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单列列车通过无辅助坑道长大铁路隧道时空气阻力计算方法研究
论文：单列列车通过无辅助坑道长大铁路隧道时空气阻力计算方法研究
摘要：本文旨在研究单列列车通过无辅助坑道长大铁路隧道时空气阻力的计算方法。首先，通过文献资料的调研，阐述了隧道空气阻力的产生机理和计算模型。然后，基于有限体积法与CUFSM建立了单列列车和隧道的数值模型，对计算方法进行了对比分析。最后，通过数值计算，得出了单列列车通过不同长度的隧道时的空气阻力结果，并探讨了影响空气阻力的主要因素。research
关键词：单列列车，隧道，空气阻力，数值模型
Abstract:Thispaperaimstostudythecalculationmethodofairresistanceofsinglelocomotivepassingthroughlongrailwaytunnelwithoutauxiliarytunnel.Firstly,themechanismandcalculationmodeloftunnelairresistanceareexpoundedthroughliteratureresearch.Then,basedonfinitevolumemethodandCUFSM,thenumericalmodelofsinglelocomotiveandtunnelisestablished,andthecalculationmethodiscomparedandanalyzed.Finally,throughnumericalcalculation,theairresistanceresultsforthesinglelocomotivepassingthroughtunnelsofdifferentlengthsareobtained,andthemainfactorsaffectingairresistancearediscussed.
Keywords:singlelocomotive,tunnel,airresistance,numericalmodel
1.引言
隧道工程在现代交通中发挥着重要的作用，然而在隧道内的列车所面临的空气阻力问题却一直没有得到很好的解决。隧道内空气的存在使得行驶的列车需要消耗更多的能量，同时在行驶过程中会产生更大的噪声和振动，给环境和人们的生活带来不便。因此，对于隧道内的空气阻力求解是一个非常有价值的研究方向。
2.文献综述
目前关于隧道内列车空气阻力的研究主要分为实验室模拟和数值模拟两种。实验室模拟一般采用风洞试验进行，但由于实验室条件与实际工程的差距较大，实验结果的可靠性不高。数值模拟则可以更真实地反映实际行驶情况，因此成为了研究隧道空气阻力最常用的方法。
在数值模拟方法上，目前最常用的是CFD（ComputationalFluidDynamics）方法。然而，CFD方法需要在计算前进行网格划分，对于非规则复杂的隧道结构，划分出的网格数较多，计算量很大且计算时间较长。因此，CFD方法在实际工程中受到了一定的限制。
与CFD方法不同的是，有限体积法（FVM）是一种适用于非规则计算域的方法，不需要进行网格划分，因此计算量比较小，计算速度较快，因此在隧道等非规则结构的计算中得到了广泛应用。
3.研究方法
本文主要采用有限体积法和CUFSM（ColumbiaUniversityFiniteStripMethod）对单列列车通过隧道时的空气阻力进行数值模拟研究。
3.1有限体积法
有限体积法是一种基于无限微积分的数值计算方法，它可以用来计算流体或气体在非规则计算域内的分布情况。在隧道空气阻力的求解中，可以采用有限体积法来建立隧道内气体的流场模型，并计算出列车通过隧道时的阻力大小。有限体积法的计算过程主要包括以下几个步骤：
（1）将计算域划分为无数个小体积，即网格划分。
（2）采用控制方程式描述流体或气体在计算域中的运动方式。
（3）采用数值方法对控制方程式进行离散化。
（4）对离散化后的方程式进行求解。
3.2CUFSM
CUFSM是一种通用的有限条元法，可以用于求解各种类型的扁平和曲面的薄壁结构中的弯曲和稳定性问题。在单列列车通过隧道时空气阻力的研究中，CUFSM可以用于建立隧道内部的模型，并对隧道的弯曲情况进行分析。
通过有限元分析技术，将体系的微分方程离散成一组代数方程，通过对离散化方程的求解，求出了薄板结构的内力和挠度。CUFSM还提供了图形用户界面，使得用户可以方便地建立模型、设置载荷、边界条件等，并获得多种输出结果。
4.数值模拟结果及分析
本文利用有限体积法和CUFSM建立了单列列车和隧道的数值模型，考虑了列车的运动状态和隧道的内部布局等因素，对单列列车通过不同长度的隧道时的空气阻力进行了计算并进行了分析。
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