高速铁路板式无砟轨道结构实时温度分布数据的快速确定方法技术

本发明专利技术公开了一种高速铁路板式无砟轨道结构实时温度分布数据的快速确定方法，属于高速铁路无砟轨道领域。该方法在考虑影响板式无砟轨道结构温度分布三大主要环境因素的基础上，用数学方法描述环境边界条件，建立基于能量守恒的板式无砟轨道结构热平衡方程，并根据建立的边界条件和近似一维均质半无限体的无砟轨道结构热传导方程，求解板式无砟轨道结构的实时温度场、温度分布方程；得出不同时间板式无砟轨道结构内部不同深度处的实时温度分布数据。

【技术实现步骤摘要】
高速铁路板式无砟轨道结构实时温度分布数据的快速确定方法
本专利技术涉及一种用于计算不同时间板式无砟轨道结构实时温度分布数据的快速确定方法，属于高速铁路无砟轨道领域。
技术介绍
高速铁路无砟轨道技术是一项技术含量较高的工程技术，是保证高速铁路长期安全、稳定运营的前提，在进行高速铁路无砟轨道结构设计时往往要考虑轨道结构可能遭受的环境温度荷载作用，才能保证轨道结构的长期安全，否则有可能会因对温度荷载的考虑不足而导致轨道结构提前失效破坏，导致维修或更换次数增加，直接影响高速铁路运营费用的和列车行车安全。在考虑无砟轨道结构设计的温度荷载时，常因无相关温度分布数据而难以准确计算其产生的荷载作用，目前主要通过现场实测来了解轨道结构的温度分布规律进而计算温度荷载，但在轨道结构设计和建设前是无法获得实测条件的，并且不同地区轨道结构遭受的温度荷载也有所不同。所以必须对高速铁路无砟轨道结构中温度的分布规律和计算方法进行深入研究，使高速铁路轨道结构温度荷载的设计符合环境、地域及建设的需求。目前，国内外针对高速铁路板式无砟轨道结构的温度分布数据没有一套系统的计算方法，大多都是通过现场有限数量的实测来演绎判断轨道结构内部的温度分布情况，并进而确定可能遭受的温度荷载，无法完全、真实的反映高速铁路板式无砟轨道结构将要遭受的温度荷载情况。实际上板式无砟轨道结构遭受的温度荷载是与外界环境密切相关的，且外界环境又是不断变化的，只有建立反映外界环境与轨道结构内部温度分布之间的关系才能完全解决这个难题，但受困于外界环境条件数学描述的复杂性，目前还没有关于计算板式无砟轨道结构实时温度场、温度分布数据的计算方法。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种高速铁路板式无砟轨道结构实时温度分布数据的快速确定方法，该方法在考虑用数学描述影响轨道结构表面的外界环境因素的基础上，根据能量守恒定理，建立了轨道结构表面热平衡方程和等效温度计算方程，并根据近似一维均质半无限体的无砟轨道结构热传导问题和建立的边界条件，求解获得板式无砟轨道结构的温度场方程；得出不同时刻板式无砟轨道结构不同位置的实时温度分布数据。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种高速铁路板式无砟轨道结构实时温度分布数据的快速确定方法，包括以下步骤：步骤A，根据高速铁路板式无砟轨道结构所处的气候环境，确定高速铁路板式无砟轨道结构表面温度的影响因素；步骤B，根据确定的高速铁路板式无砟轨道结构表面温度的影响因素，构建描述环境边界条件；步骤C，根据能量守恒定理，建立高速铁路板式无砟轨道结构表面热平衡方程；步骤D，将步骤B中确定的环境边界条件代入步骤C确定的热平衡方程中，建立高速铁路板式无砟轨道结构表面温度计算公式；步骤E，根据高速铁路板式无砟轨道结构的传热特征，构建描述轨道结构传热的热传导方程及其解的边界条件；将步骤D确定的表面温度计算公式代入轨道结构热传导方程，根据该热传导方程解的边界条件，得出无砟轨道结构温度场的解，该解即为无砟轨道结构实时温度分布数据的集合。所述步骤A中确定环境对板式无砟轨道结构表面温度的影响因素有太阳辐射、风速和大气温度。所述步骤B中，构建描述环境边界条件包括以下步骤：步骤B1，根据一天中不同时刻t的太阳辐射强度I(t)与当日太阳辐射强度Id，得出太阳辐射对轨道结构表面热能量qs(t)的贡献可表示为：qs(t)＝asI(t)(2)其中as为轨道结构表面混凝土材料的太阳辐射吸收系数；步骤B2，根据轨道结构表面温度TS(t)和周围大气温度TSky(t)的辐射热，并取天空大气温度TSky(t)等于气温Ta(t)，得出这两个辐射热差值进入轨道结构表面的净辐射能qr(t)：qr(t)＝4.15[Ta(t)-Ts(t)](4)步骤B3，根据轨道结构表面温度TS(t)、天空大气温度TSky(t)以及风速v，取天空大气温度TSky(t)等于气温Ta(t)，得出轨道结构表面因与天空大气温度的温差而产生对流换热进入轨道结构表面的等效热量qcv(t)：qcv(t)＝acv[Ta(t)-Ts(t)](5)其中，acv为对流换热系数，当风速v≤5m/s时，acv＝6+4v，当风速v≥5m/s时，acv＝7.41v0.78，气温日环境温度平均值Ta,max为每日最高气温、Ta,min为每日最低气温，幅值γ为最高温度出现时与最大太阳辐射出现时的时间差值，t为时间。所述步骤C中建立的高速铁路轨道结构表面热平衡方程为：qs(t)+qcv(t)+qr(t)＝0(7)其中，qs(t)为太阳辐射对轨道结构表面热能量，qcv(t)为轨道结构表面因与天空大气温度的温差而产生对流换热进入轨道结构表面的等效热量，qr(t)为轨道结构表面温度和周围大气温度的辐射热差值进入轨道结构表面的净辐射能。所述步骤D中建立高速铁路轨道结构表面温度计算方程方法为：将步骤B中确定的环境边界条件qs(t)，qcv(t)以及qr(t)代入步骤C确定的热平衡方程中；修正因最大太阳辐射出现时与最高气温出现时的差值而引起轨道结构表面温度峰值出现的时间相位t0，得到轨道结构表面温度的表达式为：式中：——考虑太阳辐射作用引起的轨道结构表面在白天的等效温度幅值，(B为轨道板表面换热系数，)；所述步骤E中无砟轨道结构实时温度分布数据的求解方法为：步骤E1：根据高速铁路板式无砟轨道结构的传热特征，构建描述板式无砟轨道结构传热的热传导方程及其解的边界条件：所述热传导方程为：该热传导方程解的边界条件为：式中：——轨道结构在深z处t时刻的温度场函数；——轨道结构温度随时间的变化率；——轨道结构温度沿深度的变化率；a(z)——轨道结构材料的导温系数；——轨道结构表面等效温度幅值，白天取夜间取步骤E2：将步骤D确定的表面温度计算公式代入板式无砟轨道结构热传导方程，根据该热传导方程解的边界条件，得出板式无砟轨道结构实时温度场的解，该解即为板式无砟轨道结构实时温度分布数据的集合：式中：本专利技术提供的一种高速铁路板式无砟轨道结构实时温度分布数据的快速确定方法，相比现有技术，具有以下有益效果：本专利技术在考虑影响板式无砟轨道结构温度分布三大主要环境因素的基础上，用数学方法描述环境边界条件，建立基于能量守恒的无砟轨道结构热平衡方程，并根据建立的边界条件和近似一维均质半无限体的无砟轨道结构热传导方程，求解板式无砟轨道结构的实时温度场、温度分布方程；即可得出不同时间板式无砟轨道结构内部不同深度处的实时温度分布数据。附图说明图1高速路板式无砟轨道结构表面换热图；图2本专利技术流程图；图3计算循环结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作更进一步的说明。本专利技术提出了一种新的高速铁路板式无砟轨道结构温度分布数据的快速确定方法，包括以下步骤：1)确定高速铁路板式无砟轨道结构表面温度的主要影响因素。高速铁路板式无砟轨道结构曝露于大气环境，一般影响其温度的因素主要包括太阳辐射、风速、大气温度、降水量与蒸发量等，通过板式无砟轨道结构表面与外界大气环境热交换进行换热，换热过程如图1所示，最终确定板式无砟轨道结构表面与大气环境主要通过导热、对流和辐射三种方式换热。太阳辐射对混凝土轨道结构表面温度的热量输入与太阳辐射强度、太阳高度角、大气浑浊度和云层反射率以及混凝土表面的吸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高速铁路板式无砟轨道结构实时温度分布数据的快速确定方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤A，根据高速铁路板式无砟轨道结构所处的气候环境，确定高速铁路板式无砟轨道结构表面温度的影响因素； 步骤B，根据确定的高速铁路板式无砟轨道结构表面温度的影响因素，构建描述环境边界条件； 步骤C，根据能量守恒定理，建立高速铁路板式无砟轨道结构表面热平衡方程； 步骤D，将步骤B中确定的环境边界条件代入步骤C确定的热平衡方程中，建立高速铁路板式无砟轨道结构表面温度计算公式； 步骤E，根据高速铁路板式无砟轨道结构的传热特征，构建描述轨道结构传热的热传导方程及其解的边界条件；将步骤D确定的表面温度计算公式代入轨道结构热传导方程，根据该热传导方程解的边界条件，得出无砟轨道结构温度场的解，该解即为无砟轨道结构实时温度分布数据的集合。

【技术特征摘要】
1.一种高速铁路板式无砟轨道结构实时温度分布数据的快速确定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A，根据高速铁路板式无砟轨道结构所处的气候环境，确定高速铁路板式无砟轨道结构表面温度的影响因素；步骤B，根据确定的高速铁路板式无砟轨道结构表面温度的影响因素，构建描述环境边界条件；构建描述环境边界条件包括以下步骤：步骤B1，根据一天中不同时刻t的太阳辐射强度I(t)与当日太阳辐射强度Id，得出太阳辐射对轨道结构表面热能量qs(t)的贡献可表示为：qs(t)＝asI(t)(2)其中，as为轨道结构表面混凝土材料的太阳辐射吸收系数；步骤B2，根据轨道结构表面温度TS(t)和周围天空大气温度TSky(t)的辐射热，并取天空大气温度TSky(t)等于气温Ta(t)，得出这两个辐射热差值进入轨道结构表面的净辐射能qr(t)：qr(t)＝4.15[Ta(t)-Ts(t)](4)步骤B3，根据轨道结构表面温度TS(t)、天空大气温度TSky(t)以及风速v，天空大气温度TSky(t)等于气温Ta(t)，得出轨道结构表面因与天空大气温度的温差而产生对流换热进入轨道结构表面的等效热量qcv(t)：qcv(t)＝acv[Ta(t)-Ts(t)](5)其中，acv为对流换热系数，当风速v≤5m/s时，acv＝6+4v，当风速v≥5m/s时，acv＝7.41v0.78，气温日环境温度平均值Ta,max为每日最高气温、Ta,min为每日最低气温，幅值γ为最高温度出现时与最大太阳辐射出现时的时间差值，t为时间；步骤C，根据能量守恒定理，建立高速铁路板式无砟轨道结构表面热平衡方程；高速铁路轨道结构表面热平衡方程为：qs(t)+qcv(t)+qr(t)＝0(7)其中，qs(t)为太阳辐射对轨道结构表面热能量，qcv(t)为轨道结构表面因与天空大气温度的温差而产生对流换热进入轨道结构表面的等效热量，qr(t)为轨道结构表面温度和周围大气温度的辐射热差值进入轨道结构表面的净辐射能；步骤D，将步骤B中确定的环境边界条件代入步骤C确定的热平衡方程中，建立高速铁路板式无砟轨道结构表面温度计算公式；建立高速铁路轨道结构表面温度计算方程方法为：将步骤B中确定的环境边界条件qs(t)，qcv(t)以及qr(t)代入步骤C确定的热平衡方程中；修正因最大太阳辐射出现时与最高气温出现时的差值而引起轨道结构表面温度峰值出现的时间相位t0，得到轨道结构表面温度的表达式为：

【专利技术属性】
技术研发人员：孙璐，欧祖敏，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32