高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)

前言

　　2008年4月18日，京滬高速鐵路全線開工典禮在北京隆重舉行。京滬高速鐵路全長(zhǎng)1318km，設(shè)計(jì)時(shí)速350km，是世界上一次建設(shè)線路最長(zhǎng)、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)最高的高速鐵路，也將是我國(guó)第一條具有世界水平的高速鐵路。這一振奮人心的消息令國(guó)人激動(dòng)萬(wàn)分。1993年至1998年，本書第一作者在西南交通大學(xué)攻讀博士學(xué)位期間，有幸參加了國(guó)家“八五”科技攻關(guān)項(xiàng)目的課題，在劉應(yīng)清教授和趙海恒教授的精心指導(dǎo)下，發(fā)表了國(guó)內(nèi)第一篇有關(guān)高速鐵路隧道壓力波數(shù)值研究的論文，研制了高速列車通過(guò)隧道時(shí)誘發(fā)壓力瞬變的數(shù)值模擬程序，完成了“高速鐵路隧道壓力波數(shù)值模擬研究”的博士學(xué)位論文?；叵脒^(guò)去，很幸運(yùn)能為京滬高速鐵路隧道設(shè)計(jì)的規(guī)范制定做一些工作。以此為起點(diǎn)，本書作者開始從事高速列車空氣動(dòng)力學(xué)方面的教學(xué)和科研工作。　　高速鐵路已是世界鐵路發(fā)展的共同趨勢(shì)，也是一項(xiàng)高科技密集型的產(chǎn)業(yè)工程，需要多類基礎(chǔ)學(xué)科的技術(shù)支持。在列車高速化的推進(jìn)過(guò)程中，多種空氣動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象變得十分顯著，嚴(yán)重影響著高速鐵路快速、舒適、可靠、經(jīng)濟(jì)以及與環(huán)境良好兼容性等方面的特征，成為發(fā)展高速鐵路所必須研究解決的問題。自20世紀(jì)60年代起，國(guó)外高速鐵路發(fā)達(dá)的國(guó)家開始進(jìn)行隧道空氣動(dòng)力學(xué)問題的研究，并取得了許多研究成果。高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)可歸納為四個(gè)方面的研究?jī)?nèi)容：隧道壓力波、“活塞風(fēng)”、空氣阻力與隧道斷面凈空參數(shù)、洞內(nèi)輔助坑道空氣動(dòng)力特性；隧道駛?cè)氩?、駛出波、洞口微壓波與緩解措施之問的關(guān)系；長(zhǎng)大隧道內(nèi)壓力波、空氣阻力、熱環(huán)境、通風(fēng)與災(zāi)變特性；列車頭形優(yōu)化、車體強(qiáng)度與密封、車內(nèi)環(huán)境控制以及非定常的列車空氣繞流與所致橫向擺動(dòng)等問題。原則上，磁浮列車隧道空氣動(dòng)力學(xué)問題與輪軌高速鐵路空氣動(dòng)力學(xué)問題是相同的，其相關(guān)問題的研究方法與結(jié)論可相互借鑒?！　∽?0世紀(jì)90年代初期起，國(guó)內(nèi)開始進(jìn)行高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)問題的系統(tǒng)研究，取得了多項(xiàng)成果。國(guó)外的研究方法和結(jié)論對(duì)國(guó)內(nèi)研究有著很好的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。在研究初期，國(guó)內(nèi)主要進(jìn)行了隧道壓力波、空氣阻力等方面的研究，為高速鐵路隧道設(shè)計(jì)參數(shù)的制定提供了依據(jù)。其中，在隧道壓力波方面主要進(jìn)行了高速列車通過(guò)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)隧道過(guò)程中誘發(fā)壓力瞬變的研究，建立了單列車和兩列車交會(huì)時(shí)的隧道內(nèi)空氣流動(dòng)數(shù)值模擬的計(jì)算方法，研制了基于一維可壓縮非定常不等熵流動(dòng)模型和廣義黎曼變量特征線法的計(jì)算程序，進(jìn)行了影響隧道壓力波參數(shù)的研究。

內(nèi)容概要

本書是第一本系統(tǒng)論述高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)的專著，比較詳盡地闡述了基于一維可壓縮非定常不等熵流動(dòng)模型及廣義黎曼變量特征線法研究隧道空氣動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)。本書共計(jì)10章，內(nèi)容包括：緒論、列車外部空氣繞流和壓力波現(xiàn)象、隧道內(nèi)空氣流動(dòng)的一維非定常模型、隧道內(nèi)空氣流動(dòng)的特征線數(shù)值方法、單列車通過(guò)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)隧道時(shí)的邊界條件、兩列車隧道內(nèi)會(huì)車時(shí)的邊界條件、復(fù)雜結(jié)構(gòu)隧道邊界條件、網(wǎng)格系統(tǒng)及程序設(shè)計(jì)、隧道壓力波特性與防治措施和洞口微壓波現(xiàn)象及其防治措施等。    本書適合土木工程、車輛工程以及高速鐵路相關(guān)領(lǐng)域的科研、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)管理等方面的人員閱讀和參考，并可作為高等院校相關(guān)專業(yè)的碩士和博士研究生的教學(xué)參考用書。

書籍目錄

前言第1章  緒論　1.1  鐵路速度的演化過(guò)程　1.2  高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)研究的內(nèi)容及意義　1.3  高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)的研究方法　1.4  本書特色和主要內(nèi)容　參考文獻(xiàn)第2章  列車外部空氣繞流和壓力波現(xiàn)象　2.1  明線上高速列車外部空氣繞流特點(diǎn)　2.2  明線上高速列車會(huì)車壓力波的特征　2.3  列車通過(guò)隧道誘發(fā)空氣流動(dòng)的特征　2.4  隧道壓力波的特征　參考文獻(xiàn)第3章  隧道內(nèi)空氣流動(dòng)的一維非定常模型　3.1  一維流動(dòng)模型的合理性與幾何模型的簡(jiǎn)化　3.2  一維流動(dòng)模型分類　3.3  一維可壓縮非定常不等熵流動(dòng)模型　3.4  模型中若干項(xiàng)的處理　3.5  一維可壓縮非定常不等熵流動(dòng)模型其他形式的表達(dá)式　3.6  隧道內(nèi)列車空氣阻力的計(jì)算方法　參考文獻(xiàn)第4章  隧道內(nèi)空氣流動(dòng)的特征線數(shù)值方法　4.1  特征線方法的基本概念　4.2  廣義黎曼變量特征線法簡(jiǎn)介　4.3  有量綱特征線方程　4.4  無(wú)量綱特征線方程　4.5  特征方程的數(shù)值過(guò)程　4.6  一維可壓縮非定常不等熵流動(dòng)簡(jiǎn)單問題示例　參考文獻(xiàn)第15章  單列車通過(guò)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)隧道時(shí)的邊界條件　5.1  隧道結(jié)構(gòu)的空氣動(dòng)力學(xué)特征分類　5.2  邊界條件的特點(diǎn)與分類　5.3  車頭車尾駛?cè)胨淼浪查g的邊界條件　5.4  隧道內(nèi)車頭車尾端邊界條件　5.5  車頭車尾駛出隧道瞬間的邊界條件　5.6  隧道端口的邊界條件　參考文獻(xiàn)第6章  兩列車隧道內(nèi)會(huì)車時(shí)的邊界條件　6.1  隧道內(nèi)會(huì)車過(guò)程邊界條件的分類　6.2  車頭和車頭交錯(cuò)瞬間的邊界條件　6.3  車頭和車尾交錯(cuò)瞬間的邊界條件　6.4  車尾和車尾交錯(cuò)瞬間的邊界條件　參考文獻(xiàn)第7章  復(fù)雜結(jié)構(gòu)隧道邊界條件　7.1  復(fù)雜隧道結(jié)構(gòu)的空氣動(dòng)力學(xué)分類　7.2  隧道凈空斷面突變結(jié)構(gòu)的可壓縮定常不等熵流動(dòng)模型　7.3  隧道斷面突變結(jié)構(gòu)的不可壓縮定密度準(zhǔn)定常流動(dòng)模型　7.4  “三通管”流動(dòng)特點(diǎn)與近似處理方法　7.5  列車遠(yuǎn)離“三通管”接頭時(shí)的邊界條件　7.6  列車車頭通過(guò)“三通管”接頭處瞬間的邊界條件　7.7  列車車尾通過(guò)“三通管”接頭處瞬間的邊界條件　參考文獻(xiàn)第8章  網(wǎng)格系統(tǒng)及程序設(shè)計(jì)　8.1  列車通過(guò)隧道過(guò)程中的網(wǎng)格特點(diǎn)　8.2  壓縮型網(wǎng)格與伸長(zhǎng)型網(wǎng)格　8.3  單列車通過(guò)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)隧道時(shí)的網(wǎng)格系統(tǒng)　8.4  隧道內(nèi)會(huì)車時(shí)的網(wǎng)格系統(tǒng)　8.5  計(jì)算復(fù)雜結(jié)構(gòu)隧道內(nèi)空氣流動(dòng)時(shí)的坐標(biāo)系　參考文獻(xiàn)第9章  隧道壓力波特性與防治措施　9.1  高速鐵路隧道壓力波的基本特征　9.2  簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)隧道壓力波的影響因素　9.3  豎井對(duì)隧道壓力波的影響　9.4  橫通道對(duì)隧道壓力波的影響　9.5  隧道凈空面積突變對(duì)壓力波的影響　9.6  國(guó)內(nèi)外司乘人員壓力舒適度標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介　9.7  國(guó)外高速鐵路隧道斷面凈空值簡(jiǎn)介　9.8  國(guó)內(nèi)高速鐵路隧道斷面凈空值簡(jiǎn)介　9.9  高速列車車內(nèi)壓力控制技術(shù)概述　參考文獻(xiàn)第10章  洞口微壓波現(xiàn)象及其防治措施　10.1  洞口微壓波現(xiàn)象及其影響因素　10.2  洞口微壓波預(yù)測(cè)方法　10.3  初始?jí)嚎s波的形成過(guò)程與確定方法　10.4  初始?jí)嚎s波隧道內(nèi)傳播特性的數(shù)值模擬方法　10.5  隧道方面減緩微壓波的技術(shù)措施　10.6  列車方面減緩微壓波的技術(shù)措施　參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第2章　列車外部空氣繞流和壓力波現(xiàn)象　　高速列車運(yùn)行時(shí)外部空氣繞流是繞運(yùn)動(dòng)復(fù)雜幾何形狀物體的紊流流動(dòng)。列車明線上運(yùn)行和通過(guò)隧道過(guò)程的外部繞流具有相同之處，但也有不同的特征。在這兩類不同特征線路上的運(yùn)行產(chǎn)生了不同的空氣動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，帶來(lái)了不同的空氣動(dòng)力學(xué)問題。本章介紹列車明線上運(yùn)行和通過(guò)隧道時(shí)列車外部空氣繞流特征和壓力波現(xiàn)象，比較了這兩類不同線路背景下空氣繞流和壓力波現(xiàn)象的異同點(diǎn)?！　?.1　明線上高速列車外部空氣繞流特點(diǎn)　　列車在明線上高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)列車周圍的空氣隨之運(yùn)動(dòng)，形成一種特定的非定常流場(chǎng)，通常叫做“列車風(fēng)”。如果從運(yùn)動(dòng)的列車上觀察空氣流動(dòng)，該流動(dòng)可以看做是空氣以列車速度繞靜止列車外部的流動(dòng)，所以稱為“列車外部繞流”。列車在明線運(yùn)行時(shí)外部繞流的特征也不盡相同，大氣風(fēng)向和風(fēng)速值對(duì)列車外部繞流的特征均會(huì)有影響，如空氣靜止、橫風(fēng)與側(cè)風(fēng)等不同大氣環(huán)境。

編輯推薦

　　在參考國(guó)內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，較為系統(tǒng)地介紹了高速列車通過(guò)隧道所產(chǎn)生的壓力波和微壓波現(xiàn)象及其研究方法和影響因素?！陡咚勹F路隧道空氣動(dòng)力學(xué)》系統(tǒng)地介紹了一維可壓縮非定常不等熵流動(dòng)模型與廣義黎曼變量特征線數(shù)值方法及其在簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)隧道和復(fù)雜結(jié)構(gòu)隧道中的應(yīng)用，論述了隧道壓力波的特征與防治措施；總結(jié)了高速列車車內(nèi)人員壓力舒適性問題與國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，以及壓力控制技術(shù)和空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方法；歸納了洞口微壓波現(xiàn)象、形成機(jī)理、防治措施及數(shù)值分析方法。

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