基于泄压空间角的隧道微气压波缓解方法技术

本发明专利技术提供了列车进入缓冲结构后一种基于泄压空间角的隧道微气压波缓解方法，当列车进入缓冲结构时，前方气流以球面波的形式向缓冲结构散开，并且该球面波的等效半径为隧道断面的水力半径，形成的空间角为1/4球体π，以该球体的球心为投影中心，将缓冲结构的开孔区域向球面S上投影，得到投影面积S1，定义泄压空间角θ＝S1/S

【技术实现步骤摘要】
基于泄压空间角的隧道微气压波缓解方法


[0001]本专利技术涉及高速列车空气动力学领域，特别涉及一种基于泄压空间角的隧道微气压波缓解方法。

技术介绍

[0002]当列车高速进入隧道时，由于隧道壁面的限制，使得前方气流波动并形成初始压缩波，并在隧道出口以脉冲波的形式向外辐射，产生噪声音爆，对周围环境产生危害。为缓解隧道出口微气压波，在隧道口设置缓冲结构，以此来减缓列车进入隧道产生的初始压缩波梯度。现阶段，常用于缓解隧道空气动力学的缓冲结构有多种类型，但当更高速列车在既有线路上运行时，现有隧道缓冲结构已不能高效缓解该速度等级下列车通过隧道产生的气动效应，无法达到现有铁路隧道标准。因此，本专利技术既可以为高效缓解隧道微气压波找到最优透孔率，也可以在不改变现有缓冲结构的前提下依靠内部弓形板有效减缓隧道出口微气压波。
[0003]应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的
技术介绍
部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是：针对上述
技术介绍
中存在的不足，提供一种高速铁路上缓解隧道微气压波的方法，通过对缓冲结构的泄压空间角特征与隧道出口微气压波之间影响机制的研究，得出、优化缓解微气压波的缓冲结构模型，确保更高速列车顺利安全地通过隧道。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术提供了一种基于泄压空间角的隧道微气压波缓解方法，当列车进入缓冲结构时，前方气流以球面波的形式向缓冲结构散开，并且该球面波的等效半径为隧道断面的水力半径，形成的空间角为1/4球体π，以该球体的球心为投影中心，将缓冲结构的开孔区域向球面S上投影，得到投影面积S1，定义泄压空间角θ＝S1/S
×
π，调整泄压空间角θ的大小，减小列车通过隧道产生的微气压波。
[0006]进一步地，调整泄压空间角θ的大小，使得靠近隧道入口壁面上的压力时程曲线呈线性上升的趋势，减缓初始压缩波压力梯度。
[0007]进一步地，所述泄压空间角θ具有最优值。
[0008]进一步地，所述缓冲结构上的开孔区域为全透孔。
[0009]进一步地，所述缓冲结构内安装弓形板，当列车进入缓冲结构后，S1为所述弓形板上的开孔区域向球面S上的投影面积。
[0010]进一步地，所述弓形板上的开孔区域为全透孔。
[0011]本专利技术的上述方案有如下的有益效果：
[0012]本专利技术提供的缓解隧道微气压波的方法，满足了在既有铁路隧道的基础上，更高速列车顺利安全地通过隧道这一需求，通过对列车进入缓冲结构后泄压空间角特征与隧道
出口微气压波之间影响机制的研究，既可以为高效缓解隧道微气压波找到最优透孔率，也可以在不改变现有缓冲结构的前提下依靠内部弓形板有效减缓隧道出口微气压波；
[0013]本专利技术的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0014]图1为本专利技术的实施例1模型示意图；
[0015]图2为本专利技术的实施例1中理想的隧道壁面压力曲线与实际曲线对比图；
[0016]图3为本专利技术的实施例1中不同缓冲结构开孔率下的隧道壁面压力曲线；
[0017]图4为本专利技术的实施例2模型示意图。
具体实施方式
[0018]为使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。此外，下面所描述的本专利技术不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0019]在本专利技术的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0020]本专利技术涉及高速列车空气动力学领域，当列车高速进入隧道时，由于隧道壁面的限制，使得前方气流波动并形成初始压缩波，并在隧道出口以脉冲波的形式向外辐射，产生噪声音爆，对周围环境产生危害。
[0021]现有技术中，为缓解隧道出口微气压波，通常在隧道口设置缓冲结构，以此来减缓列车进入隧道产生的初始压缩波梯度。该缓冲结构通常为拱形形式，尺寸大于对接的隧道。但当更高速列车在既有线路上运行时，现有隧道缓冲结构已不能高效缓解该速度等级下列车通过隧道产生的气动效应，无法达到现有铁路隧道标准。基于此，本专利技术的实施例提供了一种基于进入缓冲结构后泄压空间角缓解隧道微气压波的方法，力求从机理上对隧道微气压波进行缓解。既可以为高效缓解隧道微气压波找到最优透孔率，也可以在不改变现有缓冲结构的前提下依靠内部弓形板有效减缓隧道出口微气压波。当列车进入缓冲结构时，前方气流以球面波的形式向缓冲结构散开，并且该球面波的等效半径为隧道断面的水力半径，形成的空间角为1/4球体，即为π，以该球体的球心为投影中心，将缓冲结构上的敞开位置向球面S上投影，得到投影面积S1，定义泄压空间角θ＝S1/S
×
π。
[0022]实施例1：
[0023]如图1所示，当列车进入缓冲结构后，S1为缓冲结构上的开孔区域向球面S上的投影面积，且本实施例中开孔区域为全透孔。
[0024]当列车高速进入缓冲结构后，前方气流受到缓冲结构壁面的限制无法向四周扩散，在缓冲结构上开孔成为缓解此效应的重要措施。研究表明，随着缓冲结构开孔率的增
加，初始压缩波压力梯度呈现先减小后增大的趋势。因此，合理控制开孔率的大小对缓解微气压波尤为重要。可以通过调整开孔率的大小改变泄压空间角θ的大小，减缓车隧耦合空气动力学效应。
[0025]通过数值模拟研究了5车编组列车以600km/h通过2km单线隧道时的空气动力学性能。其中，隧道横断面面积92m2，隧道两端布置缓冲结构，缓冲结构为截面扩大斜切式，横断面面积为两倍隧道横断面面积，缓冲结构长度为100m；在缓冲结构顶端开有透孔，单个透孔尺寸为6m
×
6m。
[0026]如表1和表2所示，隧道出口20m及50m处的微气压幅值先随着缓冲结构开孔率的增加而减小，接着随着缓冲结构开孔率的增加而增大；当缓冲结构开孔率为2.28％时，对隧道出口20m及50m处的微气压波缓解效果最好，20m和50m处微气压波幅值分别为172Pa和101Pa，相比无开孔缓冲结构时的236Pa及126Pa，缓解效果分别为27.1％及19.8％。
[0027]表1：不同开孔率下20m处微气压波幅值
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于泄压空间角的隧道微气压波缓解方法，其特征在于，当列车进入缓冲结构时，前方气流以球面波的形式向缓冲结构散开，并且该球面波的等效半径为隧道断面的水力半径，形成的空间角为1/4球体π，以该球体的球心为投影中心，将缓冲结构的开孔区域向球面S上投影，得到投影面积S1，定义泄压空间角θ＝S1/S
×
π，调整泄压空间角θ的大小，减小列车通过隧道产生的微气压波。2.根据权利要求1所述的基于泄压空间角的隧道微气压波缓解方法，其特征在于，调整泄压空间角θ的大小，使得靠近隧道入口壁面上的压力时程曲线呈线性上升的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张洁，韩帅，高广军，刘堂红，王家斌，熊小慧，何侃，王雨舸，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：