高速列车穿越竖井隧道的空气动力学研究

"高速列车穿越有竖井隧道流场的特性研究 (2006年)" 这篇2006年的论文详细探讨了高速列车在穿越含有竖井的隧道时，流场特性的数值模拟分析。研究基于三维粘性、可压缩、等熵且非定常的Navier-Stokes方程，这是一种描述流体运动的基本物理模型。在空间上，使用中心有限体积法进行离散处理，这是一种数值方法，用于将连续的偏微分方程转化为离散的代数方程。时间上，则采用预处理二阶精度多步后差分格式，以提高时间步长的稳定性和计算精度。此外，为了处理隧道壁面的边界条件，应用了壁面函数。 研究中，研究人员考虑了多个关键因素，包括竖井的位置、竖井的截面积以及竖井的数量，这些因素对隧道内部压力和压力梯度的影响。计算结果显示，竖井的存在可以改变压缩波的波前形态，导致隧道内部压力变化的最大值降低，进而减小压力梯度的最大值。然而，竖井并未能延长压力上升的时间，这意味着它无法显著改善乘客的舒适度或缓解隧道内的压力波动速度。 论文的作者们还指出，传统的特征线方法虽然在无竖井隧道中表现良好，但当隧道内存在竖井时，空气动力学效应变得更加复杂。竖井导致的隧道断面积变化会引发膨胀波，产生复杂的波叠加现象，这使得一维绝热模型的适用性受到挑战。亨森的一维绝热模型虽能给出与实验相符的结果，但可能无法完全捕捉到这种复杂流场的行为。 这篇研究对于理解高速列车通过隧道时的空气动力学效应，特别是有竖井隧道的特殊情境，提供了重要的理论基础。其结果对于隧道设计、通风系统优化以及提高列车运行安全和乘客舒适度等方面具有实际指导意义。同时，也为后续的数值模拟和实验研究提供了参考框架，推动了相关领域的技术进步。