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。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)生的初始壓縮波和壓縮波在傳播過程中的演變共同決定。目前，針對微壓波的緩解措施主要是從初始壓縮波著手，如工程上普遍采用的不同類型隧道進口緩沖結(jié)構(gòu)，該措施的目的是延長初始壓縮波壓力的上升時間，使其傳播到隧道出口時不會太陡

2、，但其存在一定的局限性。因此，有必要對壓縮波在隧道內(nèi)傳播過程中的波形演變進行研究。此外由于入口緩沖結(jié)構(gòu)對隧道內(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算程序分析了壓縮波沿隧道傳播時的演變機理，并通過CFD數(shù)值計算研究了隧道出口開孔區(qū)域的流動特性和其對微壓波的緩解效率。
　　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、值計算方法，并編寫了計算程序。與現(xiàn)車試驗相比，程序計算結(jié)果和實測數(shù)據(jù)吻合良好，表明該方法能較準確地預(yù)測壓縮波波形的演變。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，初始壓縮波幅值以及初始壓縮波波前長度等因素對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，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壓縮波幅值的增加而增加，隨初始壓縮波波前長度的增加而減小。
　　其次，采用計算程序研究了穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)摩擦效應(yīng)及兩者的綜合效應(yīng)對波形演變的影響特性、不同初始壓縮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壓縮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)值計算方法，詳細分析了不同空間內(nèi)流體的流動特征和引起該行為的波動特性，提出了一種緩解微壓波的隧道出口開孔緩沖結(jié)構(gòu)，并對該結(jié)構(gòu)下的開孔泄壓進行了熱力學(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的二維軸對稱模型開展了一系列數(shù)值計算，分析了不同初始壓縮波及不