一种高速列车过高地温隧道的数值仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种高速列车过高地温隧道的数值仿真方法，包括：对隧道和列车进行三维建模，获得三维模型；将三维模型导入网格离散软件，并利用网格离散软件对三维模型进行网格离散划分，获得离散模型；将从网格离散软件中导出的离散模型导入CFD仿真软件，获得数学计算模型；在CFD仿真软件内对数学计算模型进行边界条件设置；进行边界条件设置时，包括利用UDF程序对隧道模型内沿长度方向的地温初始温度进行设置；基于数学计算模型计算获得隧道模型内壁和/或列车模型外表面上指定位置处的压力变化曲线。本发明专利技术通过对高地温隧道温度场和压力瞬变的研究，可以得出高地温对铁路隧道压力瞬变的影响，为高地热环境下的空气动力学研究提供科学依据。

【技术实现步骤摘要】
一种高速列车过高地温隧道的数值仿真方法
本专利技术属于数值仿真方法
，特别涉及一种高速列车过高地温隧道的数值仿真方法。
技术介绍
当列车穿越高温差铁路隧道时，由列车-隧道-运行环境构成的强非线性系统会产生复杂的空气动力学动态响应：高温差、气体可压将导致音速变化，极易引起隧道内压力波动的剧变，当压力波动传入车内，容易引起乘客不适，严重影响乘客舒适性。规划建设的川藏铁路大部分路段位于青藏高原，全线有多座隧道，其中有10座高地热隧道，岩石最高温可达86.0℃(桑珠岭隧道)，隧道内空气温度可达56℃，隧道外空气在极端条件下可达零下三十多度，因此在隧道内外会形成很大的温度差。目前的铁路隧道空气动力学问题研究主要集中在常温下列车穿越隧道的流场演变、列车及隧道参数的影响规律等方面。对于川藏铁路沿线的极端环境和铁路长大隧道形成的低气压、高温差、长隧道等环境特征，目前为止还未有针对流、热、固耦合研究。由于实验研究的局限性和高昂的成本等原因，目前的有关研究主要集中在数值仿真方面，通过数值仿真同样可以得到可靠精确的计算结果，因此通过数值仿真的方法研究高地温环境下的列车过隧道的热-流耦合问题也是一种较为经济实用的方法。综上，目前直接针对高温差的铁路隧道瞬变压力的演化机理与影响参数敏感性问题的数值仿真研究未见报道，亟待开展相应的高地温隧道数值仿真研究工作。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，为了填补目前对于高速列车过高地温隧道的数值仿真方法研究的空白，提供一种高速列车过高地温隧道的数值仿真方法，通过对高地温隧道温度场和压力瞬变的研究，可以得出高地温对铁路隧道压力瞬变的影响，为高地热环境下的空气动力学研究提供科学依据。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种高速列车过高地温隧道的数值仿真方法，其特点是包括以下步骤：步骤A，对隧道和列车进行三维建模，获得三维模型；步骤B，将所述三维模型导入网格离散软件，并利用网格离散软件对所述三维模型进行网格离散划分，获得离散模型；步骤C，将从网格离散软件中导出的离散模型导入CFD仿真软件，获得数学计算模型；步骤D，在CFD仿真软件内对所述数学计算模型进行边界条件设置；其中，进行边界条件设置时，包括利用UDF程序对隧道模型内沿长度方向的地温初始温度进行设置；基于数学计算模型计算获得隧道模型内壁和/或列车模型外表面上指定位置处的压力变化曲线。作为一种优选方式，隧道模型内的地温初始温度沿长度方向变化或不变。作为一种优选方式，隧道模型内的地温初始温度沿长度方向连续变化或者非连续变化。作为一种优选方式，隧道模型内的地温初始温度沿长度方向呈抛物线状变化。由于温度场的特殊性，为了实现计算的收敛与结果的可靠性，作为一种优选方式，所述步骤D包括：步骤D1，列车模型以低于试验速度V0的速度V1在隧道模型外滑行，不对隧道模型内加热，基于数学计算模型计算判断隧道模型内外流场是否达到稳定状态，在隧道模型内外流场达到稳定状态时跳转至步骤D2；步骤D2，由于隧道模型内空气低速流动会对温度场造成影响，此时列车模型速度设置为0，不对隧道模型加热，基于数学计算模型计算判断隧道模型内的空气流速是否小于0.05m/s(即隧道模型内的空气微小流动)，在隧道模型内的空气流速小于0.05m/s时跳转至步骤D3；空气流速小于0.05m/s时空气流动不会影响温度场分布，此时可以进行隧道加热；步骤D3，列车模型速度设置为0，以设定的地温初始温度对隧道模型启动加热，并根据温度监测数据判断隧道模型指定点的温度是否达到实验所需预设目标温度，在隧道模型指定点的温度达到预设目标温度时跳转至步骤D4；步骤D4，继续对隧道模型加热，同时列车模型以试验速度V0通过隧道模型，基于数学计算模型计算获得隧道模型内壁和/或列车模型外表面上指定位置处的压力变化曲线。进一步地，还包括：步骤E，对应不同的地温初始温度，重复步骤A～步骤D，监测不同的地温初始温度条件下隧道模型内指定点的温度变化，获得隧道模型内壁和/或列车模型外表面上指定位置在不同地温初始温度条件下的压力传播规律，以及不同地温初始温度对压力峰值波动的影响权重。作为一种优选方式，步骤D1中，当流入隧道模型的空气量与流出隧道模型的空气量之间的差值在设定范围内时，则判定隧道模型内外流场达到稳定状态。在计算过程的边界条件设置时，由于温度场的存在需要启动energy选项，为了实现计算的收敛，作为一种优选方式，数学计算模型采用差分格式的具有一阶精度的QUICK格式。与现有技术相比，本专利技术通过对高地温隧道温度场和压力瞬变的研究，可以得出高地温对铁路隧道压力瞬变的影响，为高地热环境下的空气动力学研究提供科学依据。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做进一步说明。本专利技术方法主要通过CFD仿真软件和UDF程序实现，UDF程序主要进行不同形式地温的输入与控制，从而实现不同地温形式下的数值模拟，最终获得高温环境下的列车与隧道内压力瞬变规律。其中，隧道模型可分为加热区和非加热区，也可以为全部加热。具体地，本专利技术所述高速列车过高地温隧道的数值仿真方法包括以下步骤：步骤A，对隧道和列车进行三维建模，获得三维模型；步骤B，将所述三维模型导入网格离散软件，并利用网格离散软件对所述三维模型进行网格离散划分，获得离散模型；步骤C，将从网格离散软件中导出的离散模型导入CFD仿真软件，获得数学计算模型；步骤D，在CFD仿真软件内对所述数学计算模型进行边界条件设置；其中，进行边界条件设置时，包括利用UDF程序对隧道模型内沿长度方向的地温初始温度进行设置；基于数学计算模型计算获得隧道模型内壁和/或列车模型外表面上指定位置处的压力变化曲线。边界条件设置需要通过UDF程序控制地温输入，并且根据步骤启动加热项。进行边界条件设置时，通过UDF程序可以输入各种复杂变化的地温初始温度，更加接近现实中各种复杂变化的地温形式，更贴近实际。优选地，隧道模型内的地温初始温度沿长度方向变化或不变。当变化时，隧道模型内的地温初始温度沿长度方向连续变化或者非连续变化，变化规律为抛物线等其它形式。在计算过程的边界条件设置时，由于温度场的存在需要启动energy选项，为了实现计算的收敛，数学计算模型采用差分格式的具有一阶精度的QUICK格式。由于温度场的特殊性，为了实现计算的收敛与结果的可靠性，所述步骤D包括：步骤D1，列车模型以远低于试验速度V0的速度V1在隧道模型外滑行，不对隧道模型加热，基于数学计算模型计算判断隧道模型内外流场是否达到稳定状态，在隧道模型内外流场达到稳定状态时跳转至步骤D2；速度V1很低，根据需要设定；步骤D2，由于隧道模型内空气低速流动会对温度场造成影响，此时列车模型速度设置为0，不对隧道模型内加热，基于数学计算模型计算判断隧道模型内的空气流速是否小于0.05m/s(即隧道模型内的空气本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速列车过高地温隧道的数值仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤A，对隧道和列车进行三维建模，获得三维模型；/n步骤B，将所述三维模型导入网格离散软件，并利用网格离散软件对所述三维模型进行网格离散划分，获得离散模型；/n步骤C，将从网格离散软件中导出的离散模型导入CFD仿真软件，获得数学计算模型；/n步骤D，在CFD仿真软件内对所述数学计算模型进行边界条件设置；其中，进行边界条件设置时，包括利用UDF程序对隧道模型内沿长度方向的地温初始温度进行设置；/n基于数学计算模型计算获得隧道模型内壁和/或列车模型外表面上指定位置处的压力变化曲线。/n

【技术特征摘要】
1.一种高速列车过高地温隧道的数值仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A，对隧道和列车进行三维建模，获得三维模型；
步骤B，将所述三维模型导入网格离散软件，并利用网格离散软件对所述三维模型进行网格离散划分，获得离散模型；
步骤C，将从网格离散软件中导出的离散模型导入CFD仿真软件，获得数学计算模型；
步骤D，在CFD仿真软件内对所述数学计算模型进行边界条件设置；其中，进行边界条件设置时，包括利用UDF程序对隧道模型内沿长度方向的地温初始温度进行设置；
基于数学计算模型计算获得隧道模型内壁和/或列车模型外表面上指定位置处的压力变化曲线。


2.如权利要求1所述的高速列车过高地温隧道的数值仿真方法，其特征在于，隧道模型内的地温初始温度沿长度方向变化或不变。


3.如权利要求2所述的高速列车过高地温隧道的数值仿真方法，其特征在于，隧道模型内的地温初始温度沿长度方向连续变化或者非连续变化。


4.如权利要求3所述的高速列车过高地温隧道的数值仿真方法，其特征在于，隧道模型内的地温初始温度沿长度方向呈抛物线状变化。


5.如权利要求1所述的高速列车过高地温隧道的数值仿真方法，其特征在于，所述步骤D包括：
步骤D1，列车模型以低于试验速度V0的速度V1在隧道模型外滑行，不对隧道模型内加热，基于数学计算模型计算判断隧道模型内外流场是否达到稳定状态，在隧道模型内外流场达到稳定...

【专利技术属性】
技术研发人员：王田天，钱博森，王军彦，张雷，伍钒，杨明智，周丹，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43