專利名稱：：高速列車經(jīng)過隧道后的微壓波計算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于列車高速通過隧道，特別是長隧道所產(chǎn)生的微壓波對環(huán)境的影響測定領(lǐng)域，具體地涉及一種精簡、高效的用于高速列車經(jīng)過隧道后的微壓波計算方法。
背景技術(shù)：
：我國鐵路正處于跨越式發(fā)展的重要時期，既有鐵路干線經(jīng)第六次大范圍提速后，客運(yùn)列車最高運(yùn)營速度達(dá)250km/h，例如京津客運(yùn)專線最高運(yùn)營速度達(dá)350km/h，同時，多條運(yùn)行更高速度的客運(yùn)專線開始動工，預(yù)計2010年左右建成，將運(yùn)行380km/h等級速度的高速列車。而我國是一個多山的國家，線路上隧道多達(dá)5000多座，隨著列車運(yùn)行速度大幅度提高，高速列車進(jìn)出隧道產(chǎn)生的空氣動力效應(yīng)，必然會對旅客的舒適性，對隧道周圍的環(huán)境造成影響，特別對于隧道出口附近，列車高速通過隧道產(chǎn)生的微壓波對周圍環(huán)境的的影響更為突出，引起越來越多的關(guān)注。隧道出口微氣壓波的數(shù)值模擬方法主要有一維算法和三維數(shù)值模擬方法，一維算法具有算法簡單、效率高等特點(diǎn)，不足之處是無法精確模擬列車進(jìn)出隧道口所產(chǎn)生的三維效應(yīng)，另外也無法精確模擬豎井和帶天窗的緩沖結(jié)構(gòu)對隧道空氣動力效應(yīng)的影響；三維數(shù)值模擬方法，一般采用模擬三維可壓縮非定常雷諾平均N-S方程，并結(jié)合滑移網(wǎng)格技術(shù)對隧道微氣壓波進(jìn)行直接模擬，該方法的特點(diǎn)是可以直接模擬列車和隧道內(nèi)的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，列車進(jìn)出隧道的三維效應(yīng)等，缺點(diǎn)是對于長大隧道和隧道群的出口微壓波的模擬存在相當(dāng)大的困難計算網(wǎng)格規(guī)模太大，計算周期太長，只能在大中型工作站上求解。另外，現(xiàn)有技術(shù)中仍然沒有很好的方法來模擬列車過彎隧道的過程，也無法對彎隧道出口微壓波進(jìn)行評估。而列車經(jīng)過隧道變截面段會產(chǎn)生新的膨脹波和壓縮波，并且進(jìn)隧道口產(chǎn)生的壓縮波和膨脹波也會在傳播過程中，經(jīng)過隧道壁面反射而改變傳播方向，使隧道內(nèi)的流場更為復(fù)雜。彎隧道和相同長度和面積直隧道的微壓波具有不同的特性。而由于地形的限制，很多隧道中存在彎道；另外，高速鐵路穿越城市人口密集區(qū)修建的地下隧道也普遍存在由地表進(jìn)入地下的過渡彎道。因此，工程設(shè)計中迫切需要新方法來研究彎隧道出口微壓波。
發(fā)明內(nèi)容0005]本發(fā)明提供了一種很好地解決了長大隧道和隧道群三維計算網(wǎng)格規(guī)模太大，計算周期太長等問題的高速列車經(jīng)過隧道后的微壓波計算方法，其采用動網(wǎng)格技術(shù)，將流場分為若干區(qū)域，根據(jù)微壓波的形成機(jī)理，只計算包含第一道壓縮波和膨脹波的區(qū)域及其波前的區(qū)域，對隧道出口微壓波進(jìn)行了數(shù)值模擬。同時，也為彎隧道出口微壓波的計算提供了新方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下高速列車經(jīng)過隧道后的微壓波計算方法，其特征在于所述微壓波計算方法包括采用動網(wǎng)格，將隧道的流場分為多個區(qū)域，對包含第一道壓縮波和膨脹波的區(qū)域及該壓縮波和膨脹波前的區(qū)域進(jìn)行計算，模擬得到隧道出口的微壓波數(shù)值。具體的講，所述微壓波計算方法進(jìn)一步包括將隧道的流場分為多個計算區(qū)域，其中一第一區(qū)域包括隧道入口區(qū)域和部分隧道，對該第一區(qū)域采用動網(wǎng)格模擬列車進(jìn)入隧道過程。所述部分隧道的長度滿足如下條件該長度可使列車尾部完全進(jìn)入隧道，并且車尾產(chǎn)生的膨脹波到達(dá)第一區(qū)域和相鄰第二區(qū)域的公關(guān)邊界時，車頭離公關(guān)邊界的距離以滿足網(wǎng)格重構(gòu)的要求。所述第一區(qū)域的動網(wǎng)格在膨脹波進(jìn)入相鄰的一第二區(qū)域后不再進(jìn)行計算。上述微壓波計算方法中所述隧道包括長隧道和彎隧道。當(dāng)列車駛?cè)胨淼浪查g，由于空氣的壓縮性及列車壁和隧道壁限制了空氣側(cè)向流動和向上流動的空間，使緊貼在列車車頭前面的空氣受到壓縮并隨列車向前流動，造成列車前方的空氣壓力突然升高，產(chǎn)生壓縮波。隨著列車的進(jìn)一步駛?cè)胨淼溃h(huán)狀空間長度逐步增大，使列車前隧道空間的空氣壓力繼續(xù)升高，即壓縮波的強(qiáng)度繼續(xù)增大，直到列車全部進(jìn)入隧道為止。該壓縮波以近似音速的速度向前傳播。壓縮波前方的空氣流速為零，而壓縮波后方的空氣則以一定的流速隨著列車向前流動。壓縮波傳播到隧道出口后，一部分壓縮波以膨脹波形式被反射回隧道，另一部分則以微氣壓波的形式向隧道出口空間擴(kuò)散。列車進(jìn)入隧道形成的壓力波不僅引起車廂內(nèi)壓力的變化，而且在壓縮波由隧道口作為沖擊波穿出時，會形成噪聲，作為微氣壓波向周圍傳播。根據(jù)隧道出口微氣壓波的形成機(jī)理，微氣壓波主要是由列車進(jìn)入隧道口時，產(chǎn)生的第一道壓縮波，并沖出隧道口時產(chǎn)生的脈沖波，該壓縮波的形成經(jīng)歷兩個過程，其一是列車頭部進(jìn)入隧道口產(chǎn)生的第一道壓縮波，該波使波后面的壓力迅速增加，因此波形比較陡，其二是列車進(jìn)入隧道后，列車?yán)^續(xù)壓縮其前面的空氣，使壓力緩慢增加，因此波形比較平緩，壓縮波波后空氣的溫度增加，因此，波的傳播速度也增加，后面的壓縮波會趕上前面的壓縮波，并使其強(qiáng)度變大，波形變陡。這種情況直到列車車尾進(jìn)入隧道口，產(chǎn)生第一道膨脹波，并超過列車頭部為止，其后，列車在隧道內(nèi)的壓縮波和膨脹波再也趕不上前面的波。因此，本發(fā)明在計算微壓波的時，只計算第一道膨脹波和其前面的區(qū)域即可以準(zhǔn)確地模擬微壓波。對于長隧道，計算區(qū)域可以分為若干區(qū)域，其中第一區(qū)域包括隧道入口流域和部分隧道，該第一區(qū)域采用動網(wǎng)格模擬列車進(jìn)入隧道過程，其包含的隧道的長度，要使列車尾部完全進(jìn)入隧道，并且車尾產(chǎn)生的膨脹波到達(dá)第一區(qū)域和相鄰的第二區(qū)域的公關(guān)邊界時，車頭離公關(guān)邊界有足夠長的距離，該長度滿足網(wǎng)格重構(gòu)的要求。另外，該第一區(qū)域由于列車的存在，網(wǎng)格比較密，其網(wǎng)格數(shù)目在總網(wǎng)格數(shù)中占相當(dāng)大的比例，這部分網(wǎng)格在膨脹波進(jìn)入第二區(qū)域后不再進(jìn)行計算，不但可以大幅減少網(wǎng)格數(shù)目，而且此時不再需要網(wǎng)格重構(gòu)，也可節(jié)約大量時間，壓縮波和膨脹波在比較均勻的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中傳播，每一時間步流場的變化只限于很小的局部區(qū)域，收斂的過程大幅加快，以上三個因素，大大加快了計算過程。本發(fā)明的有益效果在于，該高速列車經(jīng)過隧道后的微壓波計算方法很好地解決了長大隧道和隧道群三維計算網(wǎng)格規(guī)模太大，計算周期太長等問題，其采用動網(wǎng)格技術(shù)，將流場分為若干區(qū)域，根據(jù)微壓波的形成機(jī)理，只計算包含第一道壓縮波和膨脹波的區(qū)域及其波前的區(qū)域，對隧道出口微壓波進(jìn)行了數(shù)值模擬。同時，也為彎隧道出口微壓波的計算提供4了新方法。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述。圖1為本發(fā)明具體實(shí)施方式中隧道出口10m處的微壓波比較圖；圖2為本發(fā)明具體實(shí)施方式中隧道出口20m處的微壓波比較具體實(shí)施例方式列車在隧道內(nèi)運(yùn)行，隧道內(nèi)的空氣的流動會受到隧道壁面限制，即使馬赫數(shù)沒有達(dá)到0.3，仍然必須考慮壓縮性的影響；以列車的寬度為特征長度，列車周圍流場雷諾數(shù)Re>106，處于湍流狀態(tài)，以此，高速列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時，其周圍的流場為三維、可壓縮湍流流場，邊界運(yùn)動著的任意控制體上的流場控制方程可以寫成如下統(tǒng)一形式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>式中，Ug為控制體的界面運(yùn)動速度，小=1、U、e、k、e時，方程(1)分別表示質(zhì)量方程、動量方程、能量方程、湍動能方程和湍動能耗散率。r$為廣義擴(kuò)散系數(shù)，S$為廣義源項。此外，還應(yīng)該補(bǔ)充理想氣體狀態(tài)方程，并滿足動網(wǎng)格所需要的幾何守恒率(GeometricConservationLaw):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>本發(fā)明基于上述方程，對高速列車經(jīng)過隧道后的微壓波進(jìn)行計算，其采用動網(wǎng)格，將隧道的流場分為多個區(qū)域，僅對包含第一道壓縮波和膨脹波的區(qū)域及該壓縮波和膨脹波前的區(qū)域計算，并模擬得到隧道出口的微壓波數(shù)值。其將隧道的流場分為多個計算區(qū)域，其中第一區(qū)域為隧道入口區(qū)域和部分隧道，對該第一區(qū)域采用動網(wǎng)格模擬列車進(jìn)入隧道過程。該部分隧道的長度滿足使列車尾部完全進(jìn)入隧道，并且車尾產(chǎn)生的膨脹波到達(dá)第一區(qū)域和相鄰第二區(qū)域的公關(guān)邊界時，車頭離公關(guān)邊界的距離以滿足網(wǎng)格重構(gòu)的要求。其中第一區(qū)域的動網(wǎng)格在膨脹波進(jìn)入相鄰的一第二區(qū)域后不再進(jìn)行計算。運(yùn)用上述方法對遂渝線進(jìn)行隧道口微壓波的實(shí)車測試研究，測試列車為8車編組，長度為200m，運(yùn)行速度200km/h。隧道長987m，斷面積為48m2，板式道床。則根據(jù)第一區(qū)域的計算要求，可通過微壓波傳播速度、列車長度計算出第一區(qū)域的設(shè)定長度?，F(xiàn)將試驗結(jié)果與本文的計算相對比，對比結(jié)果見表l。從該表可以看出，對于離隧道出口10m和20m處的微壓波幅值，計算所得的值稍小于實(shí)車試驗測得的微壓波幅值，兩者相差在7%以內(nèi)。圖l和圖2為微壓波的波形比較圖，兩者所得到的波形基本相同。由此表明本文所采用的計算模型和計算方法是正確的，計算結(jié)果可信。表1隧道出口微氣壓波幅值比較<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>利用本發(fā)明對長隧道微壓波進(jìn)行計算，隧道長度10km，隧道截面面積100m2，阻塞比為11.2%，動車組運(yùn)行速度250km/h。隧道前部帶有開6個天窗的緩沖結(jié)構(gòu)和3個沿隧道長度方向不同位置布置的豎井，豎井面積為隧道凈空面積的30%。如下表2為使用同一4CPU計算機(jī)平行計算，網(wǎng)格分布基本相當(dāng)?shù)那闆r下，動網(wǎng)格方法、滑移網(wǎng)格方法和本文所采用方法所花費(fèi)的計算時間，從該表可以看出全部采用傳統(tǒng)動網(wǎng)格計算需要的時間最長，滑移網(wǎng)格方法次之，本發(fā)明所采用方法的方法耗時最少，約為動網(wǎng)格方法的1/6，滑移網(wǎng)格的1/3。表2計算時間和微壓波幅值比較表<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>由上述具體實(shí)施方式可知，本發(fā)明采用采用動網(wǎng)格和隧道分區(qū)域計算方法，通過和實(shí)車試驗結(jié)果的比較，證明該方法有效可行。從長隧道的計算實(shí)施例可以看出，本發(fā)明不僅能保持傳統(tǒng)三維算法模擬隧道出入口的三維效應(yīng)，而且顯著地提高了計算效率，與次同時，也為研究彎隧道對微壓波的影響提供了新的研究方法。權(quán)利要求高速列車經(jīng)過隧道后的微壓波計算方法，其特征在于所述微壓波計算方法包括采用動網(wǎng)格，將隧道的流場分為多個區(qū)域，對包含第一道壓縮波和膨脹波的區(qū)域及該壓縮波和膨脹波前的區(qū)域進(jìn)行計算，模擬得到隧道出口的微壓波數(shù)值。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速列車經(jīng)過隧道后的微壓波計算方法，其特征在于所述微壓波計算方法進(jìn)一步包括將隧道的流場分為多個計算區(qū)域，其中一第一區(qū)域包括隧道入口區(qū)域和部分隧道，對該第一區(qū)域采用動網(wǎng)格模擬列車進(jìn)入隧道過程。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高速列車經(jīng)過隧道后的微壓波計算方法，其特征在于所述部分隧道的長度滿足如下條件該長度可使列車尾部完全進(jìn)入隧道，并且車尾產(chǎn)生的膨脹波到達(dá)第一區(qū)域和相鄰第二區(qū)域的公關(guān)邊界時，車頭離公關(guān)邊界的距離以滿足網(wǎng)格重構(gòu)的要求。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高速列車經(jīng)過隧道后的微壓波計算方法，其特征在于所述第一區(qū)域的動網(wǎng)格在膨脹波進(jìn)入相鄰的一第二區(qū)域后不再進(jìn)行計算。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速列車經(jīng)過隧道后的微壓波計算方法，其特征在于所述隧道包括長隧道和彎隧道。全文摘要高速列車經(jīng)過隧道后的微壓波計算方法，其特征在于所述微壓波計算方法包括采用動網(wǎng)格，將隧道的流場分為多個區(qū)域，對包含第一道壓縮波和膨脹波的區(qū)域及該壓縮波和膨脹波前的區(qū)域計算，模擬得到隧道出口的微壓波數(shù)值。該高速列車經(jīng)過隧道后的微壓波計算方法很好地解決了長大隧道和隧道群三維計算網(wǎng)格規(guī)模太大，計算周期太長等問題，其采用動網(wǎng)格技術(shù)，將流場分為若干區(qū)域，根據(jù)微壓波的形成機(jī)理，只計算包含第一道壓縮波和膨脹波的區(qū)域及其波前的區(qū)域，對隧道出口微壓波進(jìn)行了數(shù)值模擬。同時，也為彎隧道出口微壓波的計算提供了新方法。文檔編號G06F17/50GK101697173SQ20091018032公開日2010年4月21日申請日期2009年10月26日優(yōu)先權(quán)日2009年10月26日發(fā)明者劉堂紅,張健,李志偉,楊明智,熊小慧,田紅旗,高廣軍申請人:中南大學(xué);