流体力学结课论文：空气动力学在高速铁路建设中的应用研究

流体力学结课论文 空气动力学在高速铁路建设中的应用研究 摘要:我国高速铁路建设正处于上升期,高铁建设中遇到的问题也越来越多,相关理论研究对于高铁建设的顺利开展意义重大。本文通过对空气动力学的学习研究,初步认识和了解了空气动力学在高速铁路隧道建设中的应用,对流体力学对于土木工程的重要性有了更进一步的认识。 关键词:土木工程高速铁路隧道空气动力学流体力学 1前言 哈大高速铁路是国家“十一五”规划的重点工程,被纳入国家《中长期铁路网规划》。哈大高铁指在中国黑龙江省哈尔滨市与辽宁省大连市之间建设的高速客运专用铁路,于2007年8月23日正式开工建设,2012年12月1日正式开通运营。哈大客运专线(高铁)是我国中长期铁路规划中“四纵四横”高速铁路网的“一纵”,是京哈高铁的重要组成部分,通车后将成为世界上第一条投入运营的穿越高寒地区的高速铁路。 流体力学在土木工程中应用广泛,而在高速铁路的建设过程中,流体力学的重要分支空气动力学则起到了极为重要的作用。我国高速铁路建设正处于上升期,高铁建设中遇到的问题也越来越多,相关理论研究对于高铁建设的顺利开展意义重大。 2空气动力学简介 1 空气动力学是流体力学的一个分支,它主要研究物体在同气体作相对运动情况下的受力特性、气体流动规律和伴随发生的物理化学变化。它是在流体力学的基础上,随着航空工业和喷气推进技术的发展而成长起来的一个学科。 最早对空气动力学的研究,可以追溯到人类对鸟或弹丸在飞行时的受力和力的作用方式的种种猜测。17世纪后期,荷兰物理学家惠更斯首先估算出物体在空气中运动的阻力;1726年,牛顿应用力学原理和演绎方法得出:在空气中运动的物体所受的力,正比于物体运动速度的平方和物体的特征面积以及空气的密度。这一工作可以看作是空气动力学经典理论的开始。 1755年,数学家欧拉得出了描述无粘性流体运动的微分方程,即欧拉方程。这些微分形式的动力学方程在特定条件下可以积分,得出很有实用价值的结果。19世纪上半叶,法国的纳维和英国的斯托克斯提出了描述粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程,后称为纳维-斯托克斯方程。 到19世纪末,经典流体力学的基础已经形成。20世纪以来,随着航空事业的迅速发展,空气动力学便从流体力学中发展出来并形成力学的一个新的分支。 20世纪60年代以来,由于交通、运输、建筑、气象、环境保护和能源利用等多方面的发展,空气动力学在更多领域有了更为广泛的研究和应用。 20世纪70年代以来,激光技术、电子技术和电子计算机的迅速发展,极大地提高了空气动力学的实验水平和计算水平,促进了对高度非线性问题和复杂结构的流动的研究。 3高速铁路隧道空气动力学效应 当列车进入隧道时,原来占据着空间的空气被排开。空气的粘性以及气流对隧道壁面和列车表面的摩阻作用使得被排开的空气不能像在隧道外那样及时,顺畅地沿列车两侧和上部流动,列车前方的空气受压缩,随之产生特定的压力变化过程,引起相应的空气动力学效应并随着行车速度的提高而加剧。 3.1列车进入隧道引起瞬变压力 列车进入隧道引起的压力变化是两部分的叠加:1列车移动时从挤压、排开空气到留下真空整个过程引起的压力变化;2列车车头进入隧道产生的压缩波以及车尾进入隧道产生的膨胀波在隧道两洞口之间来回反射产生的压力变化( M ach波)。 当双线隧道中同时有不同方向列车相向行驶时,叠加所产生的情况则更为复杂。列车在隧道中运行时(无相向行驶列车)车上测得的最大压力波动发生在第一个反射波到达列车时。 3.2 列车进入隧道引起行车阻力 行车阻力由机械阻力和空气阻力两部分组成。机械阻力一般同行车速度成正比;空气阻力则同行车速度二次方成正比。在隧道中,空气阻力问题更为突出。 3.3 列车进入隧道引起微压波 微压波是隧道出口微气压波的简称,是高速铁路隧道运营过程中产生的空气动力学问题之一。微压波使得列车高速进入隧道时,在另一侧出口产生突然爆炸声响,对隧道出口附近的环境构成危害。 4高速铁路隧道空气动力学效应的影响 高速铁路隧道空气动力学效应会对高速列车运营、人员舒适度和环境造成一系列影响: (1)高速列车经过隧道时,瞬变压力造成旅客和乘务人员耳膜明显不适、舒适度降低; (2)高速列车进入隧道时,会在隧道出口产生微气压波,发出轰鸣声,使隧道口附近建筑物门窗发生振动,产生扰民的环境问题; (3)行车阻力增大,从而使运营能耗增大; (4)形成空气动力学噪声; (5)列车克服阻力所作的功转化为热量,在隧道中积聚引起温度升高等。 5 高速铁路隧道空气动力学效应的影响因素 5.1 机车车辆方面 行车速度,车头和车尾形状,列车横断面,列车长度,列车外表面形状和粗糙度,车辆的密封性等。 5.2 隧道方面 隧道净空断面面积,双线单洞还是单线双洞,隧道壁面的粗糙度,洞口及辅助结构物形式,竖井、斜井和横洞,道床类型等。 5.3 其它方面 列车在隧道中的交会等。 6 降低空气动力学效应的主要设计措施 高速铁路隧道设计主要由限界、构造尺寸、使用空间和缓解或消减列车进入隧道诱发的空气动力学效应两方面的要求确定。 研究表明,当列车以200 km以上时速通过铁路隧道时,空气动力学效应对行车、旅客乘车舒适度、洞口环境的不利影响已十分明显且起控制作用,因此,隧道的设计除须遵照现行《铁路隧道设计》( TB10003)规定及提高防灾救援要求外,还应考虑下列因素:(1)隧道内形成的瞬变压力对乘员舒适度及相关车辆结构的影响;(2)空气阻力的增大对行车的影响;(3)隧道口所形成的微压波对环境的影响;(4)列车风对隧道内作业人员待避条件的影响。 缓解或消减列车进入隧道诱发的空气动力学效应的主要设计措施是: 6.1 车辆方面的措施 6.1.1 车辆的密封性 我们所讨论的舒适度是车内旅客乘车的舒适度,因此我们更为关心的是车内压力变化情况。在其他条件相同的情况下,车辆密闭性能越好,车辆内的最大瞬变压力就越小。 6.1.2 车辆的外形 车辆外形的改善可从车辆的横断面积和车头形状考虑:在隧道横断面净面积不变的前提下,减小车辆的横断面积可降低阻塞比,有效降低隧道内的瞬变压力,进而可缓解车内的瞬变压力。 6.2 隧道构造措施 6.2.1 设置缓冲段 在隧道的口部设置缓冲段可减小列车进入隧道时产生压缩波的波前压力梯度,因为压缩波的波前压力梯度与列车速度的三次方成正比,所以减小压力梯度的效果可转换成降低列车速度的效果,进而可以明显地降低微气压波以及由此而产生的噪声和对环境的影响。 缓冲段的横断面形状可为拱形或为门形,要求在其两侧可按一定的比例开孔;沿其纵向可做成逐渐扩大的型式或喇叭形。 6.2.2 设置横洞 对于双洞单线隧道在每隔一定的距离采用横洞连通,以起到减压风道的作用。在英法海峡隧道中就采用了横向通道来释放压力波(其减压风道间距为250m,风道直径为 2m),这种风道可减少对列车的空气动力阻力。 6.2.3 增加隧道断面面积 增加隧道断面面积对于降低空气动力学效应是不言而喻的,其可以将隧道断面放大;也可以采用单洞双线的隧道。但是前者会增加造价,后者当列车在隧道中会车时,会加剧空气动力效应。 6.2.4 设置竖井 在隧道内适当位置修建通风竖井(或斜井),以降低压缩波梯度。这种竖井应尽可能利用施工留下的工作井。该竖井的位置应兼顾到高速列车行车时降低瞬变压力的要求。 6.2.5 噪声 隧道周壁采用吸音材料贴面,以降低空气动力学噪声。 6.2.6 隐蔽及设置 隧道内设施应尽量隐蔽设置,对在隧道内必须设置的设施采取适当的防护措施,以防列车运行时产生的列车风对设施的破坏。 6.2.7 隔热设置 列车克服阻力所做的功转化为热量,在隧道中积聚引起温度升高。为此可设置通风井,配置风机排出在隧道中因列车克服阻力而产生的热量或其他原因产生的热量,英法海峡隧道亦采用机械通风方法排出隧道内的热量。