專利名稱：求解長大隧道、隧道群隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于列車隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)及緩解措施技術(shù)，具體的涉及一種尤其適用于 長大隧道、隧道群空氣動(dòng)力效應(yīng)及緩解措施方面的三維/一維耦合求解隧道空氣動(dòng)力效應(yīng) 的計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
高速鐵路是世界鐵路客運(yùn)發(fā)展的方向。但隨著列車速度的提高，不僅列車空氣阻 力急劇增大、能耗增加，還因列車高速交會(huì)、通過隧道等，出現(xiàn)了一系列危及行車安全、降低 旅客舒適度和影響周圍環(huán)境的列車空氣動(dòng)力問題。列車在隧道內(nèi)運(yùn)行的空氣動(dòng)力特性與明線運(yùn)行空氣動(dòng)力特性顯著不同。列車高速 通過隧道，類似于活塞在氣缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)列車頭、尾部進(jìn)、出隧道瞬間，繞列車運(yùn)動(dòng)的氣流受 到隧道壁面制約形成壓縮波、膨脹波，這兩種波在隧道內(nèi)以音速向前傳播并在另一端隧道 口反射，導(dǎo)致隧道內(nèi)不同空氣壓力波的相互疊加，使隧道內(nèi)空氣壓力發(fā)生劇烈變化，同時(shí)由 于壓縮波在隧道出口的突然膨脹還會(huì)產(chǎn)生影響環(huán)境的微氣壓波，這一現(xiàn)象隨著列車運(yùn)行速 度的提高進(jìn)一步加??；而明線上繞列車流動(dòng)的空氣可以向四周自由擴(kuò)散，不會(huì)引起大的壓 力變化。列車在隧道內(nèi)引起的上述空氣動(dòng)力效應(yīng)對列車運(yùn)行安全性、經(jīng)濟(jì)性、旅客舒適性及 隧道周圍的環(huán)境均有不良影響，具體表現(xiàn)在以下5個(gè)方面(1)影響旅客舒適性。在隧道內(nèi)交替出現(xiàn)的壓縮波和膨脹波，除向前運(yùn)動(dòng)外，還在 隧道口形成反射波，使隧道內(nèi)的空氣壓力不斷發(fā)生劇烈變化，如果車廂氣密性不良，空氣壓 力變化傳入車內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致乘員耳感嚴(yán)重不適，甚至頭暈、嘔吐等。(2)微氣壓波噪聲污染環(huán)境。列車高速進(jìn)入隧道產(chǎn)生的以音速向前傳播的壓縮波， 至隧道出口，壓縮波突然膨脹向四周擴(kuò)散，形成稱之為“微氣壓波”的沖擊波，并在一定頻率 范圍產(chǎn)生強(qiáng)烈的爆破聲，使隧道出口附近的居民受到噪聲干擾、建筑物受到?jīng)_擊。這種微氣 壓波問題對于采用板式道床的長大隧道及隧道群，尤為突出。(3)空氣阻力增大，能耗增加，隧道內(nèi)熱量積聚和溫升加大。在隧道中高速運(yùn)行的 列車，其空氣阻力無論是壓差阻力還是摩擦阻力均大于明線運(yùn)行，既增加列車能耗，同時(shí)又 導(dǎo)致隧道內(nèi)熱量積聚和溫度升高。(4)損壞隧道結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部設(shè)施。隧道內(nèi)劇烈變化的空氣交變壓力，可能震壞隧道 內(nèi)的混凝土襯砌結(jié)構(gòu)并損壞隧道內(nèi)部照明燈具等設(shè)施。(5)破壞車體結(jié)構(gòu)。在隧道中列車交會(huì)，其壓力沖擊波幅值大于明線交會(huì)，使車輛 結(jié)構(gòu)受到很大的瞬態(tài)沖擊力，可能損壞車輛結(jié)構(gòu)。上述影響是既有線隧道能否進(jìn)行列車提速和新建高速客運(yùn)專線隧道設(shè)計(jì)時(shí)必須 考慮并予以妥善解決的重要問題，涉及隧道洞口形式、列車及隧道斷面積、列車頭部外形、 軌道類型、車輛密封性、隧道結(jié)構(gòu)及洞內(nèi)設(shè)施的耐久性等一系列問題。盡管世界高速鐵路發(fā) 達(dá)國家對隧道空氣動(dòng)力學(xué)的研究在前期做了大量的工作，但面臨我國鐵路新的發(fā)展形勢， 仍有許多隧道空氣動(dòng)力學(xué)問題亟待解決。
列車在隧道內(nèi)高速運(yùn)行，繞列車流動(dòng)的空氣，嚴(yán)格來說應(yīng)是三維、可壓縮、非定常 湍流流動(dòng)，鑒于隧道長度遠(yuǎn)大于隧道的等效直徑，可將其簡化為一維流動(dòng)，采用特征線法分 析列車進(jìn)入隧道形成的壓力波，得到隧道軸線方向的壓力、速度等參數(shù)。這種求解方法經(jīng)由 Pope對現(xiàn)有各種方案進(jìn)行的比較，認(rèn)為一維氣流理論加上用摩擦系數(shù)模擬隧道壁面、列車 表面與周圍空氣介質(zhì)之間的摩擦，能適用于隧道內(nèi)的流場數(shù)值計(jì)算，但不能反映隧道口、主 隧道與通風(fēng)井接合處以及列車頭、尾部的三維效應(yīng)，目前的解決辦法是采用壓力損失系數(shù) 來近似模擬。世界各國學(xué)者為提高按一維流動(dòng)計(jì)算隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)的精度，研究了多種預(yù)測 方法，具體如下1.準(zhǔn)定常不可壓縮流動(dòng)模型；2.非定常不可壓縮流動(dòng)模型；3.等密度有限聲速非定常模型；4.可壓縮等熵非定常流動(dòng)模型；5.考慮摩擦的可壓縮非定常等熵流動(dòng)模型；6.可壓縮不等熵非定常流動(dòng)模型。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的不斷發(fā)展完善，各國學(xué)者對高速列車/隧 道耦合空氣動(dòng)力問題的研究已經(jīng)從一維上升到二維和三維數(shù)值模擬。按三維流動(dòng)計(jì)算，目 前常用的方法為三維可壓縮非定常雷諾平均N-S方程結(jié)合k- ε雙方程湍流模型，并采用滑 移網(wǎng)格(sliding mesh)技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車與隧道、列車與列車之間的相對運(yùn)動(dòng)，對隧道空氣動(dòng) 力效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。另一種方法是采用三維非定常勢流理論(面元法)加上邊界層修正 及Karmen-Tsien修正，計(jì)算隧道中的壓力變化等問題，均取得了較符合實(shí)際情況的結(jié)果。在上述對列車/隧道耦合空氣動(dòng)力學(xué)的數(shù)值計(jì)算研究中，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的大部 分方法都被采用。其中采用非定常三維可壓縮的數(shù)值模擬方法能對高速列車及隧道內(nèi)的細(xì) 部結(jié)構(gòu)，如列車流線型頭部外形、車體轉(zhuǎn)向架部分的繞流、受電弓、隧道內(nèi)的輔助設(shè)施及緩 沖結(jié)構(gòu)對隧道出口微氣壓波的影響等問題進(jìn)行較好的模擬，但對長大隧道、隧道群及較長 列車編組的模擬還存在相當(dāng)大的困難計(jì)算周期長、網(wǎng)格規(guī)模大、在一般中等容量計(jì)算工作 站上難于求解。因此到目前為止，長大隧道的空氣動(dòng)力問題基本上仍是采用一維算法求解。 根據(jù)隧道長度遠(yuǎn)大于隧道截面直徑的特征，采用一維特征線的方法能對長大隧道、較長的 列車編組進(jìn)行求解，降低了問題的復(fù)雜程度。但由于列車突入隧道引起的壓縮波在隧道出 口處反射為膨脹波，并形成復(fù)雜的三維效應(yīng)，這種三維效應(yīng)使得隧道出口處的壓力并不等 于隧道外界環(huán)境的大氣壓，因此僅用一維方法不能對隧道出口微氣壓波尤其是隧道群空氣 動(dòng)力問題進(jìn)行求解。通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析可以看出，高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)問題的研究無 論在理論研究、數(shù)值計(jì)算以及試驗(yàn)測試等方面均有很大進(jìn)展，對長大隧道的空氣動(dòng)力學(xué)問 題也進(jìn)行一些研究，但是由于該問題的復(fù)雜性，當(dāng)前的研究現(xiàn)狀仍不能滿足我國客運(yùn)專線 修建及既有線改造的需要，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面首先，我國高速鐵路隧道數(shù)量多，長 大隧道所占比重大，并且隧道內(nèi)行車速度目標(biāo)值高，且多為板式道床隧道。雖然我國在新 建這些客運(yùn)專線時(shí)吸取日本和西歐的經(jīng)驗(yàn)，采用大斷面隧道以降低空氣動(dòng)力效應(yīng)的危害， 但并不能全面解決隧道空氣動(dòng)力問題。其次，對于隧道/列車耦合空氣動(dòng)力問題，我國在“九五”期間曾做過一些探索，但直到2005年，由于既有干線列車準(zhǔn)備提速到200km/h及新 建高速客運(yùn)專線的需要，才系統(tǒng)開展研究，因此缺乏大量相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)；雖然國外高速列車 發(fā)達(dá)國家對隧道空氣動(dòng)力學(xué)問題開展了大量的理論和試驗(yàn)研究，但一方面國外的實(shí)質(zhì)性技 術(shù)無法得到，另一方面關(guān)于隧道群的空氣動(dòng)力問題至今未見文獻(xiàn)報(bào)道。因此，必須針對我國 國情開展相關(guān)領(lǐng)域的研究。最后，對長大隧道、隧道群空氣動(dòng)力效應(yīng)的研究，采用實(shí)車試驗(yàn)， 則代價(jià)太大，且要在列車造好、隧道建好后才能進(jìn)行；動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置的規(guī)模無法滿足直接 研究長大隧道空氣動(dòng)力的要求?，F(xiàn)有的數(shù)值計(jì)算方法，如按一維流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，不 能對隧道口微氣壓波和隧道群空氣動(dòng)力問題進(jìn)行求解；按三維流動(dòng)求解，計(jì)算機(jī)容量又難 以滿足要求，因此需要尋求一種經(jīng)濟(jì)有效的數(shù)值計(jì)算方法對其進(jìn)行求解。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種兼顧效率和精度的求解長大隧道、隧道群隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)的 方法，其將三維可壓縮流場的SIMPLE算法和一維特征線法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合采用一維特征線 法求解隧道內(nèi)空氣動(dòng)力效應(yīng)，對隧道出口周圍的流場采用三維可壓縮流場的SIMPLE算法 進(jìn)行模擬，在隧道內(nèi)三維效應(yīng)可以忽略的位置進(jìn)行三維、一維數(shù)據(jù)交換；實(shí)現(xiàn)了對長大隧 道、隧道群空氣動(dòng)力效應(yīng)的求解。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下一種求解長大隧道、隧道群隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)的方法，其特征在于所述方法包 括對隧道內(nèi)的空氣動(dòng)力效應(yīng)采用一維特征線法模擬，隧道出口及隧道群兩相鄰隧道 間的流場計(jì)算采用三維可壓縮SIMPLE算法模擬；對上述兩種算法所得結(jié)果，在遠(yuǎn)離隧道口、三維效應(yīng)可以忽略的位置進(jìn)行數(shù)據(jù)交 換，模擬并得到隧道內(nèi)流場的空氣壓力變化和隧道出口的微氣壓波。具體地講，所述一維特征線法模擬的方法包括將列車/隧道耦合空氣動(dòng)力問題簡化為可壓縮、非定常、不等熵的一維流動(dòng)來處 理；在控制方程中將隧道內(nèi)空氣流動(dòng)有效截面積作為時(shí)間和距離的二元函數(shù)。所述一維特征線法模擬的方法包括采用非定?？蓧嚎s不等熵模型并對該模型進(jìn) 行如下簡化列車在隧道內(nèi)的運(yùn)行過程簡化為圓柱形列車在圓柱形隧道內(nèi)的運(yùn)行過程，并將隧 道內(nèi)空氣流動(dòng)有效截面積看作是時(shí)間和距離的二元函數(shù)；對實(shí)際列車三維流線型頭部外形截取多個(gè)截面得到實(shí)際面積，將各截面面積及其 距列車鼻尖距離作為計(jì)算參數(shù)輸入，然后采用拉格朗日插值得到計(jì)算所需的列車流線型頭 部任意截面的面積參數(shù)；所述對非定?？蓧嚎s不等熵模型進(jìn)行的簡化還包括對碎石道床隧道的計(jì)算，添加了線性阻抗+孔隙模型。所述隧道出口及隧道群兩相鄰隧道間的流場計(jì)算的方法包括采用k_ ε兩方程湍流模型中的標(biāo)準(zhǔn)k_ ε湍流模型建立三維數(shù)學(xué)模型，并對該三 維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行物理空間與計(jì)算空間的轉(zhuǎn)換，最后基于非正交曲線坐標(biāo)系下求解可壓縮 SIMPLE 算法。
所述隧道出口及隧道群兩相鄰隧道間的流場計(jì)算的方法進(jìn)一步包括在該三維數(shù)學(xué)模型中的對流一擴(kuò)散方程中的擴(kuò)散項(xiàng)采用具有二階精度的中心差 分格式，對流項(xiàng)離散的差分格式采用具有二階精度的QUICK格式。三維數(shù)學(xué)模型中的三維分區(qū)算法采用塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中的對接網(wǎng)格，該對接網(wǎng)格包 括先劃分無重疊的子區(qū)域，然后各子區(qū)域根據(jù)格式精度的要求向外延拓，其中延拓部分為 內(nèi)邊界。所述求解長大隧道、隧道群隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)的方法進(jìn)一步包括在對隧道出口三維流場進(jìn)行計(jì)算時(shí)，建立三維任意曲線坐標(biāo)系下基于有限體積法 的離散控制方程，采用可壓縮流體的SIMPLE算法對隧道出口流場進(jìn)行求解，并在邊界處給 出基于黎曼不變量的無反射邊界條件。所述數(shù)據(jù)交換包括在隧道內(nèi)三維效應(yīng)可以忽略的位置建立所述兩種算法的數(shù)據(jù)交換面，將一維流場 計(jì)算結(jié)果在遠(yuǎn)離隧道出口位置做三維延拓，即增加另兩維方向的速度，并均設(shè)定為零，作為 入口邊界條件賦給三維流場；三維流場的計(jì)算結(jié)果中僅將其中的沿隧道軸向的空氣流動(dòng)速 度、流體壓力和空氣密度三個(gè)變量值賦給一維流場的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)一維特征線法和三維 可壓縮SIMPLE算法的數(shù)據(jù)交換。該求解隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)的方法進(jìn)一步包括運(yùn)用計(jì)算機(jī)和FORTRAN語言求解列車/隧道耦合空氣動(dòng)力學(xué)，讀入包括列車編組 長度、車體截面積、運(yùn)行速度、流線型頭部參數(shù)、隧道長度、隧道截面積、軌道類型、緩沖結(jié)構(gòu) 相關(guān)參數(shù)，以及隧道口三維模型的網(wǎng)格文件、邊界條件、控制參數(shù)的列車、隧道的基本參數(shù)， 輸出隧道壁面和車體表面測點(diǎn)壓力變化曲線，以及隧道口微氣壓波變化曲線。目前兩種基本成熟的求解隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)問題的計(jì)算方法，其中按一維流動(dòng)計(jì) 算，可以用較少的計(jì)算機(jī)資源得到基本符合隧道內(nèi)空氣壓力波傳播的規(guī)律和近似于實(shí)際情 況的空氣壓力變化結(jié)果，保持這一優(yōu)勢，設(shè)法解決能較真實(shí)地反映隧道出口的三維效應(yīng)問 題，就能在一般中等容量計(jì)算工作站上完成長大隧道及隧道群空氣動(dòng)力效應(yīng)問題的計(jì)算工 作?；谠撍悸?，本發(fā)明將三維可壓縮流場的SIMPLE算法和一維特征線法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合， 首先通過對6種求解隧道內(nèi)空氣動(dòng)力效應(yīng)的一維算法進(jìn)行比較分析，選用了非定?？蓧嚎s 不等熵模型并將各種改進(jìn)措施予以綜合假定隧道內(nèi)空氣流通截面是時(shí)間和流動(dòng)距離的二 元函數(shù)，從而建立起能反映隧道壁面摩擦、傳熱及截面變化等因素的隧道內(nèi)空氣流動(dòng)模型。 在一維計(jì)算中，采用線性阻抗+孔隙模型模擬有碴道床，建立了隧道內(nèi)有碴、無碴道床效應(yīng) 的壓縮波傳播基本方程，將其代入特征線方程中的質(zhì)量添加項(xiàng)進(jìn)行求解，從而得到有碴、無 碴隧道不同的空氣動(dòng)力效應(yīng)結(jié)果。另外，對隧道出口處的三維效應(yīng)，按可壓縮流場的SIMPLE 算法進(jìn)行求解。建立了三維任意曲線坐標(biāo)系下基于有限體積法的離散控制方程，所采用的 具有迎風(fēng)性質(zhì)的QUICK高階格式通過延遲修正技術(shù)加入，既能保證格式的精度，又能保持 求解的穩(wěn)定性；對密度的處理，采用密度延遲修正方法進(jìn)行求解，并在邊界處給出基于黎曼 不變量的無反射邊界條件。最后，本發(fā)明在隧道出口三維效應(yīng)可以忽略的位置建立兩種算 法的數(shù)據(jù)交換面，進(jìn)行三維、一維算法的數(shù)據(jù)交換。本發(fā)明的有益效果在于，該求解長大隧道、隧道群隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)的方法兼顧 效率和精度，其將三維可壓縮流場的SIMPLE算法和一維特征線法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合采用一維 特征線法求解隧道內(nèi)空氣動(dòng)力效應(yīng)，對隧道出口周圍的流場采用三維可壓縮流場的SIMPLE算法進(jìn)行模擬，在隧道內(nèi)三維效應(yīng)可以忽略的位置進(jìn)行三維、一維數(shù)據(jù)交換；本發(fā)明可兼顧 計(jì)算長大隧道、隧道群空氣動(dòng)力效應(yīng)的效率和精度，實(shí)現(xiàn)了高速列車通過隧道及兩車在隧 道內(nèi)交會(huì)時(shí)，隧道內(nèi)空氣壓力變化幅值、微氣壓波、列車風(fēng)的求解。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述。


圖IA為本發(fā)明具體實(shí)施方式
中單個(gè)隧道的三維流場計(jì)算區(qū)域及邊界條件示意 圖；圖IB為本發(fā)明具體實(shí)施方式
中隧道群的三維流場計(jì)算區(qū)域及邊界條件示意圖；圖2為本發(fā)明具體實(shí)施方式
中一維特征線法和三維可壓縮SIMPLE算法之間數(shù)據(jù) 交換方案示意具體實(shí)施例方式在一維計(jì)算中，采用線性阻抗+孔隙模型模擬有碴道床，建立了隧道內(nèi)有碴、無碴 道床效應(yīng)的壓縮波傳播基本方程，將其代入特征線方程中的質(zhì)量添加項(xiàng)進(jìn)行求解，從而得 到有碴、無碴隧道不同的隧道內(nèi)空氣動(dòng)力效應(yīng)結(jié)果。對隧道出口處的三維效應(yīng)，按可壓縮流場的SIMPLE算法進(jìn)行求解。建立了三維任 意曲線坐標(biāo)系下基于有限體積法的離散控制方程，所采用的具有迎風(fēng)性質(zhì)的QUICK高階格 式通過延遲修正技術(shù)加入，既能保證格式的精度，又能保持求解的穩(wěn)定性；對密度的處理， 采用密度延遲修正方法進(jìn)行求解，并在邊界處給出基于黎曼不變量的無反射邊界條件，如 圖IA和圖IB所示。圖中變量D為隧道等效直徑，L為兩隧道間距離，11為隧道，12為固壁 邊界，13為遠(yuǎn)場邊界，14為對稱邊界，15和16分別為第一隧道和第二隧道。根據(jù)實(shí)車試驗(yàn)及大量動(dòng)模型試驗(yàn)結(jié)果得到的規(guī)律，隧道內(nèi)三維效應(yīng)離洞口越近越 明顯，當(dāng)在隧道內(nèi)距隧道口 5 8倍隧道等效直徑長度時(shí)，三維效應(yīng)可以忽略。據(jù)此，按計(jì) 算對象的具體情況(隧道斷面、列車運(yùn)行速度)進(jìn)行分析后，即可定出一維算法與三維算法 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的位置。圖2為一維特征線法21和三維可壓縮SIMPLE算法22之間數(shù)據(jù)交 換方案示意圖，其具體方法是在隧道內(nèi)三維效應(yīng)可以忽略的位置建立兩種算法的數(shù)據(jù)交換 面，將一維流場計(jì)算結(jié)果在遠(yuǎn)離隧道出口位置(圖中A點(diǎn))做一個(gè)三維延拓，即增加y、z方 向的速度υ、ω，并設(shè)定υ =0，ω =0，作為入口邊界條件賦給三維流場23;而三維流場 的計(jì)算結(jié)果，則僅將其中的u、p、P三個(gè)變量值賦給一維流場的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)(圖中B點(diǎn)，在三 維效應(yīng)可以忽略的位置)，從而實(shí)現(xiàn)一維、三維兩種算法的數(shù)據(jù)交換。對于列車車體表面壓力壓力變化的求解方法，本發(fā)明提出了局部網(wǎng)格移動(dòng)加密、 多次修正的方法，能以較少的計(jì)算量得到較高精度的車體表面測點(diǎn)壓力。在車體測點(diǎn)P之前，按前述預(yù)先確定的隧道一維網(wǎng)格空間距離Δ χ,等間隔增加η 個(gè)隨著列車向前移動(dòng)的輔助網(wǎng)格點(diǎn)，每一輔助網(wǎng)格點(diǎn)之間的距離Δ^為每一時(shí)間步長列車 運(yùn)行的距離，即= Δ (Δχ為計(jì)算時(shí)采用的時(shí)間步長)，則每經(jīng)過一個(gè)時(shí)間步長， 后一輔助點(diǎn)Pi就移動(dòng)到前一個(gè)輔助點(diǎn)Ph前一時(shí)刻所在位置。設(shè)置這些輔助網(wǎng)格點(diǎn)不會(huì)影 響隧道內(nèi)空氣壓力變化的求解，因?yàn)樵谌我鈚時(shí)刻，首先求出的是所有隧道上網(wǎng)格點(diǎn)當(dāng)前 時(shí)刻的參數(shù)，這些參數(shù)與車體測點(diǎn)及其輔助點(diǎn)移動(dòng)到哪個(gè)位置無關(guān)。
假定在該任意t時(shí)刻，第一個(gè)輔助點(diǎn)P1進(jìn)入隧道，與隧道入口的距離為X，則P1點(diǎn) 在該時(shí)刻的參數(shù)可以通過緊鄰該輔助點(diǎn)的兩個(gè)隧道上的網(wǎng)格點(diǎn)當(dāng)前時(shí)刻的參數(shù)插值得到。 下一時(shí)刻α+Δ t)，第二個(gè)輔助點(diǎn)P2移動(dòng)到第一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)t時(shí)刻所在的位置，依次類推，車 體測點(diǎn)ρ移動(dòng)到最后一個(gè)輔助點(diǎn)pn前一時(shí)刻α?xí)r刻)所在的位置，將Pn點(diǎn)在t時(shí)刻的參 數(shù)賦給車體測點(diǎn)ρ作為前一時(shí)刻的參數(shù)，將輔助點(diǎn)Plri在t時(shí)刻的參數(shù)賦給Pn點(diǎn)作為前一 時(shí)刻的參數(shù)，依次類推，將P1點(diǎn)在t時(shí)刻的參數(shù)賦給P2點(diǎn)作為前一時(shí)刻的參數(shù)。如此，除了 P1點(diǎn)在新的位置x+Δ X1處沒有前一時(shí)刻的參數(shù)外，其它各點(diǎn)都有特征線法求解所需的前一 時(shí)刻的參數(shù)，因此除第一個(gè)輔助點(diǎn)以外的所有各點(diǎn)當(dāng)前時(shí)刻的參數(shù)都可以結(jié)合兩隧道網(wǎng)格 點(diǎn)的參數(shù)而采用特征線法直接求得。基于上述三維/ 一維耦合算法，包括控制方程的離散和求解、邊界條件的設(shè)置，有 碴軌道效應(yīng)、車體表面壓力的求解?？梢岳糜?jì)算機(jī)和FORTRAN語言求解列車/隧道耦合 空氣動(dòng)力學(xué)，通過讀入包括列車編組長度、車體截面積、運(yùn)行速度、流線型頭部參數(shù)、隧道長 度、隧道截面積、軌道類型、緩沖結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)，以及隧道口三維模型的網(wǎng)格文件、邊界條 件、控制參數(shù)等，輸出隧道壁面和車體表面測點(diǎn)壓力變化曲線，以及隧道口微氣壓波變化曲 線，更加精準(zhǔn)和高效地對隧道的設(shè)計(jì)及安全防護(hù)進(jìn)行評價(jià)。
權(quán)利要求
1.一種求解長大隧道、隧道群隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)的方法，其特征在于所述方法包括 對隧道內(nèi)的空氣動(dòng)力效應(yīng)采用一維特征線法模擬，隧道出口及隧道群兩相鄰隧道間的流場計(jì)算采用三維可壓縮SIMPLE算法模擬；對上述兩種算法所得結(jié)果，在遠(yuǎn)離隧道口、三維效應(yīng)可以忽略的位置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，模 擬并得到隧道內(nèi)流場的空氣壓力變化和隧道出口的微氣壓波。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的求解長大隧道、隧道群隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)的方法，其特征在 于所述一維特征線法模擬的方法包括將列車/隧道耦合空氣動(dòng)力問題簡化為可壓縮、非定常、不等熵的一維流動(dòng)來處理；在 控制方程中將隧道內(nèi)空氣流動(dòng)有效截面積作為時(shí)間和距離的二元函數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的求解長大隧道、隧道群隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)的方法，其特征在 于所述一維特征線法模擬的方法包括采用非定?？蓧嚎s不等熵模型并對該模型進(jìn)行如下 簡化列車在隧道內(nèi)的運(yùn)行過程簡化為圓柱形列車在圓柱形隧道內(nèi)的運(yùn)行過程，并將隧道內(nèi) 空氣流動(dòng)有效截面積看作是時(shí)間和距離的二元函數(shù)；對實(shí)際列車三維流線型頭部外形截取多個(gè)截面得到實(shí)際面積，將各截面面積及其距列 車鼻尖距離作為計(jì)算參數(shù)輸入，然后采用拉格朗日插值得到計(jì)算所需的列車流線型頭部任 意截面的面積參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的求解長大隧道、隧道群隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)的方法，其特征在 于所述對非定?？蓧嚎s不等熵模型進(jìn)行的簡化還包括對碎石道床隧道的計(jì)算，添加了線性阻抗+孔隙模型。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的求解長大隧道、隧道群隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)的方法，其特征在 于所述隧道出口及隧道群兩相鄰隧道間的流場計(jì)算的方法包括采用k_ ε兩方程湍流模型中的標(biāo)準(zhǔn)k_ ε湍流模型建立三維數(shù)學(xué)模型，并對該三維數(shù) 學(xué)模型進(jìn)行物理空間與計(jì)算空間的轉(zhuǎn)換，最后基于非正交曲線坐標(biāo)系下求解可壓縮SIMPLE算法。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的求解長大隧道、隧道群隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)的方法，其特征在于所述隧道出口及隧道群兩相鄰隧道間的流場計(jì)算的方法進(jìn)一步包括 在該三維數(shù)學(xué)模型中的對流-擴(kuò)散方程中的擴(kuò)散項(xiàng)采用具有二階精度的中心差分格 式，對流項(xiàng)離散的差分格式采用具有二階精度的QUICK格式。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的求解長大隧道、隧道群隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)的方法，其特征在 于三維數(shù)學(xué)模型中的三維分區(qū)算法采用塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中的對接網(wǎng)格，該對接網(wǎng)格包括先劃 分無重疊的子區(qū)域，然后各子區(qū)域根據(jù)格式精度的要求向外延拓，其中延拓部分為內(nèi)邊界。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的求解長大隧道、隧道群隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)的方法，其特征在 于所述方法進(jìn)一步包括在對隧道出口三維流場進(jìn)行計(jì)算時(shí)，建立三維任意曲線坐標(biāo)系下基于有限體積法的離 散控制方程，采用可壓縮流體的SIMPLE算法對隧道出口流場進(jìn)行求解，并在邊界處給出基 于黎曼不變量的無反射邊界條件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的求解長大隧道、隧道群隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)的方法，其特征在 于所述數(shù)據(jù)交換包括在隧道內(nèi)三維效應(yīng)可以忽略的位置建立所述兩種算法的數(shù)據(jù)交換面，將一維流場計(jì)算 結(jié)果在遠(yuǎn)離隧道出口位置做三維延拓，即增加另兩維方向的速度，并均設(shè)定為零，作為入口 邊界條件賦給三維流場；三維流場的計(jì)算結(jié)果中僅將其中的沿隧道軸向的空氣流動(dòng)速度、 流體壓力和空氣密度三個(gè)變量值賦給一維流場的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)一維特征線法和三維可壓 縮SIMPLE算法的數(shù)據(jù)交換。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的求解長大隧道、隧道群隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)的方法，其特征在 于所述方法進(jìn)一步包括運(yùn)用計(jì)算機(jī)和FORTRAN語言求解列車/隧道耦合空氣動(dòng)力學(xué)，讀入包括列車編組長度、 車體截面積、運(yùn)行速度、流線型頭部參數(shù)、隧道長度、隧道截面積、軌道類型、緩沖結(jié)構(gòu)相關(guān) 參數(shù)，以及隧道口三維模型的網(wǎng)格文件、邊界條件、控制參數(shù)的列車、隧道的基本參數(shù)，輸出 隧道壁面和車體表面測點(diǎn)壓力變化曲線，以及隧道口微氣壓波變化曲線。
全文摘要
一種求解長大隧道、隧道群空氣動(dòng)力效應(yīng)的方法，所述方法包括對隧道內(nèi)的空氣動(dòng)力效應(yīng)采用一維特征線法模擬，隧道出口及隧道群兩相鄰隧道間的流場計(jì)算采用三維可壓縮SIMPLE算法模擬；對上述兩種算法所得結(jié)果，在遠(yuǎn)離隧道口、三維效應(yīng)可以忽略的位置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，模擬并得到隧道內(nèi)流場的空氣壓力變化和隧道出口的微氣壓波。本發(fā)明兼顧計(jì)算長大隧道、隧道群空氣動(dòng)力效應(yīng)的效率和精度，實(shí)現(xiàn)了高速列車通過隧道及兩車在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，隧道內(nèi)空氣壓力變化幅值、微氣壓波、列車風(fēng)的求解。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102043871SQ20091018032
公開日2011年5月4日 申請日期2009年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月26日
發(fā)明者周丹, 李志偉, 李燕飛, 楊明智, 熊小慧, 田紅旗, 魯寨軍 申請人:中南大學(xué)