雙線鐵路隧道的活塞風(fēng)和沿程阻力系數(shù)

1、第17卷第2期1995年6月鐵道學(xué)報(bào)JOURNALOFECIAAITHHNRLWAYSOCIEYTVol.17JuneN0.21995雙線鐵路隧道的活塞風(fēng)和沿程阻力系數(shù)史力生(長(zhǎng)沙鐵道學(xué)院)在鐵路隧道的通風(fēng)設(shè)計(jì)中沿程阻力系數(shù)和列車活塞風(fēng)都是要首先解決的重要問(wèn)題。經(jīng)過(guò)幾十年的經(jīng)驗(yàn)積累我國(guó)單線鐵路隧道的沿程阻力系數(shù)已知其取值范圍為0.02一0.0251〕(碎石道床取較大的值)。單線隧道的活塞風(fēng)就其工程應(yīng)用來(lái)說(shuō)也已基本解決。但對(duì)于我國(guó)的雙線鐵

2、路隧道這兩方面的問(wèn)題都迫切需要加以研究。本文通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法研究了雙線鐵路隧道的活塞風(fēng)規(guī)律和沿程阻力系數(shù)的取值。對(duì)于活塞風(fēng)的研究將恒定流與非恒定流相結(jié)合化繁為簡(jiǎn)給出了便于工程實(shí)際應(yīng)用的活塞風(fēng)過(guò)程線。對(duì)于沿程阻力系數(shù)的研究運(yùn)用流體力學(xué)非恒定流理論通過(guò)分析雙線隧道列車活塞風(fēng)的實(shí)際衰減過(guò)程統(tǒng)計(jì)出了沿程阻力系數(shù)。過(guò)去獲得隧道沿程阻力系數(shù)的方法是測(cè)量給定隧道段上的氣流壓差然后根據(jù)計(jì)算沿程損失的達(dá)西公式反推沿程阻力系數(shù)。這種方法的

3、缺點(diǎn)主要是用液體微壓計(jì)難以準(zhǔn)確確定波動(dòng)著的氣流壓差誤差很大。本文的研究方法克服了這種缺點(diǎn)其研究結(jié)果對(duì)雙線鐵路隧道的通風(fēng)設(shè)計(jì)和研究具有一定的應(yīng)用價(jià)值。1雙線隧道的活塞風(fēng)變化過(guò)程1.1單列車通過(guò)隧道時(shí)的活塞風(fēng)變化過(guò)程當(dāng)車頭進(jìn)入隧道時(shí)車頭前面的空氣由于受到擠壓和列車速度的雙重作用而壓強(qiáng)升高。升高后的壓強(qiáng)波以音速向隧道出口端傳播并在車頭與兩個(gè)洞門之間形成壓強(qiáng)梯度。在此壓強(qiáng)梯度的持續(xù)作用下車頭前方的空氣開(kāi)始向出口端流動(dòng)并且隨著列車進(jìn)入隧道中長(zhǎng)度的

4、增大氣流速度越來(lái)越高。起初由于車頭前方的氣流速度很低單位時(shí)間內(nèi)從隧道出口排出的空氣體積沒(méi)有列車單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入隧道所排開(kāi)的空氣體積大所以有相當(dāng)大的一部分空氣以與列車相反的方向從進(jìn)口排出。從進(jìn)口排出的氣流開(kāi)始速度很高隨著列車進(jìn)入隧道中長(zhǎng)度的增大其流速漸漸減小最后趨于零。這一方面是由于從出口排出的氣流速度越來(lái)越高(流量越來(lái)越大)另一方面是由于在隧道中不斷增長(zhǎng)的車身對(duì)氣流的拖動(dòng)作用越來(lái)越大。然后在進(jìn)口處的氣流又以與列車相同的方向從洞外流進(jìn)洞內(nèi)。

5、當(dāng)列車全部進(jìn)洞后如果不考慮空氣的壓縮性(列車速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于音速可不考慮空氣的壓縮性)則根據(jù)流體的連續(xù)性方程從進(jìn)口流進(jìn)洞內(nèi)的空氣流量應(yīng)等于從出口排出的空氣流量。也就是說(shuō)當(dāng)列車全部進(jìn)洞后列車前、后方空氣的斷面平均流速應(yīng)相等。車尾進(jìn)洞不久隧道內(nèi)的氣流速度達(dá)到最大值。如果隧道比較長(zhǎng)此氣流速度將保持一段時(shí)間大致不變。當(dāng)車頭出洞后由于出口與車頭之間的壓強(qiáng)差消失(車尾本文于1994年7月30日收到修改稿。史力生講師廣東深圳大亞灣核電站生產(chǎn)部資料處郵碼:

6、518124第17卷KP(V。一V)2_夸PV22士P(逆風(fēng)時(shí)P取“”(l)從形式上看該方程與單線隧道活塞風(fēng)完全按恒定流考慮時(shí)所滿足的方程川完全一樣。其差別在于參數(shù)K與夢(mèng)。式(1)中K—活塞壓力系數(shù)KNL。(1一a)產(chǎn)—空氣密度(kgm3)V。—列車速度(ms)V—隧道內(nèi)斷面平均活塞風(fēng)速(ms)。.L一L。C一(十凡萬(wàn)一一一a(2)士p?！淼纼啥说拇髿鈮翰钅骘L(fēng)取正P一(夸幾二但Y孟d2號(hào)PV三PV芝一紀(jì)~忿丁藝(3)其中N一胳栩撇(m

7、一)a一歹。車堵。。一務(wù)L。A。一。為列車長(zhǎng)度(m)和橫斷面積(m“)夸、又—分別為隧道的局部阻力系數(shù)之和和沿程阻力系數(shù)L、A、d—分別為隧道的長(zhǎng)度(m)、橫斷面積(mZ)和當(dāng)量直徑(m)(d4RR為隧道的水力半徑)V?！淼纼?nèi)無(wú)列車通過(guò)時(shí)的自然風(fēng)速(ms)k—隧道的總阻力系數(shù)_.L殼一C十人一丁a(4)將式(3)代入式(1)得K(V。一V)2=夸`VZ士kV三(5)由(5)式解出V并令V一麗得一1V=V=V。夢(mèng)二二—1八(6)式中k當(dāng)

8、活塞風(fēng)順自然風(fēng)時(shí)取“”逆風(fēng)時(shí)取“一”。當(dāng)隧道內(nèi)無(wú)自然風(fēng)時(shí)V一。由(5)式得V。_、_、V一一一下二二二(尤目然風(fēng))1十了羅K(7)圖1中直線2即為按恒定流分析時(shí)所得到的過(guò)程線滿足式(6)或(7)。它比實(shí)際過(guò)程線(曲線2)所應(yīng)滿足的非恒定流關(guān)系式要簡(jiǎn)單得多。為了保證曲線2與直線2的等效性亦即使實(shí)際的曲線2與理論概化的直線2所相應(yīng)的風(fēng)量相等必須使兩者與橫軸(時(shí)間軸t)所夾的面積相等。這須要待求參數(shù)K來(lái)保證。在下節(jié)將根據(jù)實(shí)測(cè)活塞風(fēng)過(guò)程線并利用