測(cè)量高速列車產(chǎn)生壓力波實(shí)驗(yàn)裝置發(fā)展

1、高速列車產(chǎn)生的壓力波測(cè)量試驗(yàn)裝置的開(kāi)發(fā)Tetsuya Doi , Takanobu Ogawa , Takanori Masubuchi , Jiro Kaku摘 要這是一個(gè)用于研究高速列車所產(chǎn)生的壓力波的試驗(yàn)裝置，該裝置使用壓縮空氣發(fā)射了一個(gè)比例為1/30的列車模型，模型符合實(shí)際列車的形狀，同時(shí)在實(shí)車上進(jìn)行了相同幾何結(jié)構(gòu)的測(cè)量。并建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)該實(shí)驗(yàn)裝置的性能。該模型允許使用實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)參數(shù)的最佳值，以實(shí)現(xiàn)給定的目標(biāo)速度，并通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力來(lái)控制發(fā)射速度。實(shí)驗(yàn)裝置中流量的測(cè)量表明，該裝置達(dá)到了數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)的性能，并能夠以高于500km/h的速度發(fā)射列車模型。列車進(jìn)入隧道所產(chǎn)生

2、的壓力波的測(cè)量數(shù)據(jù)，與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得較好。還討論了列車頭部對(duì)壓力波的強(qiáng)度和形式的影響。關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)，高速列車，低頻噪聲，壓力波1.引言高速列車在20世紀(jì)60年代最早發(fā)展起來(lái)，為了滿足日益增長(zhǎng)的快速大規(guī)模運(yùn)輸需求，列車以高達(dá)210km/h的速度運(yùn)行。最新的日本新干線，動(dòng)車運(yùn)行速度高達(dá)360km/h。同樣，日本的磁懸浮列車實(shí)驗(yàn)速度已經(jīng)達(dá)到500km/h。列車在這樣的高速度下運(yùn)行，將會(huì)引起各種各樣的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，其中之一就是低頻噪聲的產(chǎn)生。當(dāng)列車在隧道和房屋等建筑物附近運(yùn)行時(shí)，列車周圍的亞音速繞流會(huì)與周圍的建筑物產(chǎn)生相互作用。這種相互作用產(chǎn)生的壓力波，最終會(huì)導(dǎo)致低頻噪聲傳播給周圍環(huán)境。列

3、車進(jìn)入隧道時(shí)產(chǎn)生的問(wèn)題是最值得注意的。列車壓縮隧道中的空氣在隧道內(nèi)外都會(huì)產(chǎn)生壓力波。在隧道內(nèi)，形成壓縮波并向隧道出口傳遞，最終成為“隧道音爆”并離開(kāi)隧道出口。在上世紀(jì)60年代，新干線開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)了這個(gè)問(wèn)題，Ozawa等人在1991年對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究。同時(shí)，在隧道外，當(dāng)列車進(jìn)入隧道時(shí)，另一個(gè)壓力波直接從隧道入口處噴出。在這項(xiàng)研究中這種壓力波被稱為“入口波”，頻率通常小于10Hz，并且隨著高速列車速度的提高，“入口波”現(xiàn)象將會(huì)更加明顯（Tanaka 等人.，2001）。對(duì)于列車所產(chǎn)生的壓力波的實(shí)驗(yàn)研究，用于發(fā)射列車模型的軌道等裝置是必須的，并且該軌道上應(yīng)有一些固定的結(jié)構(gòu)，如隧道等。對(duì)于

4、動(dòng)態(tài)相似性，列車模型應(yīng)運(yùn)行在與實(shí)車相同的馬赫數(shù)下。因此，研發(fā)一個(gè)以如此高的速度發(fā)射列車模型的裝置是一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，在過(guò)去已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種技術(shù)。Saito等人在2006年用旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)向一節(jié)管子發(fā)射拋射體，以測(cè)量隧道音爆。在該實(shí)驗(yàn)中，拋射體比例為1 / 97，發(fā)射速度為500km/h。Ricco等人在2007年用弩那樣的機(jī)制發(fā)射了一個(gè)比例為1/87、 截面為圓形和方形的模型。另一種方法是使用壓縮空氣，這被認(rèn)為一種是比旋轉(zhuǎn)磁盤(pán)發(fā)射發(fā)射列車模型更快的方式。高山等人在1995年使用這種方法，使一個(gè)比例為1 / 200的模型速度達(dá)到了360km/h。在以前的研究中，列車模型或拋射體都是以簡(jiǎn)化的形狀制造，如錐形、

5、拋物面形。這些基礎(chǔ)性研究，都是為了對(duì)這種現(xiàn)象取得一定的認(rèn)識(shí)。但是，由于實(shí)驗(yàn)裝置在保持真實(shí)列車幾何形狀方面的局限性，這些認(rèn)識(shí)通常是片面的。然而，列車和隧道的形狀會(huì)影響壓力波。例如，據(jù)Bellenoue等人在2002報(bào)道，即使列車的橫截面面積分布相同，壓力波的峰值仍取決于列車的形狀。因此，使用實(shí)際形狀的列車模型，對(duì)于準(zhǔn)確估計(jì)壓力波的強(qiáng)度非常重要。Pope和Da Costa等人在1991年開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)裝置，可以精確地使用列車模型，但它們的發(fā)射速度只有200 300km/h，對(duì)于最新的高速列車來(lái)說(shuō)這樣的速度還是不夠的。在這項(xiàng)研究中，開(kāi)發(fā)了一個(gè)利用壓縮空氣來(lái)發(fā)射列車模型實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置可以發(fā)射與實(shí)際列車形

6、狀一樣的列車模型，并對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置的性能進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬。該模型允許使用實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)參數(shù)的最佳值，以實(shí)現(xiàn)給定的目標(biāo)速度，并通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力來(lái)控制發(fā)射速度。這項(xiàng)研究中的目標(biāo)速度是500km/h。通過(guò)測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置的流量和壓力，對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)的性能與實(shí)驗(yàn)裝置的性能進(jìn)行比較。通過(guò)測(cè)量列車模型進(jìn)入隧道模型所產(chǎn)生的壓力波，并與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以此來(lái)驗(yàn)證該實(shí)驗(yàn)裝置。同時(shí)也討論了列車頭部形狀對(duì)壓力波的影響。名稱符號(hào)定義名稱符號(hào)定義列車模型阻力系數(shù)溫度壓力系數(shù)列車速度加速度管的水力直徑速度重力加速度體積列車頭部長(zhǎng)度列車模型位移列車模型質(zhì)量比熱容壓力管摩擦系數(shù)大氣壓力列車模型和軌道間的

7、摩擦因數(shù)流量壓力損失系數(shù)氣體常數(shù)空氣密度橫截面積無(wú)量綱時(shí)間時(shí)間2.實(shí)驗(yàn)裝置及其數(shù)學(xué)模型2.1實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖1和2所示。模型比例為1/30。過(guò)去的研究，例如Ogawa和Fujii在1997，由于其實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜎](méi)有考慮雷諾數(shù)的比例，認(rèn)為粘度對(duì)列車產(chǎn)生的壓力波的影響是不顯著的。該裝置主要由三部分組成：發(fā)射系統(tǒng)、測(cè)試部分和制動(dòng)管道，如圖1所示。圖1實(shí)驗(yàn)裝置示意圖圖2 實(shí)驗(yàn)裝置視圖發(fā)射系統(tǒng)是由一個(gè)空氣罐和一個(gè)加速管道組成，利用壓縮空氣來(lái)對(duì)列車模型進(jìn)行加速，壓縮空氣被儲(chǔ)存在連接到加速管道的空氣罐中。列車模型放在加速管道內(nèi)，空氣罐排出壓縮空氣推動(dòng)列車模型。列車模型從加速度管道中發(fā)射出后，進(jìn)入金屬軌道上的試

8、驗(yàn)段。然后進(jìn)入制動(dòng)管道，列車模型自身壓縮空氣所產(chǎn)生的空氣阻力，使其逐漸停止。通過(guò)放置固定結(jié)構(gòu)的模型，如在測(cè)試部分放置隧道模型，就可以測(cè)量列車模型通過(guò)該結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生的壓力波。加速管道和制動(dòng)管道都是方形截面，這就要求列車模型有一個(gè)方形的橫截面，以提高壓縮空氣所產(chǎn)生的推力的利用率。如果進(jìn)行實(shí)車實(shí)驗(yàn)，需要一個(gè)方形墊片從后面來(lái)推動(dòng)列車模型。列車模型從加速管發(fā)射后，墊片脫離列車模型。列車模型的材質(zhì)為聚苯乙烯，根據(jù)實(shí)車的CAD數(shù)據(jù)利用計(jì)算機(jī)輔助造型機(jī)塑造的列車模型如圖3所示。圖3 根據(jù)實(shí)車的CAD數(shù)據(jù)利用造型機(jī)塑造的模型列車樣本（a）CAD數(shù)據(jù)（b）造型機(jī) （c）比例為1/30的列車模型2.2發(fā)射系統(tǒng)中氣流的

9、數(shù)學(xué)模型發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)決定了列車模型可以達(dá)到的速度。這些參數(shù)包括空氣罐的容積和空氣罐中的空氣壓力，加速管的長(zhǎng)度，以及列車模型的質(zhì)量。如果不研究發(fā)射系統(tǒng)中的氣流，可能會(huì)導(dǎo)致較差的發(fā)射性能。通過(guò)數(shù)學(xué)模擬發(fā)射系統(tǒng)中的氣流的性能，以獲得所需的設(shè)計(jì)參數(shù)的最佳值，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)速度?？諝夤拗袎嚎s空氣通過(guò)加速管的流動(dòng)模擬如圖4所示。流場(chǎng)被分為四個(gè)區(qū)域：1區(qū)是空氣罐內(nèi)靜氣；2區(qū)是通過(guò)一個(gè)被連接到空氣罐上閥門(mén)處的流動(dòng)；3區(qū)是在閥門(mén)旁邊的一個(gè)腔室中的流動(dòng)，該腔室為打開(kāi)閥門(mén)提供了空間；4區(qū)是加速管內(nèi)的流動(dòng)。在下面，一個(gè)子索引的變量適用于每個(gè)區(qū)域。圖4 發(fā)射系統(tǒng)中的流動(dòng)數(shù)學(xué)模型當(dāng)閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)，空氣罐中的空氣通過(guò)閥門(mén)排出。

10、剛開(kāi)始，空氣罐中是高壓力，空氣罐中的流動(dòng)在閥門(mén)處被阻塞。因此，空氣罐中的質(zhì)量流率可以根據(jù)從流條件計(jì)算出： （1）其中p1和T1是空氣罐中的壓力和溫度，和R分別表示比熱容量和氣體常數(shù)，s2表示2區(qū)的橫截面積，其取決于閥門(mén)的運(yùn)動(dòng)，并且是時(shí)間的函數(shù)。我們簡(jiǎn)單地假設(shè)s2與時(shí)間成正比，可寫(xiě)為： （2）閥門(mén)完全打開(kāi)的時(shí)間間隔稱為tv，s1是閥門(mén)的最大橫截面面積。儲(chǔ)氣罐中的壓力p1，隨著罐內(nèi)空氣的排出逐漸減小，閥門(mén)處的流動(dòng)將很快成為亞聲速流動(dòng)。然后，質(zhì)量流量取決于由于橫截面面積的變化引起的壓力損失。初步計(jì)算表明，在大多數(shù)空氣的排出階段，氣流的馬赫數(shù)為0.5左右。在此馬赫數(shù)下，壓縮性對(duì)壓力損失的影響并不顯著。

11、在這里，使用不可壓縮流動(dòng)的壓力損失計(jì)算式，可以寫(xiě)為： （3）其中和分別是1區(qū)和2區(qū)之間以及2區(qū)和3區(qū)之間的壓力損失系數(shù)。表示空氣密度，2區(qū)的速度可由方程（3）得到。在一個(gè)短的時(shí)間間隔，閥的流量可寫(xiě)為： （4）從罐中釋放的流量使3區(qū)和4區(qū)的壓力升高。如后所示，從開(kāi)啟閥門(mén)到發(fā)射列車模型的時(shí)間尺度約為0.1s，遠(yuǎn)小于通過(guò)管壁的熱傳導(dǎo)過(guò)程。因此，在一個(gè)時(shí)間間隔后，3區(qū)的壓力可應(yīng)用絕熱假定，如下式： (5)儲(chǔ)氣罐中的壓力p1，隨著壓縮空氣的釋放逐漸減小?？紤]到由于3區(qū)和4區(qū)之間的橫截面面積的改變以及4區(qū)的摩擦，所產(chǎn)生的壓力損失，列車模型末端的壓力為： （6）其中，d是加速度管道的液壓直徑，是由莫迪圖獲得

12、的管道摩擦系數(shù)。壓力pm推動(dòng)列車，而列車模型與軌道間的空氣阻力和摩擦也會(huì)作用于列車模型?？紤]到這些力后，質(zhì)量為M的列車模型，其運(yùn)動(dòng)方程可以寫(xiě)為 （9）其中，是列車模型的位移，s4是加速管道橫截面面積。該方程給出了列車模型的位移和速度。是列車模型和軌道摩擦系數(shù)，通過(guò)彈簧秤測(cè)得其為0.4。通過(guò)實(shí)驗(yàn)也得到了列車模型的阻力系數(shù)CD，假定該阻力系數(shù)為常數(shù)。加速度管道中列車模型是以某一速度牽引的，可以用彈簧秤測(cè)量模型的阻力。2.3發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化上一節(jié)中的方程表明了發(fā)射系統(tǒng)的空氣流量與列車模型的運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系。通過(guò)數(shù)值求解這些方程，可以獲得為達(dá)到列車模型給定的目標(biāo)速度所需的實(shí)驗(yàn)裝置的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)的值

13、。首先，確定列車模型的質(zhì)量。從加速管道發(fā)射后，列車模型運(yùn)行在測(cè)試部分，由于軌道上的摩擦和空氣動(dòng)力學(xué)阻力，速度逐漸下降。一個(gè)重載列車模型，由于模型的大慣性，可以在很大程度上維持其速度。另一方面，空氣罐中需要更高的壓力，以加速重載列車模型，使其達(dá)到所需的目標(biāo)速度。測(cè)試段列車速度的減少，可以通過(guò)求解運(yùn)動(dòng)方程（即方程（7）來(lái)確定，忽略壓力項(xiàng)，可以得到給定長(zhǎng)度的測(cè)試部分上列車模型的最佳質(zhì)量。圖5顯示了質(zhì)量從0.015kg的列車模型，在試驗(yàn)段起始的列車速度和試驗(yàn)段末端速度的比例，這個(gè)比例表明試驗(yàn)段列車模型在減速。隨著列車模型的質(zhì)量的增加，由于列車模型的慣性較大，因此，列車的速度減小更慢。質(zhì)量大于1kg的列

14、車速度的減小小于6%。因此，在這項(xiàng)研究中使用質(zhì)量為1kg的列車模型。然后，確定為實(shí)現(xiàn)500km/h的目標(biāo)速度所需的空氣罐的體積及其壓力。加速管道是一個(gè)比例為1/30的模型，其橫截面是一個(gè)邊長(zhǎng)為0.12m的正方形。對(duì)質(zhì)量為1kg，罐內(nèi)初始?jí)毫Ψ謩e為1atm、5atm和10atm時(shí)，列車模型的速度進(jìn)行計(jì)算。圖6表明列車模型的最大速度是每罐壓力罐容積的函數(shù)，速度隨罐容積的增加，所能接近的上限值取決于罐中的初始?jí)毫Φ拇笮?。圖6提供了為實(shí)現(xiàn)列車模型給定的目標(biāo)速度所需的空氣罐的容積和壓力。為了達(dá)到500km/h的速度，當(dāng)罐內(nèi)壓力為5atm時(shí)，所需的空氣罐容積約為0.1m3。當(dāng)空氣罐初始?jí)毫?0atm時(shí)，

15、一個(gè)容積為0.05m3的空氣罐就足夠了。在這項(xiàng)研究中，所使用的空氣罐容積為0.1m3，最大壓力為10atm。因此，該發(fā)射系統(tǒng)可以使質(zhì)量為1kg列車模型發(fā)射速度達(dá)到約780km/h。更重要的是，可以根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算值來(lái)設(shè)置罐內(nèi)初始?jí)毫?，以此?lái)控制列車模型速度。同樣，也可以利用數(shù)學(xué)模型來(lái)確定加速管道的長(zhǎng)度。它提供的列車模型的速度和位置是時(shí)間函數(shù)。因此，列車速度達(dá)到最大時(shí)列車的位置可以被計(jì)算出來(lái)，為了達(dá)到最大速度，而這個(gè)位置必須在加速管道的末端。在上述給定的條件下，加速度管道的長(zhǎng)度應(yīng)為7.3m。但是，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)裝置中，由于將來(lái)使用的列車模型的質(zhì)量將大于1kg，需要更長(zhǎng)的距離來(lái)加速，因此，該實(shí)驗(yàn)裝置

16、加速管道的長(zhǎng)度設(shè)置為10m。圖5 不同質(zhì)量模型列車試驗(yàn)段速度的計(jì)算圖6 列車模型質(zhì)量為1kg，初始油箱壓力分別為1、5、10個(gè)大氣壓時(shí)，列車模型與油箱體積之間的函數(shù)關(guān)系3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果3.1數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證首先，通過(guò)測(cè)量加速度管道內(nèi)的壓力和列車模型的發(fā)射速度，驗(yàn)證了該數(shù)學(xué)模型。圖7顯示了本次測(cè)量的配置。在加速管道中，使用位于靠近腔室的壓力傳感器測(cè)量壓力，該傳感器（SSK P210-10）是一個(gè)平膜片式壓力傳感器，其峰值頻率為38 kHz。放置在加速管出道口處的磁性線圈，在其經(jīng)過(guò)的列車模型上檢測(cè)連接到它上面的一個(gè)磁鐵，以此來(lái)并確定列車速度。圖7 測(cè)量加速管內(nèi)壓力和列車速度的實(shí)驗(yàn)裝置圖8顯示了在初始罐內(nèi)

17、壓力為4.6 atm，列車模型質(zhì)量為1 kg時(shí)，加速管內(nèi)的壓力曲線。在時(shí)間時(shí)，空氣罐閥門(mén)打開(kāi)，加速管道內(nèi)壓力增加，推動(dòng)列車模型向前運(yùn)動(dòng)。由于列車模型的移動(dòng)，在列車模型后面加速管道內(nèi)的體積膨脹，并消耗罐內(nèi)更多的空氣。然后，在大約時(shí)，空氣罐中的壓縮空氣釋放完畢，加速管道內(nèi)的壓力開(kāi)始下降，列車模型的速度和位移如圖8b和c所示。在本實(shí)驗(yàn)中，加速管道末端列車速度達(dá)到509km/h（如圖8b中圓圈處所示），這個(gè)值已經(jīng)接近518km/h的預(yù)期值。這個(gè)結(jié)果表明，通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算的壓力曲線和列車速度曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合，并且發(fā)射系統(tǒng)的性能達(dá)到了數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)要求。然而，在 后，如圖8a所示，壓力曲線出現(xiàn)差異。在

18、這次試驗(yàn)中，列車模型從加速管道中發(fā)射出后，加速管道中的壓力趨近于大氣壓力。數(shù)學(xué)模型中的加速管道被模擬成無(wú)限長(zhǎng)，管道中的壓力一直減小，直到列車模型停止。這將導(dǎo)致數(shù)學(xué)模型計(jì)算中，后，壓力更低。然而，列車模型從加速管道中發(fā)射出后，管道中的壓力將不再作用于列車模型。因此，這個(gè)差異對(duì)最大速度的預(yù)測(cè)影響很小。圖8 壓力變化曲線和質(zhì)量為1kg、油箱壓力4.6atm，油箱體積0.1m3列車模型的運(yùn)動(dòng)(a)加速管中的壓力變化曲線（b）列車模型速度（c）列車模型的位移3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證現(xiàn)在，通過(guò)對(duì)列車在隧道中運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的壓縮波的傳播進(jìn)行測(cè)量，來(lái)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。流場(chǎng)與Shimbo和Hosaka1993年現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量相

19、同。圖9了顯示實(shí)車測(cè)量的配置，一輛新干線列車在隧道內(nèi)以270km/h的速度運(yùn)動(dòng)，在距離隧道入口30m的地方放置一個(gè)壓力傳感器，列車與隧道之間的截面積之比為0.18。圖10顯示了在隧道內(nèi)測(cè)量的無(wú)量綱壓力曲線。Shimbo定義的無(wú)量綱時(shí)間 (8)其中是列車頭部的長(zhǎng)度，是列車的速度。在，列車頭部到達(dá)隧道入口之前，大約時(shí)，壓力開(kāi)始一點(diǎn)點(diǎn)的上升。在到期間的壓力分布是列車進(jìn)入產(chǎn)生的壓縮波。時(shí)出現(xiàn)峰值，這是由于列車頭部經(jīng)過(guò)測(cè)量點(diǎn)時(shí)滯止參數(shù)的影響。當(dāng)列車肩部經(jīng)過(guò)測(cè)量點(diǎn)時(shí)，壓力會(huì)突然下降。無(wú)論是本次實(shí)驗(yàn)還是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，在該低壓區(qū)中都發(fā)現(xiàn)有壓力波動(dòng)，這是由列車肩部上的分離區(qū)域引起的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合地較好

20、。在后，在分離區(qū)有一些差異，這可能是由雷諾的數(shù)影響引起的，而雷諾數(shù)又會(huì)影響分離區(qū)域的大小。圖9 測(cè)量列車在隧道中運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的壓力波的結(jié)構(gòu)圖10 隧道中距離入口30m處的壓力變化曲線3.3列車頭部形狀對(duì)壓力波的影響接下來(lái)，將使用不同的列車模型，研究頭部形狀對(duì)壓力波的產(chǎn)生的影響。圖11顯示了2種列車模型的頭部形狀，其中一個(gè)是拋物線楔形頭部，而另一是拋物面形頭部。雖然它們的頭部的形狀不同，但它們的橫截面面積分布相同。圖12繪制的拋物線是到鼻端距離的函數(shù)。列車頭部的實(shí)際尺寸是6m長(zhǎng)。圖13是列車和隧道的橫截面圖。日本的高速列車隧道入口，通常采用方形截面形狀。列車靠左運(yùn)行，列車和隧道壁之間的距離是1.5

21、m。如圖14所示，壓力曲線分別是在距離隧道入口38m的P1點(diǎn)和距離隧道入口50m的P2點(diǎn)測(cè)量的，列車速度為360km/h 。圖15顯示了隧道內(nèi)的無(wú)量綱壓力梯度曲線。Ozawa等人在1978指出，隧道出口處隧道音爆強(qiáng)度正比于隧道出口處頭部入口壓力波梯度。因此，圖15顯示了隧道音爆的強(qiáng)度。從這個(gè)圖可以看出，頭部為拋物線楔形的列車比頭部為拋物面形的列車產(chǎn)生的最大隧道音爆強(qiáng)度大5%。P2點(diǎn)觀察到的壓力曲線，如圖16所示。在大約時(shí)，觀察到的負(fù)脈沖波是“入口波”，它是列車進(jìn)入隧道入口時(shí)，從入口發(fā)出的。頭部為拋物線楔形的列車比頭部為拋物面形的列車產(chǎn)生的“入口波”強(qiáng)15%。這一結(jié)果表明，即使橫截面面積分布相同

22、，列車形狀仍會(huì)對(duì)壓力波產(chǎn)生影響。由于拋物線楔形鼻端比拋物面形鼻端更靠近隧道壁，而列車與隧道壁之間的距離越短，列車頭部和隧道壁之間產(chǎn)生的相互作用會(huì)越強(qiáng)烈。因此，頭部為拋物線楔形的列車會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的壓力波。從圖15和16可以看出，在越靠近壁面的地方，拋物線楔形鼻端比拋物面形鼻端越早產(chǎn)生壓力峰值。這些研究表明，已開(kāi)發(fā)了可以用來(lái)觀察列車形狀詳細(xì)形式對(duì)壓力波的影響的驗(yàn)裝置。圖11 拋物線楔形和拋物面形列車模型圖12 圖11所示列車模型橫截面面積的分布圖13 列車和隧道橫截面圖圖14 測(cè)量入口壓力布局圖15 隧道中P1處壓力變化梯度曲線圖16 隧道外P2處壓力變化曲線3. 結(jié)論開(kāi)發(fā)了一種用于通過(guò)發(fā)射列車模型

23、來(lái)研究高速列車產(chǎn)生的壓力波的實(shí)驗(yàn)裝置。列車模型和實(shí)際列車的比例為1/30。這一裝置使對(duì)與實(shí)際情況相同的幾何形狀的測(cè)量能夠進(jìn)行。壓縮空氣用于加速列車模型，并已開(kāi)發(fā)了一種用于確定實(shí)驗(yàn)裝置性能的數(shù)學(xué)模型。該模型允許使用實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)參數(shù)的最佳值，以實(shí)現(xiàn)給定的目標(biāo)速度，并通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力來(lái)控制發(fā)射速度。在實(shí)驗(yàn)裝置上已經(jīng)對(duì)列車的速度和壓力曲線進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果與數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)的結(jié)果吻合較好。這表明，該裝置達(dá)到了數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)的性能，并能夠以高于500km/h的速度發(fā)射列車模型。展示了一系列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對(duì)列車在隧道中運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的壓縮波進(jìn)行了測(cè)量，并對(duì)列車頭部和肩部通過(guò)固定測(cè)試點(diǎn)所產(chǎn)生的壓力波動(dòng)，以及壓縮波沿

24、隧道的傳播進(jìn)行了觀察，它們都和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量所獲得的數(shù)據(jù)吻合地較好。同時(shí)，也研究了列車形狀對(duì)壓力的影響。結(jié)果表明，當(dāng)列車具有相同的橫截面積時(shí)，可以利用實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)列車詳細(xì)形狀進(jìn)行觀察，并對(duì)列車形狀對(duì)壓力波的強(qiáng)度和形式的影響進(jìn)行研究。使用可以精確代表實(shí)車形狀的列車模型，對(duì)獲得壓力波的準(zhǔn)確模擬是特別重要的。參考文獻(xiàn)Bellenoue, M., Moriniere, V., Kageyama, T., 2002. Experimental 3-D simulation of the compression wave due to train-tunnel entry. Journal of Fluids a

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