英语原文共 13 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
隧道中减压管道对牵引需求的影响：数值评价
- Sang yeon seo博士：研究工程师，GS工程与建设，首尔，韩国
- Heesang ha博士：总研究工程师，GS工程与建设，首尔，韩国（通讯作者：hsha@gsenc.com）
高铁，作为最受欢迎和最环保的交通方式之一，已经在欧洲与亚洲国家广泛的使用，并且以快速运输大量的人和商品为主要特点。然而，当高速列车进入隧道时，会突然产生空气动力阻力，导致隧道内运行的列车对牵引功率的需求增大。因此，为了减少高速列车通过产生的空气阻力，在隧道内安装减压装置是很有必要的。现如今，减压管道和竖井是隧道中最常见的减压措施。本文拟采用一维数值模拟的方法，研究高速列车减阻减牵引功率对减阻效果的影响。
符号：
Aann 列车与隧道之间的环空间（m2）
AT 隧道自由截面面积（m2）
Az 列车截面积（m2）
Fcooling 冷却空气阻力(N)
Ffriction 纵向摩擦租阻力（N）
Flin 线性阻力（N）
FNT 车头和车尾损失引起的阻力（N）
Frolling 滚动阻力（N）
FT 牵引力（N）
fz 表面摩擦系数
kN 鼻子损失系数
kT 尾部损失系数
Lz 列车长度（m）
lz 列车周长（m）
PT 牵引功率（W）
vz 列车速度（m/s）
v* ann 环空气中相对于列车的速度（m/s）
beta; 空气堵塞比
rho; 空气密度（kg/m）
介绍
现如今，人们对快速和安全旅行高速增长的需求，从而产生了规划和建设地下公共交通基础设施的需求，例如高速铁路。为了保持列车的高速行驶，高速列车需要比低速列车弯曲度更大的轨道，因此，隧道便是高速铁路基础设施的重要组成部分之一。在世界范围内，大量的高铁项目将于2025年底完工，其总长度为0—5900万公里（Yang et al ,2017）。
Reinke和Busslinger(2011)认为，当火车进入隧道时，会产生较大的空气动力阻力。在设计隧道和列车时，空气动力学效应变得十分重要，随着火车的速度增长，Aerodyna麦克风阻力与列车速度极速增加（Gwathorpe,1978）,达到了空气动力阻力总阻力的85%。当列车速度增加到300公里每小时（Qun-Zhan,2010），作用在列车上的空气动力阻力最大，这会导致列车运行能耗很高，对列车的提速有负面影响（Raghunathan et al ,2002）。根据Wood(2003)的研究，在美国，火车运行消耗的总能量之中有16%是用于克服空气阻力的。因此，空气动力学效应可能是决定高速列车的隧道大小和其他设计特征的重要因素，而不仅仅是建设的经济效益因素。
高速铁路隧道中空气动力条件与下面几个因素有关：例如，隧道内运行的机车对牵引功率的要求会比较低，所以，隧道内运行的高速列车会比在开放轨道上运行的列车对牵引功率的要求要高得多（Henson,1995）。因此当列车进入隧道时，隧道内产生的压缩波和膨胀波（Howe et al,2000）当这些快速的压力变化时，乘客的舒适和健康要求如何得到保障变得很重要。当一辆列车进入和离开隧道时，产生的微压波，可能会导致一个巨大的噪音隧道入口（UIC,2005）。此外，高速空气导致的压力变化会使隧道维修工人处于危险之中，并损害隧道设备，因此限制隧道内空气的速度尤其重要。因此，在隧道设计阶段需要仔细考虑空气动力条件。对于超过50公里的长隧道，这些空气动力条件更加重要（Reinke和Busslinger，2011）。由此可知，隧道容纳高速列车（即超过200公里/小时）和混合交通时，需要制定严格的空气动力规则。
具体可以采用如下措施来限制这些不利的空气动力学方面，包括对车辆进行限速、扩大隧道的截面积以及安装减压装置等。高速铁路隧道有许多不同的设计理念，在过去，中短隧道设计为单管隧道，双轨系统。而对于长隧道，一般采用双管、单轨系统。双管，单轨隧道系统能够经历更极端的空气动力学条件，因为它比单管，双轨隧道有更小的自由截面积。为了克服长隧道内极端的空气动力条件，人们使用了各种各样的空气减压措施。这些措施包括扩大隧道的自由截面积、安装竖井、在双管隧道中设置交叉隧道、连接双管的降压管道等。根据国际铁路联盟（UIC，1998）的规定，降低隧道内空气动力阻力的各种方法包括：修改隧道的几何形状和入口形状，安装隧道之间的隔墙，安装减压通风井（UIC,1998）。Vaedy和Dayman（1979）发现，通过引入垂直的减压通风井，隧道内的最大气压可以降低40%。
英吉利海峡隧道是世界上最著名的海底隧道，也是世界上最长的海底隧道，其全长为50公里，其中海底部分为38公里（Fairbaim,1995）。里面的每条隧道的直径为7.6米，可以运载旅客和国家货运列车。直径为4.8米的服务隧道位于两条正在运行的隧道（Southwood,1994）和两条正在运行的服务隧道之间，它们之间由直为3.3米或4.8米直径的交叉通道连接。两个运行隧道之间每250米安装了一条直径为2米的减压管道来缓解列车运行时产生的空气压力（Gawthorpe和pope,1992）这些减压管道能够减少隧道之间主要的质量交换，从而防止空气压力得增加（Barthes et al,1994）因此，海峡隧道通过这些减压管道可以有效的管理空气动力阻力。
利用准一维(1D)数值模拟，Mossi和Sibilla(2002)分析了压力的影响。在部分真空条件下，每隔5公里在两个隧道之间安装一条减压管道。结果表明，减压管道可以降低隧道内的峰值压力阻力和列车运行所需的牵引功率。
韩国正在建设许多超长的高速铁路隧道。如前所述，超长隧道中普遍存在的空气动力条件是一个主要问题，因此评估空气动力条件和评估技术以缓解超长隧道中高速列车上的空气压力非常的重要(Shen, 2012)。在本文的研究中，采用一维数值模拟的方法对高速列车减压管道的作用进行了评价。假定火车经过一个隧道的速度为300公里/小时、350公里/小时，以及减压系统详细的规格,比如自由横截面积、管道之间的距离,根据数值模拟的结果对其进行牵引力要求的分析与计算。
2. 牵引电力需求
牵引功率指的是列车运行所需的功率。列车需要消耗动力来运行各种设备，如发动机、变压器、空调、泵和冷却器。为了克服列车运动的阻力，快速移动并且提高列车的速度，所需的牵引力则需要明显增大。因此，空气动力阻力是列车功耗的一个重要因素。根据Vardy (1996a, 1996b)的研究，空气动力阻力占高速列车在长隧道中总阻力的90%以上。此外，通过隧道的列车的空气动力阻力比在开放轨道上运行的列车所需的牵引功率的要求要高得多，这是因为空气动力阻力随着列车速度的增加而增大。因此，在设计阶段准确估算列车所需的牵引功率是很重要的。
牵引功率是牵引力和列车速度的函数，定义为(Reinke and Busslinger, 2011)
1: PT = Ftvz= (Fair Frolling Fcooling Flin)vz
其中PT为牵引力(W)，FT为牵引力(N)，vz相对于列车速度(m/s)，Fair为气动阻力(N)，Frolling为滚动阻力(N)，Fcooling为冷却空气阻力(N)，Flin为直线阻力(N)。
滚动阻力、冷却空气阻力和线性阻力不受隧道的影响(Reinke和Busslinger, 2011)。然而，由于列车在隧道中所处的空气动力条件不同，当列车从开放轨道进入隧道时，其气动阻力会发生变化。因此，气动阻力是估算牵引力的主要因素，其定义为
式中，FNT为由于列车前、尾部损失引起的阻力(N)， Ffriction为由于纵向摩擦引起的阻力(N)。
根据(Reinke and Busslinger, 2011)可以计算出由于机头和机尾的损失而产生的阻力和纵向摩擦。
克义斯鼻子损失系数,kT尾部损失系数,rho;是空气的密度(公斤/米),v *ann是空气的速度环相对于火车(米/秒),fz皮肤摩擦系数,lz的周长火车(m), Lz的长度火车(m),beta;是堵塞比、Aann环的面积之间的火车和隧道(m), AT隧道(m)的自由横截面积和Az火车(m)的横截面积。
数值模拟
当列车进入隧道时，会产生三维非定常压缩气流。因此，需要建立三维非定常方程来正确描述列车在隧道中产生的气流。根据Baron等(2001)的研究，当隧道长度远远大于隧道横截面的水力直径时，空气压力扰动会以平面波的形式在隧道中传播，此外，流体动力学变量的瞬时分布在隧道断面变得十分均匀(Baron et al.， 2001)。在三维分析中，三维特征集中在靠近列车、隧道入口和隧道截面的复杂形状区域中(Mossi和Sibilla, 2002)。根据Mossi和Sibilla(2002)的研究，已经开发出能够对实验数据提供足够准确解释的一维模型，并且利用一维分析模拟了高速列车在隧道中的空气流动，可以合理地预测高速列车通过隧道时空气流动的大规模行为(Muelas et al.， 2008)。Ricco et al(2007)。
因此，利用准一维分析方法来预测长隧道内的空气流动特性是合理的，而且能够利用热图软件对高速列车在隧道内运行时的牵引功率需求进行数值模拟。Thermotun采用一维特性法，通过求解一维、非定常、可压缩方程来计算隧道内空气压力的影响隧道网络中的流动(Tarada et al.， 2007)。本研究的目的是为了估算牵引功率需求，并研究减压管道如何降低高速列车的牵引功率需求。牵引电力需求是研究各种参数,包括列车运行的一个孪生管隧道,列车速度的改变，隧道的自由横截面积,减压管之间的空间,减压管的横截面积和一个交叉的影响的隧道。数值模拟中使用的参数如表1所示。隧道参数是基于韩国Mokpo - Jeju海底隧道的初步设计，而模拟中使用的列车则是基于韩国目前运行的KTX-II三川高速列车。
3.1隧道与列车建模
对具有隧道和减压管道的铁路网进行了准一维数值模拟。模拟包括两个隧道，横截面积为60平方米，长度为3.5万米，间距为30米。减压管道连接两个隧道，管道之间的距离不同(250 - 300米)。建模方案的细节如图1所示，并在表1中进行了总结。如表1所示，假设隧道的表面摩擦系数为0·06，隧道外的空气压力为隧道设置为海平面正常压力为101300pa。隧道为水平，环境温度、隧道内温度和隧道壁面温度固定在15℃。
表1 数值模拟中使用的参数
|
数值 |
|
列车参数 |
|
列车头部形状假设长度Ltrain:m 201 |
|
横截面积：m2 9.34 |
|
周长Ptrain:m 11.67 |
|
最大速度km/h 350 |
|
气密性的时间常数:s 18 |
|
纵向摩擦系数f 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[240281]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
