CRH3动车组单车隧道压力波特性估算_王雁平.pdf

试验研究铁道车辆第?卷第 期!年 月文章编号#!一%?!&!一 一()+(动车组单车隧道压力波特性估算王雁平&中国北方机车车辆工业集团公 司,北京(摘要#采用 国内研 制的高速 列车通过随道时压力波计算程序,模拟了特定随道条件下)+(动车组单车随道压力波的基本特性,给出了隧道内、车头车尾处的压力波分布情况,以及 对应车内处(,内最大 压差值等随车速变化 的规律。同时,比较了动车组在德国和我国 隧道条件下压力波的异同点。关键词#动车组.随道.压力波.特征线法中图分类号#/!%0文献标识 码#1目前,我国引进了国外高速列车 技术,形成了)+系列动车组。)+(动车组是引进德国西门子技术制造的,但我国与德国高速线路具有不同的线路特征,如隧道参数就有较大的区别。我国时速(23以上的高速线路单线隧道断面净空面积为%34,复线隧道断面净空面积为 34.德国时速(23以上的高速线路单线隧道断面净空面积为?34,复线隧道断面净空面积为5!34。故进行)+(动车组通过国内隧道时产生压力波动特性 的研究是必要的,能为不同线路和不同车辆编组下车内压力保护系统设计与车体强度设计等方面提供技术依据,有益于国内消化吸收再创新工作6 7 8。本文采用一维可 压缩非定常流动模型和特征线法探讨了我国和德国单线隧道下,单列)+(动车组通过隧道时车内外压力波的基本特性。通过特定隧道参数下的研究,初步给出了(,内最大压差随时间、列车速度变化而变化的基本特性。所用计算方法和计算程序是国内用于有关不同速度等级规范中隧道净空参数选择用隧道压力波的分 析程序。伴随有不同程度的涡流和分离流动,若对这种流动进行准确地模拟,将对计算设备提出很高的要求图。根据隧道长度远大于隧道直径 的特点,隧道 内三维流动简化为一维流动,空气流动简化为一维可压缩不等嫡非定常流动。考虑如下实际影响因素和假设#&7 空气与列车壁和隧道壁存在摩擦和传热.&!隧道断面沿其长度方向的变化量较小.&(隧道内空气是完全气体。利用质量守恒、动量定理和能量守恒定理,建立隧道压力波的数学模型。连续性方程#生二。亚二,巫二巴竺9。茄宁:孟宁“茹宁了丽;。动量方程#加=7?7/能量方程#&!夔0“助一。!&生0。更一奋0心&(隧道压力波的计算模型图表示了单列车在隧道内运行过程中不同特征的流态。列车驶人隧道后所引起的隧道内空气流动是复杂的三维、可 压缩、非定常的紊流流动。在列车周围如 7谙由 一、爪毛,又气图几、;气于一下商速列车在隧道内运行时空气流 动基本特征收稿日期#!一?一!,作 者简介#王雁平&5,%一,男,副总工程师。式中#“隧道内空气流速.隧道内空气压力.2空气比热比.户空气密度.重力加速度.壁面摩擦量.壁面传热量.于一一列车壁摩擦功.时间。方程&、&!、&(中的、和奋的具体求解方法见文献6(。方程&;&(是一阶线性偏微分方程 组。在无 量铁道车辆第?卷第 期!年 月纲时间与距离的 4图上形成正交网格,且离散特征方程。按广义黎曼变量特征线方法求解特征方程。边界条件按一维可压缩流动模型建立。根据以上流动模型和特征线方法,建立了列车通过隧道时车外压力波动的计算程序6(8。在模拟车外压力波时,假设车体为绝对密封,即不考虑车体泄漏对车外压力波的影响。在得到车外压力波的基础上,利用下列关系式可计算车内压力波动的特性。车内压力按下列关系计算6 8#户、户&一一于&?式 中#车内空气压力.一车辆气密指数,按时间常数给出,根据德国)(高速列车的气密指数,本文取二,。文献6在已知车辆当量泄漏面积时,采用车内外压力波藕合计算的方法,得 出压力波特性。本文在未知该参数情况下,采用气密值时间常数在求得车外压力后再求车内压力。!动车组参数和隧道参数)+(动车组为 辆固定编组,全长!3,断面面积?3,。车头压力损失系数为,车尾压力损失系数按阻塞比的平方取值。单线隧道断面净空面积为%3,空气动力学系数参考)4车型相关系数选定。隧道长度取 3。计算车速分别选定!,23、(23、(,23(种情形。(计算与分析根据以上给出的参数以及文献6(的计算方法和计算程序,计算单列动车组通过隧道时诱发车内外压力波动的特性。(两国不同隧道下车外压力波的比较图!&、图!&、图!&)分别给出了我国和德国单线隧道条件下,隧道内距洞口,3处、车头侧、车尾侧静压随时间变化的波动规律。图中车速为(23。从图中可知,在我国和德国隧道参数下,两者压力波动规律相同。但最大、最小压力峰值有所不同。在德国隧道条件下,最大、最小压力峰值大于我国隧道的情形,但差异不大。图(给出了采用德国)(高速列车气密值时,单列车通过隧道时车头侧、车尾侧对应车内压力 随时间的变化特性。在线路相同的条件下,我国与德国动车组车内压力变化特性是相同的。与车外压力波动一样,在德国隧道条件下,最大、最小压力峰值大于我国隧道的情形,但差异不大。以我国隧道条件下的车头侧 车内外压力波动为例,说明车内外压力波动的对应关 系。当车头驶入隧道;(!,时,车外压力逐步增加,最大压力峰值为?!2.车内压力也基本同步增加,车内最大压力峰值为?2。当列车全部驶人隧道瞬间,车尾处产生较大的膨胀波,造成车头处在(!,;(?!,期间压力瞬间降低,压力降至一%?2.由于列车具有良好的气密性,车内压力减少的速率比较缓慢,压力降至(,2。随后在,%,;?,期间,由于隧道内膨胀波的作用,车外压力急剧降低,最小压力峰值达到一?2.而同期车内压力也在下降,减少的速率比车外要小,最小压力峰值为一?2。在?,;5!(,期间,车外压力急剧上升,压力恢 复到一?2.在此期间,车内压力并非像车外那样急剧增大,尽管有一定 幅度的增加。但在 ,一(!(,期间,随着车外压力的急剧降低,车内压力又在减少,最小峰值为一?(2。随着列车驶出隧道,车外压力恢复到环境压力,压力波动几乎为零.但车内压力并非很快恢复到未驶人隧道前的水平。可见,车 内外压力波动并非完全同步,特性各异。对于高速列车通过隧道时车内外压力变化是相互祸合的,也由于气密特性,国国中位一一向!?弓电粼侧只田&中国一一一翻国之权侧只田?嗽电粼粼只幽 时间7?!?时间7 时间7&距洞口,图!3处隧道内静压.&车头侧静压.&。车尾侧静压。不同隧道断面下车外压力波特性比较)+(动车组单车隧道压力波特性估算王雁平与图(对比分析可知#车头侧车内(,最大压差值在列车驶人隧道,的时刻,即列车在隧道内行驶了?!3距离时压力差达到了最大值,最大压差值为!2。在相同时刻,车尾处(,内最大压差值也达到最大,最大压力峰值为,2。车头车尾处车内(,内最大压差值变化趋势基本相同。?受粼只粼田?!刁?弓粼#?%#&?#(?)俐只田时间&?时间?弓粼侧只出+,车头侧静压.+/车尾侧静压。圈0两国不同隧道内车内压力波动特性比较带来了车内压力波动与车外压力波动特性 的不同。从以上对比可知,12 30动车组在我国隧道断面净空面积下,隧道内车内外压力波动有所缓解,这一结论只是在近似条件下得出的。车内压力波动特性与车辆制造工艺、线路条件等有关。今后,需要结合我国的具体条件研究得 出。0?列车速度对车外压力波动的影响以我国隧道断面净空参数为例,图 给出了车头侧、车尾侧最大压力峰值及最小压力峰值随车速的变化特性。由图 可知4车头侧最大峰值随速度 的增加而增加,但增加得比较缓慢.而最小压力峰值+即最大负压峰值随车速的增加而下降得较快。车尾侧最小压力峰值与车头侧最小压力峰值基本相同,随车速变化而变化的趋势也相同。图中没有给出车尾侧最大压力峰值,在计算中可知车尾处最大压力峰值始终是外界环境压力。图5给出了车头侧、车尾侧05内最大压差值随车速的变化特性。随车速的增加车头车尾处05内最大压差值也在增加,且增加趋势较快。图6给出了列车速度 变 化对车内车头处、车尾处05内最大压差的变化特性。由图6可知,随车速的增加,车内05内最大压差也在较大幅度地增加。车头 处05内最大压差比车尾处05内最大压差值要大。但车速接近05789:时,两者基本相等。车尾处05内最大压差值比车头处对应的值增加的幅度要大。圈5车速对05内车外?大压差的影响?受电粼俐只田时间&?图)车头车尾处车内05内最大压差变化特性一;一#占尸#甲车头最大峰值车头最小峰值车尾最小峰值?受勺拐粼只田#)?之架俐只田一%呼#尸,#尸,#,一 印%0 0 0 0印列车邀度准?7#今列车速度矛伍?犷今图6车内05内最大压差随车速的变 化特 性图 车外最大、最小压力峰值波动特性比较 结束语动车组通过隧道时诱发空气压力瞬变可能带来司乘人员舒适 性 问题。本文采用数值方法分析了列车通过单线隧道时,1 230动车组单车压力波的特性,可 见车内外压力波动是剧烈的根据本文 的结0?0列车速度对车内压力波动的影响以我国隧道断面净空参数为例,图)给出了车头侧、车尾侧对应车内05内最大压差值随时间的变化特性。计算车速为0 789:。果和具体人体舒适度阑值困,可判断车内人 员的舒适性状态,进而确定是否采取压力保护。本文的结果虽然经过了验证,但由于123 0动车组有关经验参数是参考1?,(?二心广2,:,:,2,3,13?;!,8;!:一;,&,?!;!,;,0%4)一5(?,!;,3,3;8,?;:?8仑;8&,!:;巧;!,&,/&!3:;,#;:;&;!1!1;&?_ 11 _ 2 _ 2 _#2 _,!,;,5?梅元贵?高速铁路隧道压力波数值模拟研 究成都4西南交通大学,(6?&!;7&;3?3:;:19,:!:;&,:;!;,&;!,;:;!,;!8!?),:1?:,84 32,(%,=40一?梅元贵,周朝晖?高速列车通过隧道诱发车厢内压力 波动 的数值分析?铁道学报,5,6+540)一 王悦明?铁路客车压力密封性问题【?铁道机车车辆,+4一(?+编辑4田玉冲一?工;?门&1 1)3?=/韶 77)+(=77/?=71_&3 ,)?2=?=)(,)1?#7=73 7):?=3?:=7,=?3=7?:?=?77)+(3=7:7=?=7=?:=7?=?=?=7,?7 7=7:3 3=3?=7=?(,3 3,?3=7?:?=3 )?=7?3?3=7:7=?.=7.:?=.?337叫=?=3 3?1 _ ,7&3=?=3,?=7/7/?,!(,)1?#3?3?=3一,=?:7?7,7 =?,:73?,?77 3:,?3,7?=?:777 3?=.3?.?.7=77=1 3 3 3 ,7&3,=?/?,)=?(,)1?#?327:?:?一3?7,?,3:?7_ =寿。=7=7 37,7=33,=?37?3=7 7=7?:3 23=?,?3=7?:7?77?=?,7?:,?3 ,?=?=7?=?37?:7=7,?37,?77,3:7,?7?77:7?,:?7 7?:?:3 7?7 7 =7 7?:33 ,3 3=3 ,7,3?:.3 23.?.3:3.=3 7 7=7 73_%77)37?7 77?/+=,7&3,7)#)_ 22?,!,!,)1?#7:3?3 3?,?=3?=7?_%。?7 7 37?:?77 7?7=?3?7?#37.7 7?.?77.?=.?7?7?3 14?!,?)7)4+1_=一=&3 ,2 7:3)+7=:3),+,?,)1?#?3 73?,?=,?=7:14?!,?7?#?7.3.?.?=7)47/&3,77?73:3)=77?),)=(?!,)1?#?:77=,73?3?=?=7 77.?=7.7:3.?=