高速铁路隧道缓冲结构的理论和试验分析

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1、西南交通大学博士研究生学位论文第1页摘要20世纪60年代以来，高速铁路在世界发达国家崛起，铁路发展进入了一个崭新阶段。高速铁路的蓬勃发展，在世界范围内引发了一场深刻的交通运输革命。但是，随着列车运行速度的提高，列车通过隧道时诱发的空气动力学效应将会加剧，引起一系列列车在低速运行时不会产生的空气动力学问题。当列车以较高速度通过隧道时，将会在隧道内产生明显的压力波动和引起隧道出口处的微压波现象，进而影响到列车内乘客的舒适性和隧道周围环境。因而，对于隧道空气动力学效应的作用机制和其减缓措施进行深入研究是非常必要

2、的。通过模型试验和理论推导，对无缓冲结构隧道中的最大压力值和最大压力梯度值进行了研究，得出了最大压力值、最大压力梯度值和列车速度、隧道阻塞比、车头长细比之间的理论关系式，公式中的系数可由模型试验得到。采用有限体积法和Harten推导出来的TVD(英文totalvariationdiminishing的简写，即总变差减少)格式求解轴对称欧拉方程的方法对隧道出口的微压波现象进行了模拟。数值计算得到的结果和国外试验量测结果符合良好，表明该方法能够比较精确的模拟这一现象。通过该数值方法对相关影响因素进行了研究。研

3、究结果表明，隧道出口处挡板的大小对于微压波压力峰值的空间分布有重要影响，文中对挡板的影响进行了定量分析。文中还分别对到达隧道出口的压缩波为弱冲击波和非冲击波两种情况下的微压波峰值进行了仔细分析，并相应地给出了微压波压力峰值的计算公式。通过模型试验和理论推导对断面扩大无开口缓冲结构进行了系统的参数研究。分析了断面扩大无开口缓冲结构对于初始压缩波的作用机制。明确了缓冲结构长度和断面扩大率对于隧道内初始压缩波的影响机制，并给出了优化的断面扩大率的计算公式。通过模型试验和理论推导对喇叭型缓冲结构进行了系统的参数研

4、究研究。分析了喇叭型缓冲结构对于初始压缩波的作用机制。推导出了喇叭型缓冲结构优化后隧道内初始压缩波的最大压力梯度的计算公式。通过声学理论，对圆锥型缓冲结构进行了研究，得到了圆锥型缓冲结构下的最大压力梯度的计算公式。同时，结合模型试验，得到了新建喇叭型缓冲结构所需最小长度的计算公式。通过模型试验和理论推导，明确了开口型缓冲结构的作用机制。对单个第

5、I页西南交通大学博士研究生学位论文开口进行了细致研究，明确了其作用机制，并结合模型试验，推导出了单开口且断面积不变情况下各分压缩波的最大压力值和最大压力梯度的计算

6、公式。定量分析了开口率对于初始压缩波的影响。对各个开口中心沿隧道轴向均匀分布的情况(形状均取为正方形)下缓冲结构的优化进行了研究，结果表明，通过调整各个开口的大小可以达到优化缓冲结构的目的。通过理论推导和模型试验提取经验系数的方法，得到了新建断面扩大开口型缓冲结构所需的最小长度的计算公式和既有断面扩大开口型缓冲结构改造所需的最小长度的计算公式。关健词：高速列车；隧道；缓冲结构；压缩波：微压波西南交通大学博士研究生学位论文第1II页AbstractSince1960’S，high—speedrailwayh

7、asgrownupindevelopedcountryandrailwaydevelopedintoanewage．High-speedrailwaythrivedtointernationallyleadtoarevolutionintraffictransportion．However,withthetrainincreasingspeed，aerodynamiceffectsgeneratedbyatrainpassingthroughatunnelwillbecomemoreserioustoge

8、nerateaerodynamicproblemsthatdidnotappearatlowerspeed．Atahigherspeed，thetrainentryintoatunnelwillcauseobviouspressurefluctuationintunnelandmicro-pressurewaveradiatedfromtheexitofthetunnel，whichwillinfluencepassengers’comfortandenvironmentaroundatunnel．The

9、refore，lucubrationoftunnelaerodynamiceffect’Smechanismandcorrespondingalleviationmeasureisverynecessary．Withthehelpofmodelexperimentandreasoning，maximumpressureandpressuregradientwereinvestigated．Twoformulaewereobta