文摘
当隧道破坏变形和开裂等,应设置为衬砌结构加固隧道。在这项研究中,一个三维数值方法研究执行引起的空气动力效应与分段衬里火车经过一个隧道350 km / h。数字的影响、厚度、位置和类型的分段衬里结构”进行了分析。结果表明,分段衬里位于隧道中间有一个更好的缓解效应”比正常的衬里,从而增加段数和衬里的厚度。当破坏发生的隧道的入口附近,分段衬砌结构与收缩的部分稍微远离隧道入口可以用来减少其不利影响”。
1。介绍
引起的空气动力效应的影响高速列车进入隧道增加火车的提速。压缩波产生的高速列车进入隧道时生成传播声速和附近的隧道创建一个脉冲波在隧道出口,通常被称为微压波(”)1]。”会导致噪声污染等问题,甚至一个音爆,从而导致结构损伤周围的建筑隧道出口,影响居民的正常生活2- - - - - -4]。广泛研究表明评估”和结构振动与安全相关联和不适,造成在火车5,6]。邹等人开发出一个有效的计算模型,可以准确地预测over-track建筑支持传输结构振动水平(7]。
火车速度和堵塞率是重要的影响因素的振幅”(8- - - - - -13]。当隧道地质和施工的影响下,有隧道破坏结构变形和开裂等(14]。隧道的破坏威胁交通安全隧道和缩短了隧道的维护周期和使用寿命。加衬里技术是一种流行的方法来防止裂缝的发生或进一步扩大。然而,隧道内添加衬里改变间隙区和横向分布的隧道,隧道空气动力特性的影响。衬是倒一定厚度的钢筋混凝土在隧道中防止隧道进一步开裂,损坏和变形。金等人研究的橡胶混凝土的功能形态学腐蚀和膨胀的橡胶混凝土和钢筋的变形之间的关系交错组合盾构隧道和反转填充的分离15,16]。
之前许多研究都集中在隧道的反应罩”的隧道。隧道罩是一个辅助结构特别设计来减少隧道空气动力学的影响。香等人相比不同的隧道入口头罩和优化罩设计来减轻压力梯度(17]。穆雷在隧道入口头罩的理论研究表明,隧道的安装抽油烟机将增加初始压缩波的上升时间,从而降低了压力梯度(18]。研究现在造成了广泛的设计优化隧道头罩减少”的振幅在隧道出口19- - - - - -23]。尽管相关研究已经进行的影响隧道头罩,有限的调查已经进行衬里的”行为的影响。基于实车实验,动态模型实验和数值模拟方法来分析火车经过隧道空气动力学效应的衬里,刘等人指出,女性”是最不利的影响当衬里在隧道入口和添加的压力振幅增加而衬里的厚度(24,25]。结合测试结果真实的车辆,Gao发现”和舒适的隧道,当火车经过排列衬里的隧道,并提议的影响部分不应超过95%26]。施等人调查衬里长度的影响,厚度,位置在隧道出口的压力梯度通过三维数值模拟,发现衬里厚度的影响比长度更重要(27]。王等人分析了列车通过隧道的瞬态压力特征与非圆形衬里基于动态模型实验。的结果表明,合理的分布圆衬里可以减少初始压缩波的压力振幅(28]。
上述研究表明,添加一个在隧道衬砌结构的入口将影响”,但损害可能发生在隧道。因此,分段衬砌结构的空气动力学效应的行为在本研究评估。节2的控制方程和啮合运动方程,提出了列车在隧道。节3火车隧道,数值计算模型与动态模型建立和验证实验。节4的影响,衬里的位置、厚度、数量的部分,和类型”的特点,讨论了隧道出口。结果可以提供一个基本的理解和衬砌结构的设计提供了理论依据。
2。数值计算方法
2.1。控制方程
产生的流场,列车穿越隧道,是3 d的,粘性可压缩,和动荡9,29日- - - - - -31日],它必须遵循法律的连续性方程,动量方程和能量方程(32]。他们可以写成 在哪里空气的密度;和三个方向的速度分量的流场;和三个组件的协调;表示压力;是在流场剪切应力;导热系数;流场的温度;和是他们的动态粘度的空气。
这个词是代表的时均雷诺应力湍流动量通量。布西涅斯克假设基础上,布西涅斯克假设下的封闭方程: 在哪里湍流粘性和吗是湍流动能。
动态网格方法通常习惯于模拟时变流动域边界由于火车上运动隧道。运动可以是规定运动或自愿的运动决定基于解决方案的当前时间。
通常,守恒方程的积分形式一般标量,ϕ一个任意的控制体积,V的边界移动,可以写成(31日,33]
为解决(3),离散微分项如下: 在哪里和 代表目前的价值和下次的一步。的 时间步长控制体积, ,计算从
这些方程可以解决使用动态啮合的方法和在每个时间步长更新新卷。
2.2。计算模型
在这项研究中,CR400AF车辆描绘在图1(a)选择研究的气动影响隧道分段衬里。自初始压缩波和女性”主要是与火车的鼻子的形状有关,四车编组车厢建模来提高计算效率。火车的形状简化根据岑欧洲标准的建议34),作为高速列车的附属组件(如受电弓、转向架、门和窗户)对女性”的影响可以忽略不计。根据中国高速铁路隧道设计标准,双轨隧道横截面积为100米2采用高速列车的设计速度350公里/小时,和两个轨道的中心距的距离是5米。隧道的横截面尺寸如图1(b)和隧道的长度是1000米。设置不同数量的分段衬里与不同厚度在一定的长度100米的隧道在不同的位置进行调查的影响分段衬里”,如图1(c)。
2.3。计算域和边界条件
所产生的空气动力影响的计算域火车旅行从隧道分段衬里由隧道洞口外的大气和隧道里的气氛,如图2。考虑到火车的加速过程和之后的全面发展35),流场在隧道的长度为500米两边的隧道。
列车在隧道模拟运动滑动网格模型和网格动态分层方法,所以整个计算域分为四个域(30.,36]:运动域(区域2),两个变形域(区域1和区域3),和一个固定的领域(地区四)。随着列车速度随着周围运动领域,变形域的长度改变了维持整个计算域不变期间计算。接口使用边界条件之间的运动领域,变形域和固定域来实现数据交换。隧道洞口外的流场的边界被定义为压力入口和压力出口,分别。无滑动墙被定义为火车表面、地面和隧道壁。所有墙壁被定义为绝热壁初始温度300 K。
2.4。网格生成方案
采用混合网格方案将整个计算域划分为块占计算精度和速度(37]。周围的运动领域中使用的非结构化网格是火车火车的复杂形状,和火车的几何复杂零件表面局部雅致。变形域运动前后域可分为高质量结构化网格,和相邻的地区都通过设置共同的节点连接的界面运动领域。结构化网格也用于固定域,和附近的区域分段衬里精制捕捉当地流场的影响”。
为了评估网格密度对计算结果,四个不同的网格数据考虑,3.98×106,5.19×106,6.60×106和8.12×106,分别。网格的细节和振幅值”的4个不同数量的网格计算如表所示1。结果表明,女性”的振幅值非常小当网格的数量超过5.19×106,这意味着可以满足计算精度和效率,当提到使用网格。在这种情况下,列车头部和分段衬里的网格图所示3。
(一)
(b)
2.5。测量分
的评价标准”的隧道出口,高速铁路的振幅值”在20米和50米,离隧道出口不到50 Pa和20 Pa,分别为(22]。
研究表明,女性”的大小从隧道出口排放几乎与压力梯度成正比的波前的初始压缩波到达隧道出口和隧道出口平面的距离成反比(38],它可以表示如下: 在哪里横截面积的隧道出口,表示隧道周围的立体角退出门户,是声音的速度,测量点的距离到隧道入口,然后呢 降低压力梯度在隧道出口。
隧道出口附近的压力梯度和”外,同时在计算隧道监控。两组监视点离地面1.2米排列隧道中心线的两侧对称,如图4。隧道内的监视点位于50米被标记为T1,T2,米1、2、米3、4表示监视点位于20米和50米外的隧道,分别。
3所示。数值方法验证
验证方法的准确性仿真,数值结果比较与移动模型试验由中南大学(39]。模型比在测试1:20,火车的原始长度和双轨道隧道51.7米和1000米,分别。一个环隧道入口的斜率值1:1.25隧道入口处设置。瞬态压力在65.5米的隧道入口,”在20米外的出口隧道测量在测试当火车经过隧道在350 km / h。数值模拟是在相同的条件下进行模型试验。
ANSYS流利是用来解释流运动的控制方程。采用理想气体模型的计算,和RNG k-ε湍流模型由于高浊度。处理速度和压力的耦合简单的算法,梯度项是离散的Green-Gaussian细胞方法。使用标准格式离散压力项,其他空间上离散的二阶逆风格式和二阶隐式格式用于离散化的时间。
初始压缩波和女性”获得的数值模拟和模型试验如图5。可以看出,数值方法的计算结果与移动模型试验吻合较好。”的振幅值和初始压缩波的压力梯度也列在表中2。由于数值计算模型的假设和计算过程中的错误,数值方法的结果不完全一样的移动模型试验。数值方法的结果之间的差异和移动模型试验的2.86%和2.60%,分别。结果表明,采用数值方法可以满足计算精度和效率的要求。因此,本文所提到的方法可以用来研究”的特点,由于火车穿过隧道。
(一)
(b)
4所示。结果与讨论
4.1。初始压缩波的传播特征
火车穿越隧道引起的空气动力没有衬里提到在350 km / h是模拟的方法。比较两个对称的压力和压力梯度测量分在同一个平面上的隧道如图6。
(一)
(b)
它可以发现的结果T1基本上是一样的T2,这表明初始压缩波提出了一维平面波传播特征在隧道40]。由于与压力梯度之间的关系的初始压缩波在隧道出口,隧道出口外的”也是对称的,如图7。所以,结果只有一个监视点的一边(T1,米1,米3)被认为是在随后的讨论。
(一)
(b)
4.2。衬里的位置和数量的影响
压缩波和女性”特征引起的列车通过隧道正常衬里和各种数字的分割衬里在不同位置的速度350公里/小时由数值模拟研究。
正常衬里位于隧道入口,中间,和出口,压力梯度的最大值T1,”米1,米3如表所示3。它可以发现,压力梯度和女性”增加相比,没有衬里,已在隧道空气动力学上的不利影响。当衬里位于隧道中间和退出,压力梯度和女性”降低相比,没有衬里,都会产生良好的影响。结果还表明,缓解效果”时更好的衬里,位于隧道出口附近。
的女性”米1,米3当火车穿过隧道在不同位置和不同数量的分段衬里数据所示8和9,分别。
(一)
(b)
(c)
(d)
(一)
(b)
(c)
(d)
可以看出,衬砌的影响上的立场”基本上是相同的,正常的衬里和不同数量的分段衬里。即衬里接近隧道中间和出口有利的影响”的缓解,而不利影响时将引起隧道的入口附近的衬里定位。
的振幅值”在20米和50米,离隧道出口表中列出4和5,分别。可以发现,当衬里是位于隧道入口和中间,生成的”隧道与分段衬里减少相比,正常的衬里。分段衬里定位在中间和退出的隧道,micropressure波上的缓解效应增加的部分数据由于增大的耗散效应造成的衬里。的振幅值”米1,米3 82.172 Pa和35.096 Pa 30-segment衬时设置在隧道出口,4.789%和5.277%低于隧道没有衬里。
然而,当分段衬里是位于隧道入口,女性”的振幅值与段的数量逐渐增加。的原因是减少部分衬里接近隧道入口的增加分段数量和空气的压缩效应占主导地位的耗散效应相比,它有一个负面影响”。因此,衬里的不利影响位于隧道入口可以减少少数部分。当10-segment衬里设置隧道的入口处,振幅值的女性”米1,米3 91.225 Pa和39.181 Pa,分别是5.701%和5.749%高于隧道没有衬里,但相比减少了6.884%和6.699%,隧道的正常的衬里。
4.3。衬里厚度的影响
衬里的厚度的影响”也进行了研究。火车穿过隧道引起的空气动力学与正常和各种厚度的10-segment衬里位于中间的隧道由数值方法模拟。
的变化”在20米和50米,离隧道出口数据所示10和11,分别。结果表明,”略有减少,衬里厚度的增加在一定范围内正常的衬里和分段衬里由于增大的耗散效应。
(一)
(b)
(一)
(b)
的振幅值”米1,米表3中给出6和7。它可以发现女性”在两个监视点的振幅值下降了0.629%和0.707%时分段衬里的厚度变化从0.4米到0.6米。
因此,衬砌结构的厚度可以根据结构强度的要求设计在工程实践和厚衬可以作为成本可以减轻隧道出口外的”问题。
4.4。衬里类型的影响
先前的研究表明,影响诱导的分段衬里位于隧道入口和出口。分段衬里的空气动力学与不同类型隧道位于中产和退出模拟研究衬里类型的影响”。
如图12,1型表示分段衬里开始与一个常数部分隧道相比,而2型表示分段衬里开始收缩的部分,和10段为两种类型设置厚度为0.5米。
(一)
(b)
当火车穿过隧道与不同类型的分段衬里,”在20米和50米的隧道入口给出数据13和14,分别。
(一)
(b)
(一)
(b)
这表明很区别这两种类型的分割衬里位于隧道的入口。开始以一个恒定的分段衬里节(1型)、初始压缩波的上升是分为两个阶段,从而减少压力梯度和女性”。而分段衬里开始收缩的部分(2型),压缩效应的增强是由于减少的间隙区域隧道入口,micropressure波上的不利。振幅值”的米1,米3 95.787 Pa和41.06 Pa,分别是4.999%和4.796%高于1型。
然而,结果显示小区别这两种类型的分段衬里位于隧道的出口。分段的衬里与收缩的部分结束(1型),缓解效果更好的由于一个小间隙区域隧道出口,如方程所示(6)。振幅值”的米1,米3 83.204 Pa和35.569 Pa,小于0.375%和0.829%,2型。
结果表明,分段衬里位于隧道入口的类型有一个更大的影响”。因此,分段衬砌结构可以使用如果出现损失接近隧道的入口,和衬里的收缩的部分应该稍微远离隧道入口。
5。结论
在这篇文章中,一个3 d数值方法用来研究产生的空气动力影响列车穿越隧道在350 km / h与衬里。数字的影响、厚度、位置和类型的分段衬里结构”进行了分析。可以得出以下的结果:(1)正常的衬里和分段衬里位于隧道的入口有不利影响”,而良好的效果是诱导衬里定位在中间和退出时的隧道和衬里的缓解效果更好的隧道出口。(2)当分段衬里位于隧道入口,女性”的振幅增加而段的数量的增加。当分段衬里位于隧道的中产和退出,”的振幅随段的数量的增加而减小。此外,当位于隧道内壁中间,分段衬里有更好的缓解效应”比正常的衬里,从而增加段数的衬里。当30-segment衬砌结构厚度0.5米隧道的出口附近设置的振幅值”在20米和50米外的隧道减少了4.789%和5.277%,分别;(3)正常的衬里和分段衬里的缓解效应和衬里的厚度略有增加。(4)在损害发生时隧道的入口附近,分段衬砌结构可以用来降低其不利影响”和衬砌结构的收缩的部分应该稍微远离隧道入口。(5)隧道破坏的问题可以通过增加分段衬里修复,减少”。其他隧道空气动力学效应引起的列车(如列车风、瞬态压力,乘客舒适,等等)将在未来的研究工作。
数据可用性
所有生成的数据或分析在这项研究中都包含在本文中并可根据接触要求相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作得到了高速铁路轨道技术国家重点实验室(批准号2021年yj056)和山东省自然科学基金,中国(批准号。ZR2020MA057和ZR2021QE108),和科技研发项目的中国铁路(P2021G053)。