高速列车进入隧道空气动力学模型试验分析

高速列车进入隧道空气动力学模型试验分析2010级环资安全技术及工程组员：王悦2010009683徐鑫鑫20100005982前言列车作为环保、快捷、安全的交通工具,成为各国优先发展的交通设施。但是,人们在追求列车高速化的同时,高速列车带来的空气动力学问题也不容忽视,特别是高速列车进出隧道时,会在隧道周围形成噪声,在车厢内引起压力波动,降低列车乘坐的舒适度。模型实验是研究这些问题的有效方法,实验方法可分为水槽法、小型列车模型法、发射式列车模型实验方法等。相比之下,发射式列车模型实验方法具有列车模型发射速度高、营运费用低等优点。3目录模型实验的相似理论近似模型选取相似准则实验数据与测试数据关系实验测试结果及其分析测点布置压缩波规律列车车速与压缩波最大压力大小的关系结论4模型试验的相似理论在进行模型实验时,为了使测试数据具有可比性和有用性,必须满足一定的相似条件。这里涉及的相似条件包括:几何相似、运动相似和动力相似。在列车进入隧道的过程中,能量的损失和温度的变化很小,可以不考虑热相似。5'''''ReRelvvl模型试验中，几何相似比小于50，则模型速度将增大50被以上。实体车速20m/s，模型速度将达1000m/s，空气的压缩性不能忽略，实验和实物不能达到相似。ρ、v、l为实体的介质密度，运行速度和尺寸，μ为介质动力粘性系数近似模型6事实上,Re的影响在有些情况是可以适当加以修正的。在低速或亚声速实验时,只要在研究对象上尚未出现局部超声速区,即M数没有超过临界M数时,Re数不同主要只影响摩擦阻力,而对流动的形态并没有影响。在高速列车模型实验中,摩擦阻力并不是实验研究的主要内容。因此,Re数的差异性对实验分析影响较小,可以不考虑该相似条件的限制。另外,流体存在两个自模相似区，第一自模区和第二自模区。在第一自模区，模型和实体的雷诺数不必相等，模型实验的结果也可以用到实物中去。7选取相似准则确定该物理现象的函数关系式f(p,v,ρ,μ,η)=0基本量的矩阵形式为选取321vP8根据量纲关系得解方程得，0,1,232122021,vpvp于是，22121,vpF9实测数据与测试数据的关系根据已经得到的相似准则,可以确定模型实验与实体测试结果的换算关系。阻塞比是无量纲量,用量纲分析是不能确定其幂次的。为尽量消除其影响,应取实验模型的阻塞比与实体的阻塞比相同。在本实验系统中,列车模型的截面积为4cm×6cm,隧道模型选取内径为10.6cm的聚乙烯水管,于是计算出阻塞比为0.27。若取实体列车的截面尺寸为12.65,则几何相似比L/L′=73,对应的实体隧道的面积为46.5,模型列车的速度与实体列车的速度一致v=v′。实验介质均为空气ρ=ρ′。这样,模型实验测试得到的压力值与实体列车进出隧道的压力值是相等的。由于速度相似比为1∶1,所以时间相似比一致,即t/t′=L/L′。2m2m10实验测试结果及其分析测点布置选取外径11cm，内径10.6cm的聚乙烯水管作为模型隧道。列车模型横断面面积24，于是计算出隧道的阻塞比为0.27。隧道模型全长7.6m，上面设置4个测点。2m11压缩波传播规律1213列车车速与压缩波最大压力大小的关系在该实验台上,对不同列车模型发射速度条件下产生的压缩波最大压力的大小进行了大量的实验,统计得到了阻塞比η=0.27的条件下,无缓冲结构时,列车车速与压缩波最大压力大小的关系曲线。可以看出,列车突入隧道时形成的最大瞬变压力与列车车速的平方成正比。14结论列车在隧道运行过程中，会在列车的车头和车位连续产生压缩波和膨胀波；在测点处测得的压力时程曲线中,可以出现多个压力波波峰、波谷。但是,只有在列车车尾经过测点时,测得的负压值最大。压力波在隧道中是以声速传播的；对各测点的压力峰值的到达时刻进行比较,表明按声速计算的测点间距与实际测点间距非常吻合。列车进出隧道的正压力最大值是由列车突入隧道时形成的压力波引起的,列车经过测点时出现负压最大值;从各测点的实时曲线显示,尽管列车进入隧道后也在车头不连续形成压缩波,但是在突入隧道时的压力波峰值明显高于在其它时刻形成的压力波峰值。压缩波的最大值与列车车速的平方成正比。15谢谢！