一种缓解隧道微气压波的结构

1.本发明涉及高速列车空气动力学领域，特别涉及一种缓解隧道微气压波的结构。


背景技术：

2.当列车进入隧道时，隧道内部气流由于粘性作用和隧道内壁的摩擦效应无法及时排开，剧烈的压力变化使得隧道内产生初始压缩波。初始压缩波以脉冲波的形式向外辐射，即隧道出口微气压波。微气压波对隧道附近居民环境产生严重影响。当列车以更高速度运行时，通过隧道引发的气动效应愈发明显。针对设计时速更高的列车在既有线路上运行时，现存的隧道缓冲结构已不能高效缓解该速度等级下列车通过隧道产生的气动效应，无法达到现有铁路隧道标准。为缓解高速列车通过隧道产生的空气动力学效应，现有技术中对隧道缓冲结构进行了一系列优化改进，但对于不同状况隧道的改进效果不尽相同，甚至难以达到满意的效果。
3.应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本技术的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本技术的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。


技术实现要素：

4.本发明的目的是：针对上述背景技术中存在的不足，提供一种高速铁路上缓解隧道微气压波的结构，能够在不明显改变现有缓冲结构整体的基础上改善隧道微气压波的影响。
5.为了达到上述目的，本发明提供了一种缓解隧道微气压波的结构，包括拱形体，所述拱形体具有入口和出口，所述出口与隧道入口对接，所述拱形体的入口边缘处开设有凹槽，所述凹槽用于增大入射空间角，以提升隧道微气压波的缓解效果。
6.进一步地，所述凹槽设置有多个，而使所述拱形体的入口边缘处为锯齿状。
7.进一步地，所述凹槽为方形。
8.进一步地，所述凹槽为三角形。
9.进一步地，所述凹槽为梯形。
10.进一步地，所述拱形体的入口截面为斜切式，斜切率大于0。
11.本发明的上述方案有如下的有益效果：
12.本发明提供的缓解隧道微气压波的方案，满足了在既有铁路隧道的基础上，更高速列车顺利安全地通过隧道这一需求，能够在不明显改变现有缓冲结构纵向尺寸以及结构强度的同时增强缓解效果，利于施工等；
13.本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
14.图1为本发明的实施例1结构示意图；
15.图2为本发明的入射空间角示意图；
16.图3为本发明的实施例1中20m处的微气压波时间历程；
17.图4为本发明的实施例1中50m处的微气压波时间历程；
18.图5为本发明的实施例2斜切式缓冲结构的示意图；
19.图6为本发明的实施例2不同斜切率下隧道出口20m处微气压波时间历程；
20.图7为本发明的实施例2不同斜切率下隧道出口50m处微气压波时间历程；
21.图8为本发明两种结构结合应用示意图。
22.【附图标记说明】
23.1-列车；2-拱形体；3-隧道；4-凹槽。
具体实施方式
24.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
25.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
26.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是锁定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
27.本发明涉及高速列车空气动力学领域。当列车1进入隧道时，隧道内部气流由于粘性作用和隧道内壁的摩擦效应无法及时排开，剧烈的压力变化使得隧道内产生初始压缩波，初始压缩波以脉冲波的形式向外辐射，即隧道出口微气压波。当列车1以更高速度运行时，通过隧道引发的气动效应愈发明显。针对设计时速更高的列车1在既有线路上运行时，现存的隧道缓冲结构已不能高效缓解该速度等级下列车1通过隧道产生的气动效应，无法达到现有铁路隧道标准。为缓解高速列车通过隧道产生的空气动力学效应，现有技术中对隧道缓冲结构进行了一系列优化改进，但对于不同状况隧道的改进效果不尽相同，甚至难以达到满意的效果。
28.基于此，本发明的实施例1提供了一种缓解隧道微气压波的结构，力求更有效地对隧道微气压波进行缓解。
29.具体如图1、图2所示，本发明的实施例1提供了一种缓解隧道微气压波的结构，包括拱形体2，拱形体2具有入口和出口，出口与隧道3入口对接，拱形体2的入口边缘处开设有凹槽4，凹槽4用于增大入射空间角，以提升隧道3微气压波的缓解效果。
30.其中，入射空间角的定义如下：
31.如图2所示，当列车1靠近缓冲结构拱形体2时，前方气流以球面波的形式向四周散开，并且该球面波的等效半径为隧道3断面的水力半径，形成的空间角为1/4球体，即为π，以该球体的球心为投影中心，将缓冲结构向球面s上投影，得到投影面积s1，定义入射空间角θ＝s1/s
×
π，当列车1还未进入缓冲结构时，s1为缓冲结构的横截面向球面s上的投影面积。
32.由于拱形体2的入口边缘处开设有凹槽4，因此在计算入射空间角时凹槽4所贡献的入射空间角由其底面所决定。显然，相比于未设置凹槽4的缓冲结构空间角减小，因而能够有效地改善隧道微气压波的缓解效果。
33.作为优选的实施方式，本实施例中凹槽4设置有多个，而使拱形体2的入口边缘处为锯齿状，以尽可能地利用拱形体2的入口边缘位置，使入射空间角尽可能减小。
34.采用该锯齿状结构，能够在不明显改变现有缓冲结构纵向尺寸以及结构强度的同时减少入射空间角，从而增强缓解效果。
35.通过数值模拟分析了列车以600km/h穿越2000m单线隧道时的空气动力学性能。隧道横断面面积92m2，隧道两端布置缓冲结构，列车采用5车编组；缓冲结构横断面面积为两倍隧道横断面面积，缓冲结构长度为100m，并在缓冲结构入口处进行切割，将其变成锯齿状入口，在缓冲结构横断面上设有均匀分布的12个齿槽，每个齿槽均为1m
×
1m，。
36.经过验证，本实施例和原始缓冲结构下的隧道出口20m和50m处的微气压波时间历程分别如图3和图4所示，由图3、图4和表1-1可知，隧道出口20m和50m处的微气压波分别减缓15.8％和19.2％。
37.表1-1：有无锯齿状缓冲结构斜切率下20、50m处微气压波幅值。
[0038][0039][0040]
因此，对于那些难以调整纵向尺寸、结构强度冗余量不大的原始缓冲结构来说，采用锯齿状开口的缓冲结构能够较好地满足要求。
[0041]
在本实施例的上述具体实施方式中，缓冲结构开设的凹槽4为方形。在其它实施方式中还可以为三角形、梯形等，基于入射空间角的定义，这些形状的凹槽4均能有效减小整体入射空间角，而改善隧道微气压波的缓解效果。
[0042]
实施例2：
[0043]
本发明的实施例2提供了另一种缓解隧道微气压波的结构，相对于实施例1进一步将拱形体2的入口截面设置为斜切式，斜切率大于0，如图5所示。
[0044]
通过增大斜切率同样可以有效减小入射空间角，改善隧道微气压波的缓解效果。
[0045]
通过数值模拟分析了列车以600km/h穿越2000m单线隧道时的空气动力学性能。隧道横断面面积92m2，隧道两端布置缓冲结构，列车采用5车编组；缓冲结构为截面扩大式，横
断面面积为两倍隧道横断面面积，缓冲结构长度为100m；斜切率定义为斜切段底部长度与缓冲结构高度的比值，分别取0、1、1.25及1.5。计算所得不同缓冲结构斜切率下距隧道出口20m、50m处的微气压波幅值，如图6和图7所示。由图可知：隧道出口20m及50m处的微气压幅值随着缓冲结构斜切率的增加而减小；当缓冲结构斜切率为1.5时，对隧道出口20m及50m处的微气压波缓解效果最好，20m和50m处微气压波幅值分别为236pa和126pa，相比斜切率为0的垂直式缓冲结构时的419pa及177pa，缓解效果分别为43.7％及28.8％，如表2-1和表2-2所示。
[0046]
表2-1：不同缓冲结构斜切率下20m处微气压波幅值。
[0047]
缓冲结构斜切率011.251.5微气压波幅值(pa)419273260236缓解效果-34.8％38.0％43.7％
[0048]
表2-2：不同缓冲结构斜切率下50m处微气压波幅值。
[0049]
缓冲结构斜切率011.251.5微气压波幅值(pa)177139131126缓解效果-21.5％26.0％28.8％
[0050]
因此，可以认为截面斜切率与微气压波的缓解效果为正相关的关系。
[0051]
在对实际缓冲结构进行改进时，可以综合考虑现场施工条件等，在实施例1锯齿状结构的基础上，选择合适的截面斜切率并进行测试，使得入射空间角尽可能小的同时也不会导致尺寸过度增大，而使隧道微气压波缓冲达到满意的效果，如图8所示。
[0052]
本发明不仅适用于高速铁路隧道，也适用于高速磁悬浮铁路隧道使用。
[0053]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。