本发明专利技术公开了一种高速列车通过长大隧道时隧道出口微压波的预测方法，所述预测方法的步骤包括分区、网格生成、网格计算和预测结果输出；依据微压波的形成原理，划分出区域1到区域n共n个区域，区域1采用Delaunay三角化方法生成非结构网格，用于计算压缩波的形成；区域2到区域n-1采用求解椭圆形方程的方法生成结构网格，用于计算压缩波的传播；区域n采用求解椭圆形方程的方法生成结构网格，用于计算微压波的形成和传播；在区域2至区域n-1的各区域的指定位置，设置一个用于计算判断压缩波是否全部传入该区域的压力阈值；在区域n的指定位置，设置一个用于计算判断微压波是否全部传入隧道出口区域n的压力阈值。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及ー种高速列车通过长大隧道时隧道出ロ微压波的预测方法。
技术介绍
目前，微压波的计算方法主要有两种动网格方法和滑移网格方法。两种方法都是数值求解非定常N-S方程和湍流模型方程。 动网格方法动网格方法计算微压波的流程图參见图3。生成流场网格，数值求解非定常N-S方程和湍流模型方程，列车前进一小段距离，再次生成网格，数值求解，……，一直循环到微压波传播到记录位置，输出预测結果。该方法的流程虽然简单，但其不足之处网格规模大，耗费时间长计算针对整个流域进行，特别对于长隧道而言，网格规模非常大，计算时间非常长；另外，列车每前移一歩，网格都需要重新生成，也需要耗费大量时间 ’大量数据插值，误差増加从计算开始，到计算结束，每ー步网格都需要重新生成，新网格流场计算需要用到旧网格流场数据，这需要捜索和插值，并且捜索和插值在整个流域进行，大量和频繁的数据插值，会带来误差，降低计算精度。滑移网格方法滑移网格方法计算微压波的流程图參见图4、5。首先将流域分成滑移区和非滑移区，如图5所示，生成网格，数值求解非定常N-S方程和湍流模型方程，滑移区网格前进ー小段距离，数值求解，……，一直循环到微压波传播到记录位置，输出预测结果。该方法的优点是只需要一次生成网格，而不需要每ー步都生成网格，节约了网格生成的时间，同样的网格规模，和动网格方法相比，该方法耗费时间少，效率高。该方法的不足之处主要有网格规模大，耗费时间长。计算虽然将流域分成两个区域，但两个区域要同时计算，交換数据，网格规模没有变化，只节约网格重新生成的时间，计算时间仍然偏长；另外，从计算开始，到计算结束，网格每向前滑移一歩，滑移区和非滑移区都要进行大量数据插值和数据交换，而大量和频繁的数据插值，会带来误差，降低计算精度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供ー种流程简单、计算科学合理，能够大幅节约计算时间，提高预测精度的高速列车通过长大隧道时隧道出口微压波的预测方法。本专利技术的目的通过下述技术方案予以实现所述预测方法的步骤包括分区、网格生成、网格计算和预测结果输出；所述分区是依据微压波的形成原理，将计算区域划分成区域I到区域η共η个区域，所述各区域的划分方法 (1)所述区域I的设置长度为隧道入口前的200-350米，加上隧道入口后的150-300米；隧道入口前的宽度为80-120米，高度50-60米；隧道入口后的隧道外形和真实隧道外形相同；区域I在隧道轴向中心线垂直面上的截面呈阶梯矩形；区域I内采用Delaunay三角化方法生成非结构网格；该区域主要用于计算压缩波的形成；(2)所述区域η的设置长度为隧道出口前的200-300米，加上隧道出口后的150-300米；隧道出口前的隧道外形和真实隧道外形相同；隧道出ロ后的宽度为80-120米,高度为50-60米；区域η在隧道轴向中心线垂直面上的截面呈阶梯矩形；区域η采用求解椭圆形方程的方法生成结构网格；该区域主要用于计算微压波的形成和传播。(3)所述区域2到区域η-l的设置长度按照1_2公里的公倍数平分；截面几何外形和真实隧道横截面尺寸相同；区域2到区域η-l在隧道轴向中心线垂直面上的截面呈矩形；区域2到区域η-l采用求解椭圆形方程的方法生成结构网格；这些区域主要用于计算压缩波的传播。在区域2至区域η-l的每个区域的指定位置，设置ー个确定的压カ值，这个确定的压カ值为判断压缩波是否全部传入该区域的阈值； 在区域η的指定位置，设置ー个确定的压カ值，这个确定的压カ值为判断微压波是否全部传入隧道出ロ区域η微压波记录位置的阈值。所述网格计算是在η个区域内进行η-l个步骤的网格计算，每个步骤的网格计算 都是取相邻两区域的网格进行计算，在第I个步骤的网格计算结束后，按照区域编号序号递增的方式増加ー个新区域，同时放弃ー个最小编号的旧区域，然后进行下一个步骤的相邻两区域的网格计算；即第I步骤的网格计算是取相邻的区域I的网格和区域2的网格进行计算，当计算中获得区域2的指定位置的压カ值不小于阈值时，“压缩波是否全部进入区域2”的判断结果为“是”，此时，停止第I步骤的网格计算，在递增区域3的同时放弃区域1，对区域2和区域3的网格进行第2步骤的网格计算，如此类推到η-l步骤的网格计算；当“微压波是否完整传播到记录位置”的判断结果为“是”时，网格计算结束，进入预测结果输出，预测结束；在每个步骤的网格计算中，当类似于“压缩波是否全部进入区域2 “的判断结果为”否“时，本步骤的网格计算进入局部循环计算，直到判断为“是”为止。所述网格计算的边界设置和计算方法，根据网格所处位置采用不同的方式 (1)第I步骤的网格计算的具体做法是调取区域I和区域2的网格，初始化參数为静压为0，速度为O;边界条件给定地面、隧道整个壁面为无滑移壁面条件，列车为移动壁面条件，速度为列车通过该隧道的行驶速度，区域I和区域2连接的公共面设置为内部边界条件；采用非定常雷诺平均N-S方程和k-ε湍流模型方程数值求解进行网格计算；计算中以时间为步长，在非结构网格的区域I的网格内始終包含了运动的列车，每完成一个步长的计算，列车在区域I内前进ー个时间步长乘以速度的距离，列车在区域I中相对于隧道的位置发生变化，因此，区域I的网格需要每时间步重新生成一次；在结构网格的区域2内始终不包括列车，网格始終保持不变；当计算中获得区域2指定位置的压カ大于阈值时，第I步骤的网络计算结束； (2)其他步骤的网格计算的具体做法是在区域2到区域η的网格中，始终不包含列车，它们的网格在计算中始終不变，均一致采用非定常雷诺平均N-S方程和k- ε湍流模型方程进行数值求解；在第2步骤的网格计算中，取区域2和区域3网格，区域2的出口和区域3的入口设置为内部边界条件，区域2的入口设置压力入口条件，区域3的出口设置压力出ロ条件，以第I步骤计算获得的区域2的数据为本步骤的区域2的初始条件被代入，区域3的初始条件为O ;给定地面、隧道整个壁面为无滑移壁面条件，计算中以时间为步长，当计算中获得区域3指定位置的压カ大于阈值时，第2步骤的网络计算结束；如此类推，直到第η-l步骤的计算完成。所述预测结果输出为隧道出口 10米、20米和50米等监控点的微压波的预测数据。与现有技术相比，本专利技术具有以下四个优点 第一，毎次计算只包括相邻两块区域的网格，大幅减小了网格规模，极大地提高了计算效率； 第二、列车的运动只在区域I中进行，动网格也只在该区域进行，这样，网格重构被限制在该区域，网格重构的规模变小，所需要的时间也相应变少，提高了网格重构的效率；第三、其他区域都是进行不包含列车的静止网格的非定常流场计算。由于网格不再发生变化，无需像传统动网格方法和滑 移网格方法那样每时间步进行大范围交换数据，避免了大規模交換数据带来的误差，提高了计算精度。第四、毎次计算只包括相邻两块区域的网格，对内存和CPU的要求大幅降低，可以在微机上实现特长隧道、超大网格规模的微气压波计算。附图说明图I为本专利技术方法的流程框图。图2为本专利技术一施例区域划分示意图。图3为动网格方法计算微压波流的流程框图。图4为滑移网格计算微压波流的流程框图。图5为图4滑移网格计算微压波流的滑移网格分区示意图。图6为本专利技术实施例的分区示意图 图7为图6实施例隧本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.ー种高速列车通过长大隧道时隧道出ロ微压波的预测方法，所述预测方法的步骤包括分区、网格生成、网格计算和预测结果输出；其特征在于所述分区是依据微压波的形成原理，将计算区域划分成区域I到区域η共η个区域，所述各区域的划分方法 (1)所述区域I的设置长度为隧道入口前的200-350米，加上隧道入口后的150-300米；隧道入口前的宽度为80-120米，高度50-60米；隧道入口后的隧道外形和真实隧道外形相同；区域I在隧道轴向中心线垂直面上的截面呈阶梯矩形；区域I内采用Delaunay三角化方法生成非结构网格；该区域主要用于计算压缩波的形成； (2)所述区域η的设置长度为隧道出口前的200-300米，加上隧道出口后的150-300米；隧道出口前的隧道外形和真实隧道外形相同；隧道出口后的宽度为80-120米,高度为50-60米；区域η在隧道轴向中心线垂直面上的截面呈阶梯矩形；区域η采用求解椭圆形方程的方法生成结构网格；该区域主要用于计算微压波的形成和传播； (3)所述区域2到区域η-l的设置长度按照1-2公里的公倍数平分；截面几何外形和真实隧道横截面尺寸相同；区域2到区域η-l在隧道轴向中心线垂直面上的截面呈矩形；区域2到区域η-l采用求解椭圆形方程的方法生成结构网格；这些区域主要用于计算压缩波的传播； 在区域2至区域η-l的每个区域的指定位置，设置ー个确定的压カ值，这个确定的压力值为判断压缩波是否全部传入该区域的阈值； 在区域η的指定位置，设置ー个确定的压カ值，这个确定的压カ值为判断微压波是否全部传入隧道出ロ区域η微压波记录位置的阈值。2.根据权利要求I所述的预测方法，其特征在于所述网格计算是在η个区域内进行η-l个步骤的网格计算，每个步骤的网格计算都是取相邻两区域的网格进行计算，在第I个步骤的网格计算结束后，按照区域编号序号递增的方式増加ー个新区域，同时放弃ー个最小編号的旧区域，然后进行下一个步骤的相邻两区域的网格计算；即第I步骤的网格计算是取相邻的区域I的网格和区域2的网格进行计算，当计算中获得区域2的指定位置的压力值不小于阈值吋，“压缩波是否全部进入区域2”的判断结果为“是”，此时，停止第I步骤的网格计算，在递增区域3的同时放弃区域1，对区域2和区域3...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨明智，田红旗，梁习锋，李志伟，张雷，李燕飞，许平，周丹，王中钢，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：
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