川藏铁路特长超长隧道压力波及气动阻力特征初步研究

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建设川藏铁路是贯彻落实新时代党的治藏方略的一项重大举措,对维护国家统一、促进民族团结、巩固边疆稳定,对推动西部地区特别是川藏两省区经济社会发展,具有十分重要的意义。2020年11月8日川藏铁路修建难度最大的雅林段开工,标志着川藏铁路已经进入了最后的攻坚阶段。川藏铁路隧道相比于其他线路有高海拔、大坡度、特长超长隧道等特点,隧道气动效应明显,对于列车提出了更高的要求。本文结合川藏铁路雅林段隧道特点,选取CR300AF型中国标准动车组为计算原型,基于一维可压缩非定常不等熵流动模型,通过对隧道压力波和列车空气阻力时间演化过程的分析,揭示了隧道内压力波动和空气阻力与压缩波、膨胀波的传播、反射及叠加之间的关联关系。并系统的研究了单列车通过隧道时海拔高度、上下坡、隧道坡度、隧道长度和列车速度等因素对列车车外压力和列车空气阻力的影响特征。本论文研究工作在中国中铁二院工程集团有限责任公司科技研究开发计划重点课题资助下完成。论文开展的主要研究工作如下:(1)论文采用一维可压缩非定常不等熵流动模型和广义黎曼变量特征线法初步研究单列车通过川藏铁路特长超长隧道压力波及气动阻力特征。论文通过与国外学者的数据对比验证一维可压缩非定常不等熵流动模型,验证结果显示,本文一维流动模型在预测高速列车隧道压力波时和列车空气阻力的误差小于10%,满足工程设计要求。并且本文通过对隧道压力波和列车空气阻力时间演化过程的分析,揭示了隧道内压力波动和空气阻力与压缩波、膨胀波的传播、反射及叠加之间的关联关系。(2)基于一维可压缩非定常不等熵流动模型和广义黎曼变量特征线法,系统的研究了单列车通过特长超长大坡度隧道时隧道海拔高度、上下坡、坡度、隧道长度及列车速度等因素对于列车车外压力波和压力最值的影响特征。研究表明:海拔高度对于列车外力波动波形影响较小,对于车外压力值的影响较大,隧道海拔越高,单列车通过特长超长隧道时车外压力波动越小;单列车上坡通过特长超长隧道时,列车车外压力历程曲线整体呈下降趋势,对列车车外压力最大负压值影响较大,并且随着隧道坡度、隧道长度的增加,下降趋势愈加明显;单列车下坡通过特长超长隧道时,车外压力历程曲线整体呈上升趋势,对列车车外压力最大正压值影响较大,并且随隧道坡度、隧道长度的增加,上升趋势愈加明显;单列车分别以180km、200km/h、220km/h上下坡通过坡度为30‰的特长超长隧道时,不同速度下车外压力最值相差不大。(3)系统的研究了海拔高度、上下坡、坡度、隧道长度及列车速度等因素对于列车空气阻力的影响特征。研究表明:海拔高度越高,单列车通过隧道时列车空气阻力波动越小,列车空气阻力最大值和平均值越小;相比于单列车下坡通过隧道和通过平直隧道,单列车上坡通过隧道时,列车空气阻力平均值和最大值更大,情况更加恶劣;单列车上坡通过坡度为30‰的特长超长隧道时,列车空气阻力最大值和平均值随隧道坡度、隧道长度和列车速度的增加而增大,且增大趋势近似线性增大。
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