高速鐵路隧道壓縮波演變特性與微壓波研究.pdf

1、高速列車隧道微壓波對(duì)周圍環(huán)境具有重要影響，其危害主要體現(xiàn)在隧道出口附近的音爆噪聲及附近房屋結(jié)構(gòu)的劇烈振動(dòng)。隨著列車速度的不斷提高，這些問題將變得越來越突出。微壓波的強(qiáng)度正比于隧道出口端處壓縮波的最大壓力梯度，由列車突入隧道產(chǎn)生的初始?jí)嚎s波和壓縮波在傳播過程中的演變共同決定。目前，針對(duì)微壓波的緩解措施主要是從初始?jí)嚎s波著手，如工程上普遍采用的不同類型隧道進(jìn)口緩沖結(jié)構(gòu)，該措施的目的是延長初始?jí)嚎s波壓力的上升時(shí)間，使其傳播到隧道出口時(shí)不會(huì)太陡

2、，但其存在一定的局限性。因此，有必要對(duì)壓縮波在隧道內(nèi)傳播過程中的波形演變進(jìn)行研究。此外由于入口緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)隧道內(nèi)輔助設(shè)施引起的新的壓縮波沒有影響，因此有必要探索新的隧道出口緩沖結(jié)構(gòu)。本文基于理論公式及一維計(jì)算程序分析了壓縮波沿隧道傳播時(shí)的演變機(jī)理，并通過CFD數(shù)值計(jì)算研究了隧道出口開孔區(qū)域的流動(dòng)特性和其對(duì)微壓波的緩解效率。
　　首先，采用一維可壓縮非定常不等熵流動(dòng)模型和有限體積法，建立了高速鐵路隧道壓縮波在隧道傳播過程中波形演變的數(shù)

3、值計(jì)算方法，并編寫了計(jì)算程序。與現(xiàn)車試驗(yàn)相比，程序計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合良好，表明該方法能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)壓縮波波形的演變。在此基礎(chǔ)上，基于一維平面波方程和壓縮波的特性，推導(dǎo)了無粘條件下（即慣性作用下）壓縮波在隧道內(nèi)傳播時(shí)壓縮波壓力梯度的理論公式。通過該理論公式，分析了傳播距離，初始?jí)嚎s波幅值以及初始?jí)嚎s波波前長度等因素對(duì)隧道不同位置處壓縮波壓力梯度的影響。結(jié)果表明:壓縮波壓力梯度隨傳播距離并非線性變化，而是隨著傳播距離的增加，其變化幅度越

4、來越大，當(dāng)傳播距離接近臨界長度時(shí)，其壓力梯度幾乎發(fā)生突變;相同的傳播距離下，壓縮波壓力梯度隨初始?jí)嚎s波幅值的增加而增加，隨初始?jí)嚎s波波前長度的增加而減小。
　　其次，采用計(jì)算程序研究了穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)摩擦效應(yīng)及兩者的綜合效應(yīng)對(duì)波形演變的影響特性、不同初始?jí)嚎s波波形的演變特性及最不利的傳播距離，并利用穩(wěn)態(tài)摩擦效應(yīng)下壓縮波演變的數(shù)值計(jì)算結(jié)果修正了無粘條件下的理論公式。結(jié)果表明:壓縮波在隧道傳播過程中，壓縮波自身不僅存在慣性作用，同時(shí)還受摩

5、擦效應(yīng)的影響，包括穩(wěn)態(tài)摩擦效應(yīng)和非穩(wěn)態(tài)摩擦效應(yīng);隨著傳播距離的增加，慣性作用使壓縮波越來越陡，而摩擦效應(yīng)的作用都是抑制壓縮波的變陡;兩種摩擦效應(yīng)的影響機(jī)理不同，非穩(wěn)態(tài)摩擦效應(yīng)主要影響壓縮波的波形，而穩(wěn)態(tài)摩擦效應(yīng)主要影響其幅值;穩(wěn)態(tài)摩擦和非穩(wěn)態(tài)摩擦效應(yīng)之間會(huì)相互影響，且穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)或非穩(wěn)態(tài)摩擦因子越大，影響越大。此外，壓縮波的演變特性不僅與初始?jí)嚎s波的幅值和最大壓力梯度有關(guān)，還和壓縮波的波形密切相關(guān);列車速度越高，隧道壁面的穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)越

6、大或非穩(wěn)態(tài)摩擦因子越大，最不利傳播距離越短。
　　根據(jù)波的輻射特性，建立了隧道出口微壓波的CFD數(shù)值計(jì)算方法，詳細(xì)分析了不同空間內(nèi)流體的流動(dòng)特征和引起該行為的波動(dòng)特性，提出了一種緩解微壓波的隧道出口開孔緩沖結(jié)構(gòu)，并對(duì)該結(jié)構(gòu)下的開孔泄壓進(jìn)行了熱力學(xué)分析。研究結(jié)果表明二維空間內(nèi)波的傳播存在彌散性，因此并不能采用二維平面模型分析隧道出口微壓波的輻射。
　　本文采用CFD的二維軸對(duì)稱模型開展了一系列數(shù)值計(jì)算，分析了不同初始?jí)嚎s波及不