隧道空气动力学实车试验研究

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试内容之一。试验区段为太和至北猪北,区段全长 48.7km,建有18座隧道(14座单线、4座复线),隧道
总长达 15.38km,占试验区间线路全长的 31.57%,其
中荆竹岭隧道(单线,全长 4366m)和松林堡隧道(单 线,全长 1320m)是本次隧道空气动力学测试重点。 列车通过这两座隧道时,除对列车车体表面和车厢内
效应相继进行了大量的理论和试验研究〔’川,我国“九 五”期间对此也开展了一系列研究[5,6]。随着我国既
有线提速和高速客运专线的发展 ,列车运行速度大幅 度提高 ,隧道空气动力效应对列车运行安全性、经济 性和旅客乘坐舒适性等带来 的影响将更为严重。尽 管对隧道空气动力学的研究在前期做了大量的工作 , 但面临我国铁路新的发展形势,仍有许多隧道空气动 力学问题觅待研究解决。根据铁道部科技司安排, 2005年 5月 16日至6月5日在遂渝线进行了200km/ h提速综合试验,隧道空气动力学试验是其中重要测
图1 车载测试系统框图 Fig.l Vehicular testsy stem
3 试验结果及分析
3.1 隧道壁面压力变化
受篇 幅 限 制 ,这里重点分析隧道壁面的压力变化
规律(车体表面和车厢 内部也有很多相似的规律)。
根据测点位置不同,沿隧道纵向布置的测点测得的压
力变化波形大致可分为两种,一种是隧道 口附近压力
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图8 陇道出口列车风风速随时间的变化历程
Fig.8 Timeh istorya (w indi ne xit
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图2 地面侧试系统框图
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20m位置布置了动态压力传感器和 15m,20m位置布 置了声压计 。
2 测试方法
本次 试 验 采用的测试系统有车载测试系统和地 面测试系统。车载测试系统主要是测量列车过隧道 时车厢内、外空气压力变化,同时为了了解压力变化 与列车运行速度和列车在隧道内位置的关系,测试系 统增加了触发信号和列车速度信号 ,车载测试系统框 图如图 1所示。与车载测试系统相比,地面测试系统 多了超声波风速、隧道壁面振动加速度等测试内容, 地面测试系统框图如图 2所示。
0引 言
列 车 高 速通过隧道引起 的空气动力效应 (压力 波、空气阻力、列车风、微气压波等)对列车运行的安 全性、经济性和旅客乘坐的舒适性及隧道周围环境均 有不 良影响 ,是高速铁路隧道设计中必须解决的关键 技术问题 ,同时也是既有线隧道能否适应列车提速需 要考虑的重要问题。自20世纪 60年代 日本新干线 投人运行后 ,日本和西欧一些国家围绕隧道空气动力
研究 ,很多都采用了一维方法,实际试验结果表 明,这 种简化对于隧道口的研究是存在很大误差的,即使在 隧道中部,也存在三维效应,但由于受 目前硬件设备
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一 隧道出u风速
一 列车头部到达测点位置 “列车尾部到达测点位置
的限制,如果隧道太长的话 ,很难用三维数值模拟,所

以可以近似采用一维方法 ,但隧道 口的研究仍需要采 用三维方法。图 6是距隧道口6m位置测点压力变化 幅值随测点高度的变化曲线 ,从图中可 以看出,距隧
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线 ,图中公式由幂函数曲线拟合得到。从图中曲线可
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一 隧道入口压力

一 隧道出口压力
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测 点 高度 /m
压力变化 幅值随侧点高度 的变化
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上升;此压缩波继续往前传播,至隧道出口时,压缩转 值迅速增加,近似与列车运行速度的平方成正比。所
变为膨胀波向隧道内返回,至测点 24时(图中的④ 以随着我国铁路大范围的提速,隧道空气动力学问题
点)压力下降;图中③点是列车尾部进人隧道产生的 将会越来越严重,是我们目前急需解决的问题。
膨胀波到达隧道壁面24# 测点对应的时刻,压力开始 3.2 隧道 内列车风 下降;至点⑥时,列车尾部产生的膨胀波已从隧道出
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图4 距隧道人口250m侧点的压力变化 Fig.4 Pressure changeo f如 measuredp oint
250 口 far fro m t het unnelp ortal
exit a压缩波 b膨胀波
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2007-01-13; 修订日期:2007-04-05 铁道部项目(20056033) ;牵引动力国家重点室开放课题项目(TP1.0402). 刘堂红(1976-).男 ,湖南新化人,中南大学博士生,从事车辆结构与空气动力学研究.
万方数据
第 1期
刘堂红等 :隧道空气动力学实车试验研究
隧道 壁 面 测点布置在隧道一端,因为列车双向来 回运行,所以测点既能测量隧道人口端压力变化,又 可以测量隧道出口端压力变化。测点分别沿隧道长 度和高度方向布置,这里选取了离缓冲段口4m的截 面和隧道口 6m的截面进行三维效应分析。因松林 堡为单线隧道 ,列车通过隧道时,隧道壁面压力变化 两侧对称,所以测点布置在隧道壁面的一侧 ,为考核 其对称性,在隧道另一侧布置了一个测点。隧道内列 车风垂向分量相对于纵向和横向分量来说很小 ,可不 考虑垂向分量对测量结果的影响,因此采用二维超声 波风速仪和三维热线风速仪进行列车风测量。测点 布置在隧道内距洞口25m,轨面高 lm、距隧道壁面 lm 的位置。隧道口微气压波的测量分别在距洞 口 IOM,
2.西南交通大学牵引动力国家重点实验室,四川 成都 610031)
摘 要:为了指导既有线200km/h提速技术改造,为第六次大提速的顺利实施提供经验。2005年5月至6月在遂渝 线的太和至北暗北路段进行了200km/h提速综合试验,隧道空气动力学是其中的重要测试内容之一。利用地面和 车载测试系统,对列车车体表面、车厢内部、隧道壁面空气压力变化、隧道内列车风、隧道 口微气压波和隧道壁面振 动加速度等参数进行测试。测试结果表明:测点压力变化幅值与列车运行速度的 1.7一2.4次方成正比,具体取值 与车型和测点位置有关;隧道内列车风风速与列车运行速度成线性关系;隧道口微气压波幅值近似与列车运行速 度的三次方成正比、与测点距隧道口距离成反比。列车以 200km/h速度过隧道时,车厢内3。最大压力变化幅值为 1875Pa,车厢内43%的人有明显耳痛感,显然英国标准(3000Pa/3s)过于宽松;200km/h速度下引起的列车风风速为 14.8m/;,超过了人体安全风速值(14m/s),建议列车运行期间,不进行隧道作业。 关键词:高速列车;隧道空气动力学;压力变化;列车风;微气压波 中图分类号:U451.3;U292.91 文献标识码:A
变化波形(如图3),另一种是离隧道口较远的洞内压
力变化波形(如图4),
图 5为 列 车以 200km/h速度通过松林堡隧道时
隧道壁面 24#测点(距隧道 口250m)空气压力变化和
压力波传80 播的关系图:①点是列车头部进人隧道时,
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图 3 距隧道人口6m测点的压力变化 Fg.3 Pressurec hangeo fth em easured州 m
装箱列车[;]。受篇幅限制,本文仅对“长白山”高速列
车通过松林堡隧道时的空气动力学性能进行分析。
1 测点布置
“长 白 山 号”动车组由 9节车组成。由于列车和 隧道的对称性,测点主要布置在列车车体的一侧,共 布置了11个动态压力测点,其中10个测点布置在前 6节车一侧,另一测点布置在第 3节车车体另一侧对 称的位置上。
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图 , 隧 道 人 口 列 车 风 风速随时间的变化历程
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从测 试 结 果看,热线风速仪和超声波风速仪测试 结果相差不大(约 5%)。距隧道壁面一定位置处的列
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图 5 隧道壁面压力变化与波传播关系图
Fig .5 Pressurec hangea ndw aved iagram
万方数据
空气 动力学学报
第 26卷
产生的压缩波以音速传播到24# 测点,此时压力开始 以看出,随着列车运行速度的增加,测点压力变化幅
道口6m截面位置,三维效应明显,压力变化幅值最大
的测点(高度 7.76m)比压力变化幅值最小的测点(lm 高度)大了 31%。而隧道缓冲段 ,三维效应更加明显 , 压力变化幅值最大的测点(高度 6.28m)比压力变化 幅值最小的测点(lm高度)大了 81%,
图 7为 压 力变化幅值与列车运行速度的关系曲
口以压缩波的形式返回至 24# 测点 ,压力开始上升;
图 8和 图 9分别为“长白山号”动车组以200km/h
点②和点⑤分别为列车头部和尾部通过隧道壁面测 速度运行时测得的隧道出口和隧道人口列车风风速
点对应的时刻,从图中我们可以看出,列车头部通过 随时间的变化历程。从图上可以看出,当测点位于隧
测点时,隧道壁面压力上升,而列车尾部通过测点时, 道出口时,列车风风速最大值出现在列车通过以后,
第26卷 第 1期
2008年 03月
文章编号:0258-1825(2008)01-0042-05
空 气 动 力 学 学 报
ACTA AERODYNAMICA SIN ICA
隧道空气动力学实车试验研究
Vo1.26,N o.1
Ma r. ,2 008
刘堂红‘,田红旗’,金学松2
(1.中南大学轨道交通安全教育部重点实验室,湖南 长沙 410075;
部空气压力变化进行测试之外 ,还在地面布置了大量 测点,主要测试列车过隧道时隧道壁面空气压力变 化、隧道 口微气压波、隧道内列车风和隧道壁面振动 加速度等参数。由于车载测试设备能进行全程采集, 因此 ,除上述两座隧道外 ,本次试验还得到了列车通 过其他隧道时引起的车厢内、外空气压力变化。本次 试验被试车型有 200km/h动车组(长白山号列车)、 25T提速客车、120km/h提速货车和 120km/h双层集
Fig 7 Pressurec hangew iths peedo ftr ain
车风风速与列车运行速度的关系曲线如图 10所示, 从图中可以看出,列车风风速与列车运行速度成正 比,当长白山号列车以200km/h速度通过隧道时,产 生的列车风风速为 14.Sm /s,超过了人体安全风速值 (我国制订的“时速 200公里新建铁路线桥隧站设计 暂行规定”提出站台旅客和线路作业人员允许承受的 列车风风速为 14m /s),因此,为保证隧道作业人员安 全,列车运行期间,建议不进行隧道作业。
壁面压力下降。后面过程依此类推,列车头部进隧道 即列车尾流之中;而测点位于隧道人口时,风速最大
产生的压缩波和列车尾部进隧道产生的膨胀波在隧 值则出现在列车头部通过以后。无论测点是位于隧
道内不断来回反射,使隧道壁面压力不断发生变化。 道进口还是出口,在列车通ห้องสมุดไป่ตู้后,隧道内列车风都会
国 内外 对 列车在隧道中运行时的空气动力学的 持续一段时间后才逐渐消失。
Fig 6 Pressurec hangew ithh eight
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.试验值 — 幂函数拟合曲线
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140 1 80 220 260
列车 运 行 速 度 /(km-h-')
图 ? 压力变化幅值与列车运行速度的关系
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