高速列车隧道空气动力学三维数值仿真系统的开发与应用

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1、西南交通大学硕士研究生学位论文第2页2002年12月31日，世界上第一条投入商业化运营的磁浮列车示范线路在上海通车，其设计最高运营时速达到430公里。即将开工的沪杭磁浮铁路为双线，城市间线路最高正常运行速度为每小时450公里，困难条件下不低于每小时350公里，市区最高正常运行速度为每小时200公里，困难条件下不低于每小时100公里。1．2课题研究的意义世界高速铁路发展的历史表明，随着列车运行速度的提高，将会引发一系列与速度相关的问题，其中隧道空气动力学问题【1】是世界高速铁路发展中遇到重大难题之一，它已经引起各国专家学者的高度重视，成为高速铁路发展的热门研究课题。高速列

2、车进入隧道时诱发的空气动力学问题主要如下：(1)由于瞬变压力造成旅客及乘务人员耳朵不适，乘车舒适度降低，并对铁路员工和车辆产生危害；(2)高速列车进入隧道时，会在隧道出口产生微气压波，发出轰鸣声，使附近房屋门窗嘎啦嘎啦作响，引起扰民问题。如果隧道断面内净空较小，洞口处又没有设置缓冲结构时，还会引起强烈的爆破噪声并危及洞口建筑物；(3)列车各部件产生的空气动力学噪声加剧(其强度与车速6～8的次方成正比)；(4)行车阻力加大，引起对列车动力和总能量消耗的特殊要求；(5)列车克服阻力所做的功转化为热量，在隧道内积聚引起温度升高等；(6)列车风加剧，影响隧道维修养护人员在洞内通

3、车情况下作业。这些问题涉及到隧道建筑限界，洞口段形状，洞内设施、轨道构造及车头形状等技术措施的改进。因此，准确地了解隧道内瞬变压力变化幅度、列车内部压力变化幅度、隧道出口微压波变化幅度与行车阻力等已经成为高速列车隧道空气动力学设计的关键问题。面对上述高速铁路隧道空气动力学问题，在我国高速铁路已经进入重要发展关头，我国高速铁路的发展迫切需要我们解决隧道空气动力学问题，在充分吸收国外先进国家研究成果的基础上，形成具有自主知识产权的创新性研究成果，发挥自己的技术优势，发展适合我国国情的列车舒适度标准和合理的隧道断面面积(形状)，节约高速铁路建设投资，为我国高速铁路的发展开辟广

4、阔的外部环境和发展空间综上所述，对于列车通过隧道时诱发的空气动力学效应问题进行研究是非常必要的，同时也是在我国高速铁路事业发展时期，应该首先解决的重大课题。计算流体动力学(00mput撕onalF1ujdDyⅡamics，以下缩写为∞)是近代流体力学、数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。它的出现及迅速发展使其成为与理论流体力学和实验流体力学相辅相西南交通大学硕士研究生学位论文第3页成、并驾齐驱的重要研究手段。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值试验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。计算流体动力

5、学的基本特征是数值模拟和计算机实验，它从基本物理定律出发，在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备，在科学研究和工程技术中产生巨大的影响。采用商用CFD软件对高速铁路隧道空气动力学效应进行数值模拟替代模型试验有很多不可取代的优点：模拟过程投入低、结论得到的快、得到的结果详尽完整、很容易处理理想状态下的问题、有较多的模型可以借用a同时，它能够在较短的时间内，高效率地提供计算区域的所有相关参量，如：温度、速度、压力、浓度、湍流强度等等。无论多高的速度，多复杂的物理模型计算机模拟都可以灵活的改变程序当中某些参数轻松获得。因此，将数值模拟计算与实验研究结合起来，实验研究依

6、靠一定的数值模拟来简化、指导实验的进行；同时，数值模拟计算要依靠一定的实验、测试来证明其结果的有效性和准确性。目前国内外比较流行的商用cFD软件是美国FIImNT公司系列商业软件，其基本思想是通过其cAD构体软件(GA^位rr软件)建立起隧道与列车的几何模型并将其网格化，然后给出一定的初始条件与边界条件，采用CFD求解器(FuJENT软件)进行数值模拟，得到各种空气动力学效应的时程曲线。然后根据计算结果进行分析，从而对隧道建筑限界，洞口段形状，洞内设施、轨道构造及车头形状等提出改进措施，改变设计尺寸，然后用其cAD软件构造出设计图纸的图形，依次循环，达到一定的标准，整个

7、数值模拟与优化工作才算结束。首先，虽然FLuENr系列商业软件前处理及计算功能强大，但是，作为一种专业软件，其使用并不方便，特别是前处理时的建模过程，一点小的改动就可能引起整个工作的重新开始，而且其交互性很差，因此，为了充分发挥H1IENT的强大功能，又能最大程度地提高其方便性与交互性，应对其进行二次开发。本课题在国内高速铁路隧道空气动力学领域首先提出对FUJENT系列商业软件进行二次开发，主要思想是基于H1yENT的前后处理软件GAMBrr和cFD求解器FI^mNT进行二次开发，用高级语言(v“+)根据GAMBrr能识别的J0uⅡlal