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原文传递快速地铁列车通过隧道压力波数值模拟研究

论文题名：	快速地铁列车通过隧道压力波数值模拟研究
关键词：	快速地铁;隧道;多对列车运行;压力波;特征线法
摘要：	随着城市轨道交通的不断发展，我国已出现速度等级在100km/h～160km/h范围内的快速地铁和快速市域铁路工程案例，而国内地铁运营里程占整个城市轨道交通的73%以上，且在阻塞比大、隧道结构复杂、行车密度大和存在多对列车在隧道内同时跟踪运行等复杂条件下产生的隧道压力波问题需要关注并展开研究。本文考虑了地铁隧道带有风井、列车在隧道内跟踪运行和车站位置起停的情况，结合国内快速地铁列车对隧道空气动力学的要求，采用一维可压缩非定常不等熵流动模型特征线法，选取国内某地铁线路对地铁隧道压力波展开了研究，主要研究内容及结果如下：　　1.基于一维可压缩非定常不等熵流动模型特征线法，结合地铁隧道结构的复杂性和列车运行模式的特殊性，建立和发展了地铁列车多车跟踪通过隧道压力波的计算模型和计算方法，在此基础上研发了国内首套用于数值模拟多对列车隧道内恒速、起停跟踪运行时的压力波程序，并结合国内外实车试验、模型实验和数值仿真结果，初步达到了对程序的间接验证；考虑了隧道内初始大气压，完善了用于数值模拟单列车通过不同坡型和坡度简单结构隧道压力波程序，结合国内外实车试验和数值仿真结果，验证了程序的准确性。　　2.针对单列车通过简单结构区间隧道情况，研究了列车运行模式和隧道坡度坡型对隧道压力波的影响：列车从隧道端口直接恒速通过隧道时的车外压力波动比在隧道内先启动再恒速通过时的剧烈；压缩波的传播方向与风速同向（反向）时，对风速起促进（抑制）作用；膨胀波的传播方向与风速同向（反向）时，对风速起抑制（促进）作用；隧道坡型和坡度对压力和风速影响的实质是隧道内的初始大气压，列车通过V型坡、W型坡、人字坡、单面上坡和单面下坡隧道时，车体压力载荷最大值、隧道内风速和压力最大值与坡度呈拟线性关系。　　3.针对不同对数列车恒速跟踪通过带风井全线隧道，对比了单列车通过隧道和多对列车隧道内跟踪运行时的车外压力波和车体压力载荷最大值，研究分析了不同因素对车外压力波的影响，结果表明：多对列车跟踪运行时的车外压力波动比单列车通过时的剧烈，车体压力载荷最大值比单列车通过时的大，这也说明了研究多对列车隧道内跟踪运行时压力波的必要性；车体压力载荷最大值随着列车速度、阻塞比和风井面积的增大而增大，列车通过风井时车外压力出现骤升骤降，且对车外压力影响最大，从缓解压力波和减小车体压力载荷角度来讲，风井面积并不是越大越好；由于列车车体压力载荷最大值出现在列车通过风井时刻，所以隧道长度对车体压力载荷最大值无影响；多对列车在隧道内跟踪运行时，除最后一列列车外，其余列车的车外压力波动趋势基本一致，且比最后一列列车的剧烈，故需重点关注第1列列车和最后一列列车；不同对数列车跟踪通过隧道时，第1列列车的头车最大压力正载荷值保持不变，第1列列车尾车最大压力负载荷值的最大值出现在15列列车跟踪时，最后一列列车的头车最大压力正载荷值随着列车对数的增加逐渐减小；从车体压力载荷最大值角度综合分析，发车时间间隔取150s最佳。　　4.针对单列车和多对列车起停跟踪通过带风井全线隧道，研究分析了不同因素对车外压力波的影响，结果表明：单列车在隧道内起停通过时的车外压力波动趋势和在隧道外起停通过时的一致，但隧道内起停通过时的车体压力载荷值稍大于隧道外起停时的，列车速度对车体压力最大负载荷的影响比正载荷的大，停车时间对车外压力波动趋势无影响，车体压力载荷最值基本相当；多对列车起停跟踪情况下，停车时间越长，车体压力最大正载荷值越大，最大负载荷值越小，从车体压力载荷最大值角度综合分析，发车时间间隔取180s最佳。　　5.针对列车不同的运行情景，基于美国地铁和国内高铁车内压力舒适性标准，提出了列车动态气密阈值建议值：单列车通过隧道时，头/尾车和中间车的气密时间常数分别不能小于0.7s和0.5s；头/尾车和中间车的气密当量泄漏面积分别不能大于229cm2和260cm2；多对列车跟踪通过隧道时，头/尾车和中间车的气密时间常数分别不能小于3.5s和3.0s；头/尾车和中间车的气密当量泄漏面积分别不能大于106cm2和109cm2。在满足同一舒适性标准时，多对列车跟踪时对列车气密性的要求要比单列车通过时的高；从最终的动态气密阈值建议值角度看，满足800Pa/3s标准对列车的气密性要求最高，满足700Pa/1.7s标准对列车的气密性要求最低。　　本文针对地铁隧道结构的特点和列车运行情景的复杂性，开发了国内首套用于模拟多对列车隧道内跟踪运行的压力波程序，后续可用于较为系统的研究列车速度、阻塞比、列车对数、发车时间间隔、停车时间、竖井位置和隧道长度在内的隧道压力波问题，从而为隧道净空面积的选取和车体气密性设计等提出合理的参数建议。改进完善的用于数值模拟列车通过不同坡型和坡度隧道的压力波程序不但可用于研究地铁隧道压力波问题，还可运用于模拟高速列车通过高海拔、大坡度和特长及超长隧道的压力波问题。
作者：	万有财
专业：	载运工具运用工程
导师：	梅元贵;丁叁叁
授予学位：	博士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2021