，但是相应地增加了隧道开孔区域侧面的压力扰动;开孔结构的效性与出口区域内泄压孔的数量、大小、分布形式、孔高及出口开孔区域横截面积和长度都相关，但最重要的影响参数是所有泄压孔的面积之和:开孔效率不仅与压缩波的压力梯度有关，还取决于压缩波的幅值和其上升时间。
作者：	王宏林
专业：	供热、供燃气、通风及空调工程
导师：	雷波
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文