艰险困难山区强侧风条件下高速列车进入隧道时的安全行为研究

Aiming at disadvantages of researches on the effects of aerodynamic effect of tunnel in China is not taken into account in the tunnel entrance in the wind tunnel in China, according to the actual situation of dangerous difficult mountain existed in the wind tunnel entrance, with strong cross wind "with the wind" on the high-speed train entering a tunnel in the process of pneumatic safety effect and train operation as the core the method, through theoretical analysis, numerical simulation and indoor model test and field test of combining the variation effect on tunnel entrance of tunnel aerodynamic strong crosswind "with the wind"; on this basis, the establishment of wind load model for aerodynamic coupling between the load of high speed train tunnel, gets the wind load, aerodynamic load on the train body, to reveal the mechanism of safety behavior, safety behavior of macro evaluation methods; to ensure passenger comfort Moderate and safety of trains under the premise, to wind load and gas dynamic loads of tunnel clearance off the area of adaptive optimization design, get broken area design method of tunnel structure of economic security; finally, study the high-speed train entering tunnel wind pressure facilities, put forward a economic and reasonable engineering and technical measures. Through the research, the research results of the improvement of China's high-speed railway tunnel design, which has important practical significance to safe operation of the high-speed train.

针对目前我国隧道空气动力学效应研究中不考虑隧道入口存在侧风的影响的不足之处，根据我国艰险困难山区隧道口存在强风这种实际情况，以隧道入口强侧风“灌风”对高速列车进入隧道过程中的气动效应及列车运行的安全性为核心，通过理论分析、数值模拟、室内模型试验或现场测试相结合的方法，研究隧道入口存在强侧风“灌风”时隧道内的气动效应的变化规律；在此基础上，建立风荷载—气动荷载—高速列车—隧道之间的耦合计算模型，获取风荷载、气动荷载在列车车体上的作用方式，揭示其安全行为机理，建立安全行为宏观评价方法；在保证旅客舒适度及列车安全的前提下，对风荷载及气动荷载共同作用下的隧道净空断面积的适应性进行优化设计，获得安全经济的隧道结构断面积设计方法；最后对高速铁路隧道入口防风降压设施进行研究，提出经济合理的工程技术措施。通过该项目的研究，其研究成果对完善我国高速铁路隧道设计，保证高速列车运营安全具有重要的现实意义。

目前关于横风的研究主要集中在单一基础设施情况下，针对我国西部多山、大风地区，当前研究不能真实反映高铁列车运行情况。本课题通过采用理论分析、动模型试验和数值模拟多种方法进行研究，建立三维、可压缩、非定常的列车-隧道-空气三维数值计算模型，对横风条件下列车驶入隧道过程中隧道及列车的气动性能进行研究。通过试验和数值计算表明：隧道内气动压力变化幅值与列车车速成正比，列车运行方式对隧道内气动压力变化有一定影响。高速列车进隧道过程中，隧道内产生复杂压力波动，隧道入口气动压力变化规律与隧道内不同，存在明显的三维效应。列车车头、车尾通过时，纵向、横向列车风风速均突然增大，在列车通过阶段，纵向列车风经历正向-负向-正向流动，横向列车风由背离列车向指向列车转变。车头、车尾及车身表面存在较大的速度梯度，近隧道侧纵向列车风较远隧道侧的大。中间列车周围速度分布基本一致，而列车尾部尾流效应对近隧道侧列车风影响非常显著；列车头部、尾部附近流场结构变化严重，中间列车周围流场分布规律基本稳定。与无横风情况相比，列车在横风中高速驶入时隧道入口周围的瞬变压力和列车风发生明显变化；在尾车完全驶入前，横风对背风侧气动压力的影响程度比迎风侧的大，其中头车突入时对隧道入口气动压力的影响最为显著；横风对隧道内气动压力和列车风的影响范围有限。头车突入隧道时，横风对列车背风侧列车风的影响较大，而尾车完全驶入时，横风对列车迎风侧的列车风的影响比较严重；横风效应是导致列车背风侧气动压力和气流速度大幅波动的根本原因。通过在隧道内设置减压通道能够显著降低列车通过时隧道内的气动效应，当减压通道面积为20～25m2时，对车隧气动效应缓解的性价比最高。