高速鐵路長(zhǎng)大隧道熱力效應(yīng)研究.pdf

1、高速鐵路的快速發(fā)展,使得深埋大、距離長(zhǎng)的隧道需求日益增長(zhǎng)。由于縱向距離很大,列車(chē)速度的不斷提高以及行車(chē)密度和客運(yùn)量的與日俱增,高速列車(chē)能耗及附屬設(shè)備產(chǎn)生的大量熱量將釋放到隧道環(huán)境中。在通風(fēng)不暢,土壤及隧道結(jié)構(gòu)散熱不是很好的情況下,會(huì)引起隧道內(nèi)熱量的積聚和隧道縱深方向溫度的不斷升高。相當(dāng)多的熱能轉(zhuǎn)換到隧道壁中,導(dǎo)致隧道內(nèi)壁發(fā)生嚴(yán)重的剝蝕現(xiàn)象以及寒區(qū)隧道的融沉破壞。論文圍繞高速列車(chē)隧道系統(tǒng),考慮長(zhǎng)隧道內(nèi)高速列車(chē)運(yùn)行的三維空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng),空氣

2、與圍巖的對(duì)流換熱以及圍巖熱傳導(dǎo),對(duì)長(zhǎng)隧道內(nèi)溫度變化以及隧道周?chē)鷰r體溫度場(chǎng)特征進(jìn)行了研究。具體表現(xiàn)在:
　　 1.以流體力學(xué)和傳熱學(xué)理論為基礎(chǔ),考慮空氣與圍巖對(duì)流換熱,建立了三維粘性、可壓縮、不等熵非定常流模型。應(yīng)用有限體積法,對(duì)長(zhǎng)隧道內(nèi)運(yùn)行的高速列車(chē)進(jìn)行三維空氣動(dòng)力學(xué)分析。本文詳細(xì)分析了不同阻塞比(0.13,0.21,0.32)、不同列車(chē)速度(350km／h,432kh／h,500km／h,600km／h)、不同車(chē)頭形狀(30°

3、,45°,60°)下高速列車(chē)在長(zhǎng)隧道中運(yùn)行時(shí),隧道內(nèi)車(chē)周三維速度場(chǎng)、壓力場(chǎng),探究了列車(chē)運(yùn)行阻力產(chǎn)生的機(jī)理,計(jì)算了車(chē)頭車(chē)尾的壓差阻力,車(chē)身表面的摩擦阻力,比較了不同工況下列車(chē)在隧道中運(yùn)行時(shí)的阻力系數(shù),得到了列車(chē)克服全部阻力高速運(yùn)行所需能耗產(chǎn)生的熱量。
　　 隧道內(nèi)熱量的來(lái)源主要是用來(lái)克服列車(chē)運(yùn)行阻力而消耗的牽引能。熱量的積聚與列車(chē)隧道系統(tǒng)阻塞比的關(guān)系非常大,隧道內(nèi)熱效應(yīng)受到列車(chē)速度的影響僅次于阻塞比,改變列車(chē)頭部形狀,也可改變釋放

4、到隧道內(nèi)的熱量。行車(chē)密度對(duì)溫度的影響也是非常關(guān)鍵的,隧道內(nèi)溫度的升高與列車(chē)空調(diào)放熱也密切相關(guān)。環(huán)境壓力水平與列車(chē)能耗直接相關(guān),采用低壓真空隧道會(huì)顯著降低長(zhǎng)隧道內(nèi)的溫度升高。
　　 2.將有限體積法與有限元單元法結(jié)合,運(yùn)用傳熱學(xué)、固體力學(xué)的基本理論,考慮空氣與圍巖的對(duì)流換熱和圍巖熱傳導(dǎo)耦合,建立了溫度應(yīng)力耦合計(jì)算模型。溫度變化對(duì)巖體的應(yīng)力影響,通過(guò)將溫度作用產(chǎn)生的初應(yīng)變轉(zhuǎn)化為初始荷載累加到荷載向量中實(shí)現(xiàn),對(duì)隧道內(nèi)空氣與圍巖對(duì)流換熱

5、及圍巖熱傳導(dǎo)耦合問(wèn)題進(jìn)行了三維非線性分析。分別求解了阻塞比為0.13,0.21及0.32下高速鐵路隧道在不同速度及不同車(chē)頭情況下,一年期、十年期、二十年期的圍巖溫度場(chǎng),熱應(yīng)力場(chǎng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隧道圍巖溫度場(chǎng)在二十年后都將維持一個(gè)比較穩(wěn)定的狀態(tài),圍巖等效熱應(yīng)力值在隧道壁四周基本呈均勻分布,溫度引起的等效熱應(yīng)力最大值及最大主應(yīng)力均出現(xiàn)在隧道拱角處。
　　 3.針對(duì)多年凍土地區(qū)隧道圍巖溫度場(chǎng)是具有導(dǎo)熱與對(duì)流換熱耦合邊界并伴有相變的非穩(wěn)態(tài)溫

6、度場(chǎng)的特點(diǎn),建立了隧道內(nèi)空氣對(duì)流換熱的微分控制方程,同時(shí),在非穩(wěn)態(tài)的溫度場(chǎng)控制方程基礎(chǔ)上,建立了伴有相變的凍土體非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)控制方程。本文用有限體積法求解隧道內(nèi)氣流及用有限單元法求解凍土體的非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)偏微分方程,采用了空間域內(nèi)的有限單元法與時(shí)間域內(nèi)的有限差分法混合求解,進(jìn)行了圍巖溫度場(chǎng)的有限元分析。最后通過(guò)阻塞比為0.13及0.21,列車(chē)速度為500km／h的工況為例,預(yù)測(cè)了寒區(qū)高速鐵路隧道在二十五年間長(zhǎng)期連續(xù)不斷地運(yùn)營(yíng)后,隧道內(nèi)溫度