專利名稱：一種高速列車通過長大隧道時(shí)隧道出口微壓波的預(yù)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種高速列車通過長大隧道時(shí)隧道出ロ微壓波的預(yù)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
目前，微壓波的計(jì)算方法主要有兩種動(dòng)網(wǎng)格方法和滑移網(wǎng)格方法。兩種方法都是數(shù)值求解非定常N-S方程和湍流模型方程。
動(dòng)網(wǎng)格方法動(dòng)網(wǎng)格方法計(jì)算微壓波的流程圖參見圖3。生成流場(chǎng)網(wǎng)格，數(shù)值求解非定常N-S方程和湍流模型方程，列車前進(jìn)一小段距離，再次生成網(wǎng)格，數(shù)值求解，……，一直循環(huán)到微壓波傳播到記錄位置，輸出預(yù)測(cè)結(jié)果。該方法的流程雖然簡單，但其不足之處網(wǎng)格規(guī)模大，耗費(fèi)時(shí)間長計(jì)算針對(duì)整個(gè)流域進(jìn)行，特別對(duì)于長隧道而言，網(wǎng)格規(guī)模非常大，計(jì)算時(shí)間非常長；另外，列車每前移一歩，網(wǎng)格都需要重新生成，也需要耗費(fèi)大量時(shí)間 ’大量數(shù)據(jù)插值，誤差増加從計(jì)算開始，到計(jì)算結(jié)束，每ー步網(wǎng)格都需要重新生成，新網(wǎng)格流場(chǎng)計(jì)算需要用到舊網(wǎng)格流場(chǎng)數(shù)據(jù)，這需要捜索和插值，并且捜索和插值在整個(gè)流域進(jìn)行，大量和頻繁的數(shù)據(jù)插值，會(huì)帶來誤差，降低計(jì)算精度。滑移網(wǎng)格方法滑移網(wǎng)格方法計(jì)算微壓波的流程圖參見圖4、5。首先將流域分成滑移區(qū)和非滑移區(qū)，如圖5所示，生成網(wǎng)格，數(shù)值求解非定常N-S方程和湍流模型方程，滑移區(qū)網(wǎng)格前進(jìn)ー小段距離，數(shù)值求解，……，一直循環(huán)到微壓波傳播到記錄位置，輸出預(yù)測(cè)結(jié)果。該方法的優(yōu)點(diǎn)是只需要一次生成網(wǎng)格，而不需要每ー步都生成網(wǎng)格，節(jié)約了網(wǎng)格生成的時(shí)間，同樣的網(wǎng)格規(guī)模，和動(dòng)網(wǎng)格方法相比，該方法耗費(fèi)時(shí)間少，效率高。該方法的不足之處主要有網(wǎng)格規(guī)模大，耗費(fèi)時(shí)間長。計(jì)算雖然將流域分成兩個(gè)區(qū)域，但兩個(gè)區(qū)域要同時(shí)計(jì)算，交換數(shù)據(jù)，網(wǎng)格規(guī)模沒有變化，只節(jié)約網(wǎng)格重新生成的時(shí)間，計(jì)算時(shí)間仍然偏長；另外，從計(jì)算開始，到計(jì)算結(jié)束，網(wǎng)格每向前滑移一歩，滑移區(qū)和非滑移區(qū)都要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)插值和數(shù)據(jù)交換，而大量和頻繁的數(shù)據(jù)插值，會(huì)帶來誤差，降低計(jì)算精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供ー種流程簡單、計(jì)算科學(xué)合理，能夠大幅節(jié)約計(jì)算時(shí)間，提高預(yù)測(cè)精度的高速列車通過長大隧道時(shí)隧道出口微壓波的預(yù)測(cè)方法。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)所述預(yù)測(cè)方法的步驟包括分區(qū)、網(wǎng)格生成、網(wǎng)格計(jì)算和預(yù)測(cè)結(jié)果輸出；所述分區(qū)是依據(jù)微壓波的形成原理，將計(jì)算區(qū)域劃分成區(qū)域I到區(qū)域η共η個(gè)區(qū)域，所述各區(qū)域的劃分方法
(1)所述區(qū)域I的設(shè)置長度為隧道入口前的200-350米，加上隧道入口后的150-300米；隧道入口前的寬度為80-120米，高度50-60米；隧道入口后的隧道外形和真實(shí)隧道外形相同；區(qū)域I在隧道軸向中心線垂直面上的截面呈階梯矩形；區(qū)域I內(nèi)采用Delaunay三角化方法生成非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；該區(qū)域主要用于計(jì)算壓縮波的形成；
(2)所述區(qū)域η的設(shè)置長度為隧道出口前的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實(shí)隧道外形相同；隧道出ロ后的寬度為80-120米,高度為50-60米；區(qū)域η在隧道軸向中心線垂直面上的截面呈階梯矩形；區(qū)域η采用求解橢圓形方程的方法生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；該區(qū)域主要用于計(jì)算微壓波的形成和傳播。(3)所述區(qū)域2到區(qū)域η-l的設(shè)置長度按照1_2公里的公倍數(shù)平分；截面幾何外形和真實(shí)隧道橫截面尺寸相同；區(qū)域2到區(qū)域η-l在隧道軸向中心線垂直面上的截面呈矩形；區(qū)域2到區(qū)域η-l采用求解橢圓形方程的方法生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；這些區(qū)域主要用于計(jì)算壓縮波的傳播。在區(qū)域2至區(qū)域η-l的每個(gè)區(qū)域的指定位置，設(shè)置ー個(gè)確定的壓カ值，這個(gè)確定的壓カ值為判斷壓縮波是否全部傳入該區(qū)域的閾值；
在區(qū)域η的指定位置，設(shè)置ー個(gè)確定的壓カ值，這個(gè)確定的壓カ值為判斷微壓波是否全部傳入隧道出ロ區(qū)域η微壓波記錄位置的閾值。所述網(wǎng)格計(jì)算是在η個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行η-l個(gè)步驟的網(wǎng)格計(jì)算，每個(gè)步驟的網(wǎng)格計(jì)算 都是取相鄰兩區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，在第I個(gè)步驟的網(wǎng)格計(jì)算結(jié)束后，按照區(qū)域編號(hào)序號(hào)遞增的方式増加ー個(gè)新區(qū)域，同時(shí)放棄ー個(gè)最小編號(hào)的舊區(qū)域，然后進(jìn)行下一個(gè)步驟的相鄰兩區(qū)域的網(wǎng)格計(jì)算；即第I步驟的網(wǎng)格計(jì)算是取相鄰的區(qū)域I的網(wǎng)格和區(qū)域2的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)計(jì)算中獲得區(qū)域2的指定位置的壓カ值不小于閾值時(shí)，“壓縮波是否全部進(jìn)入?yún)^(qū)域2”的判斷結(jié)果為“是”，此時(shí)，停止第I步驟的網(wǎng)格計(jì)算，在遞增區(qū)域3的同時(shí)放棄區(qū)域1，對(duì)區(qū)域2和區(qū)域3的網(wǎng)格進(jìn)行第2步驟的網(wǎng)格計(jì)算，如此類推到η-l步驟的網(wǎng)格計(jì)算；當(dāng)“微壓波是否完整傳播到記錄位置”的判斷結(jié)果為“是”時(shí)，網(wǎng)格計(jì)算結(jié)束，進(jìn)入預(yù)測(cè)結(jié)果輸出，預(yù)測(cè)結(jié)束；在每個(gè)步驟的網(wǎng)格計(jì)算中，當(dāng)類似于“壓縮波是否全部進(jìn)入?yún)^(qū)域2 “的判斷結(jié)果為”否“時(shí)，本步驟的網(wǎng)格計(jì)算進(jìn)入局部循環(huán)計(jì)算，直到判斷為“是”為止。所述網(wǎng)格計(jì)算的邊界設(shè)置和計(jì)算方法，根據(jù)網(wǎng)格所處位置采用不同的方式
(1)第I步驟的網(wǎng)格計(jì)算的具體做法是調(diào)取區(qū)域I和區(qū)域2的網(wǎng)格，初始化參數(shù)為靜壓為0，速度為O;邊界條件給定地面、隧道整個(gè)壁面為無滑移壁面條件，列車為移動(dòng)壁面條件，速度為列車通過該隧道的行駛速度，區(qū)域I和區(qū)域2連接的公共面設(shè)置為內(nèi)部邊界條件；采用非定常雷諾平均N-S方程和k-ε湍流模型方程數(shù)值求解進(jìn)行網(wǎng)格計(jì)算；計(jì)算中以時(shí)間為步長，在非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的區(qū)域I的網(wǎng)格內(nèi)始終包含了運(yùn)動(dòng)的列車，每完成一個(gè)步長的計(jì)算，列車在區(qū)域I內(nèi)前進(jìn)ー個(gè)時(shí)間步長乘以速度的距離，列車在區(qū)域I中相對(duì)于隧道的位置發(fā)生變化，因此，區(qū)域I的網(wǎng)格需要每時(shí)間步重新生成一次；在結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的區(qū)域2內(nèi)始終不包括列車，網(wǎng)格始終保持不變；當(dāng)計(jì)算中獲得區(qū)域2指定位置的壓カ大于閾值時(shí)，第I步驟的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算結(jié)束；
(2)其他步驟的網(wǎng)格計(jì)算的具體做法是在區(qū)域2到區(qū)域η的網(wǎng)格中，始終不包含列車，它們的網(wǎng)格在計(jì)算中始終不變，均一致采用非定常雷諾平均N-S方程和k- ε湍流模型方程進(jìn)行數(shù)值求解；在第2步驟的網(wǎng)格計(jì)算中，取區(qū)域2和區(qū)域3網(wǎng)格，區(qū)域2的出口和區(qū)域3的入口設(shè)置為內(nèi)部邊界條件，區(qū)域2的入口設(shè)置壓力入口條件，區(qū)域3的出口設(shè)置壓力出ロ?xiàng)l件，以第I步驟計(jì)算獲得的區(qū)域2的數(shù)據(jù)為本步驟的區(qū)域2的初始條件被代入，區(qū)域3的初始條件為O ;給定地面、隧道整個(gè)壁面為無滑移壁面條件，計(jì)算中以時(shí)間為步長，當(dāng)計(jì)算中獲得區(qū)域3指定位置的壓カ大于閾值時(shí)，第2步驟的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算結(jié)束；如此類推，直到第η-l步驟的計(jì)算完成。
所述預(yù)測(cè)結(jié)果輸出為隧道出口 10米、20米和50米等監(jiān)控點(diǎn)的微壓波的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下四個(gè)優(yōu)點(diǎn)
第一，毎次計(jì)算只包括相鄰兩塊區(qū)域的網(wǎng)格，大幅減小了網(wǎng)格規(guī)模，極大地提高了計(jì)算效率；
第二、列車的運(yùn)動(dòng)只在區(qū)域I中進(jìn)行，動(dòng)網(wǎng)格也只在該區(qū)域進(jìn)行，這樣，網(wǎng)格重構(gòu)被限制在該區(qū)域，網(wǎng)格重構(gòu)的規(guī)模變小，所需要的時(shí)間也相應(yīng)變少，提高了網(wǎng)格重構(gòu)的效率；第三、其他區(qū)域都是進(jìn)行不包含列車的靜止網(wǎng)格的非定常流場(chǎng)計(jì)算。由于網(wǎng)格不再發(fā)生變化，無需像傳統(tǒng)動(dòng)網(wǎng)格方法和滑 移網(wǎng)格方法那樣每時(shí)間步進(jìn)行大范圍交換數(shù)據(jù)，避免了大規(guī)模交換數(shù)據(jù)帶來的誤差，提高了計(jì)算精度。第四、毎次計(jì)算只包括相鄰兩塊區(qū)域的網(wǎng)格，對(duì)內(nèi)存和CPU的要求大幅降低，可以在微機(jī)上實(shí)現(xiàn)特長隧道、超大網(wǎng)格規(guī)模的微氣壓波計(jì)算。


圖I為本發(fā)明方法的流程框圖。圖2為本發(fā)明一施例區(qū)域劃分示意圖。圖3為動(dòng)網(wǎng)格方法計(jì)算微壓波流的流程框圖。圖4為滑移網(wǎng)格計(jì)算微壓波流的流程框圖。圖5為圖4滑移網(wǎng)格計(jì)算微壓波流的滑移網(wǎng)格分區(qū)示意圖。圖6為本發(fā)明實(shí)施例的分區(qū)示意圖
圖7為圖6實(shí)施例隧道出ロ 10米處微氣壓波比較。圖8為圖6實(shí)施例隧道出ロ 20米處微氣壓波比較。圖9為磁浮列車外形示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步說明
參照附圖1-2，所述預(yù)測(cè)方法的步驟包括分區(qū)、網(wǎng)格生成、網(wǎng)格計(jì)算和預(yù)測(cè)結(jié)果輸出；所述分區(qū)是依據(jù)微壓波的形成原理，將計(jì)算區(qū)域劃分成區(qū)域I到區(qū)域η共η個(gè)區(qū)域，所述各區(qū)域的劃分方法
(I)所述區(qū)域I的設(shè)置長度為隧道入口前的200-350米，加上隧道入口后的150-300米；隧道入口前的寬度為80-120米，高度50-60米；隧道入口后的隧道外形和真實(shí)隧道外形相同；區(qū)域I在隧道軸向中心線垂直面上的截面呈階梯矩形；區(qū)域I內(nèi)采用Delaunay三角化方法生成非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；該區(qū)域主要用于計(jì)算壓縮波的形成；。(2)所述區(qū)域η的設(shè)置長度為隧道出口前的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實(shí)隧道外形相同；隧道出口后的寬度為80-120米，高度為50-60米；區(qū)域η在隧道軸向中心線垂直面上的截面呈階梯矩形；區(qū)域η采用求解橢圓形方程的方法生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；該區(qū)域主要用于計(jì)算微壓波的形成和傳播；
(3)所述區(qū)域2到區(qū)域η-l的設(shè)置長度按照1-2公里的公倍數(shù)平分；截面幾何外形和真實(shí)隧道橫截面尺寸相同；區(qū)域2到區(qū)域η-l在隧道軸向中心線垂直面上的截面呈矩形；區(qū)域2到區(qū)域η-l采用求解橢圓形方程的方法生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；這些區(qū)域主要用于計(jì)算壓縮波的傳播；
在區(qū)域2至區(qū)域η-l的每個(gè)區(qū)域的指定位置，設(shè)置ー個(gè)確定的壓カ值，這個(gè)確定的壓カ值為判斷壓縮波是否全部傳入該區(qū)域的閾值；
在區(qū)域η的指定位置，設(shè)置ー個(gè)確定的壓カ值，這個(gè)確定的壓カ值為判斷微壓波是否全部傳入隧道出ロ區(qū)域η微壓波記錄位置的閾值。所述網(wǎng)格計(jì)算是在η個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行η-l個(gè)步驟的網(wǎng)格計(jì)算，每個(gè)步驟的網(wǎng)格計(jì)算都是取相鄰兩區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，在第I個(gè)步驟的網(wǎng)格計(jì)算結(jié)束后，按照區(qū)域編號(hào)序號(hào)遞增的方式増加ー個(gè)新區(qū)域，同時(shí)放棄ー個(gè)最小編號(hào)的舊區(qū)域，然后進(jìn)行下一個(gè)步驟的相鄰兩區(qū)域的網(wǎng)格計(jì)算；即第I步驟的網(wǎng)格計(jì)算是取相鄰的區(qū)域I的網(wǎng)格和區(qū)域2的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)計(jì)算中獲得區(qū)域2的指定位置的壓カ值不小于閾值時(shí)，“壓縮波是否全部進(jìn)入?yún)^(qū)域2”的判斷結(jié)果為“是”，此時(shí)，停止第I步驟的網(wǎng)格計(jì)算，在遞增區(qū)域3的同時(shí)放棄區(qū)域1，對(duì)區(qū)域2和區(qū)域3的網(wǎng)格進(jìn)行第2步驟的網(wǎng)格計(jì)算，如此類推到η-l步驟的網(wǎng)格計(jì)算；當(dāng)“微壓波是否完整傳播到記錄位置”的判斷結(jié)果為“是”吋，網(wǎng)格計(jì)算結(jié)束，進(jìn)入預(yù)測(cè)結(jié)果輸 出，預(yù)測(cè)結(jié)束；在每個(gè)步驟的網(wǎng)格計(jì)算中，當(dāng)類似于“壓縮波是否全部進(jìn)入?yún)^(qū)域2 “的判斷結(jié)果為”否“時(shí)，本步驟的網(wǎng)格計(jì)算進(jìn)入局部循環(huán)計(jì)算，直到判斷為“是”為止。所述網(wǎng)格計(jì)算的邊界設(shè)置和計(jì)算方法，根據(jù)網(wǎng)格所處位置采用不同的方式
(1)第I步驟的網(wǎng)格計(jì)算的具體做法是調(diào)取區(qū)域I和區(qū)域2的網(wǎng)格，初始化參數(shù)為靜壓為0，速度為O ;邊界條件給定地面、隧道整個(gè)壁面為無滑移壁面條件，列車為移動(dòng)壁面條件，速度為列車通過該隧道的行駛速度，區(qū)域I和區(qū)域2連接的公共面設(shè)置為內(nèi)部邊界條件；采用非定常雷諾平均N-S方程和k-湍流模型方程數(shù)值求解進(jìn)行網(wǎng)格計(jì)算；計(jì)算中以時(shí)間為步長，在非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的區(qū)域I的網(wǎng)格內(nèi)始終包含了運(yùn)動(dòng)的列車，每完成一個(gè)步長的計(jì)算，列車在區(qū)域I內(nèi)前進(jìn)ー個(gè)時(shí)間步長乘以速度的距離，列車在區(qū)域I中相對(duì)于隧道的位置發(fā)生變化，因此，區(qū)域I的網(wǎng)格需要每時(shí)間步重新生成一次；在結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的區(qū)域2內(nèi)始終不包括列車，網(wǎng)格始終保持不變；當(dāng)計(jì)算中獲得區(qū)域2指定位置的壓カ大于閾值時(shí)，第I步驟的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算結(jié)束；
(2)其他步驟的網(wǎng)格計(jì)算的具體做法是在區(qū)域2到區(qū)域η的網(wǎng)格中，始終不包含列車，它們的網(wǎng)格在計(jì)算中始終不變，均一致采用非定常雷諾平均N-S方程和k- 3湍流模型方程進(jìn)行數(shù)值求解；在第2步驟的網(wǎng)格計(jì)算中，取區(qū)域2和區(qū)域3網(wǎng)格，區(qū)域2的出口和區(qū)域3的入口設(shè)置為內(nèi)部邊界條件，區(qū)域2的入口設(shè)置壓力入口條件，區(qū)域3的出口設(shè)置壓力出ロ?xiàng)l件，以第I步驟計(jì)算獲得的區(qū)域2的數(shù)據(jù)為本步驟的區(qū)域2的初始條件被代入，區(qū)域3的初始條件為O ;給定地面、隧道整個(gè)壁面為無滑移壁面條件，計(jì)算中以時(shí)間為步長，當(dāng)計(jì)算中獲得區(qū)域3指定位置的壓カ大于閾值時(shí)，第2步驟的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算結(jié)束；如此類推，直到第η-l步驟的計(jì)算完成。所述預(yù)測(cè)結(jié)果輸出為隧道出口 10米、20米和50米等監(jiān)控點(diǎn)的微壓波的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。圖3為動(dòng)網(wǎng)格方法計(jì)算微壓波流的流程框圖為現(xiàn)有技術(shù)，其流程為順序執(zhí)行“網(wǎng)格生成”、“計(jì)算N-S方程和湍流模型方程”，然后判斷“微壓波是否完整傳播到記錄位置？”，如果為“Yes”，執(zhí)行“預(yù)測(cè)結(jié)果輸出”，預(yù)測(cè)結(jié)束。如果判斷“微壓波是否完整傳播至IJ記錄位置？”的結(jié)果為“No”，將“列車位置前移”，返回到“網(wǎng)格生成”進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)的計(jì)算，直到判斷“微壓波是否完整傳播到記錄位置？ ”的結(jié)果為“Yes”為止。從該現(xiàn)有技術(shù)的流程可以看到，每計(jì)算一歩，列車前移一歩，所有網(wǎng)格重新生成一次，并且非定常計(jì)算吋，需要用到上一歩的流場(chǎng)數(shù)據(jù)，由于網(wǎng)格發(fā)生變化，需要大量捜索和插值，可想其計(jì)算的復(fù)雜性，并且隧道越長，網(wǎng)格規(guī)模越大，計(jì)算量非常大，耗費(fèi)的時(shí)間非常長。圖4、5為滑移網(wǎng)格計(jì)算微壓波流的流程框圖為現(xiàn)有技術(shù)，與圖3現(xiàn)有技術(shù)基本相同，不同的是在“網(wǎng)格生成”前増加了“分區(qū)”，將“列車位置前移”替換成“網(wǎng)格滑移”，且越過“網(wǎng)格生成”，直接循環(huán)進(jìn)入“計(jì)算N-S方程和湍流模型方程”，雖然沒有圖3的復(fù)雜，也節(jié)約了大量網(wǎng)格生成的時(shí)間，但網(wǎng)格規(guī)模沒有變化，計(jì)算量相當(dāng)大，耗費(fèi)的時(shí)間仍然非常長。采用非定常雷諾平均N-S方程和k_湍流模型方程為公知技術(shù)手段，一般是求解7個(gè)方程。實(shí)施例I :
參見附圖6-8。
將計(jì)算結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析是驗(yàn)證計(jì)算方法的可靠手段。由于長隧道實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)非常少，本發(fā)明只能采用短隧道實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。我國曾在遂渝線進(jìn)行隧道ロ微壓波的實(shí)車測(cè)試研究，測(cè)試列車為8車編組，長度為200米，運(yùn)行速度200km/h。隧道長987米、斷面積為48平方米、板式道床。具體計(jì)算步驟如下
I、計(jì)算分區(qū)。計(jì)算區(qū)域分區(qū)如圖6所示，區(qū)域I包括隧道入口前300米和隧道入口后300米隧道；區(qū)域2包括387米隧道，在區(qū)域2入口 200米處設(shè)置判別點(diǎn)以判斷壓縮波是否完全傳入?yún)^(qū)域2的閾值點(diǎn)；區(qū)域3包括隧道出口前300米隧道和出ロ后300米流域，在10米、20米和50米處設(shè)置微壓波監(jiān)控點(diǎn)。2、網(wǎng)格生成。區(qū)域I的網(wǎng)格采用Delaunay三角化方法生成非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，區(qū)域2和到區(qū)域3求解橢圓形方程的方法生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。3、區(qū)域I和區(qū)域2的計(jì)算。初始化參數(shù)為靜壓和速度均直接賦值為O。調(diào)取區(qū)域I和區(qū)域2的網(wǎng)格，給定地面、隧道入口端墻為無滑移壁面條件，列車為移動(dòng)壁面條件，區(qū)域I和區(qū)域2連接的公共面設(shè)置為內(nèi)部邊界條件，區(qū)域2的出口設(shè)置壓力出口條件。然后采用非定常雷諾平均N-S方程和k- s湍流模型方程數(shù)值求解；計(jì)算過程中，區(qū)域I的網(wǎng)格包含了列車，而計(jì)算的每一時(shí)間步，列車都要前進(jìn)一段距離(列車速度乘以計(jì)算時(shí)間步長)，這樣，列車和隧道的相對(duì)位置發(fā)生了變化，每ー個(gè)時(shí)間步后都需要都要重新自動(dòng)生成網(wǎng)格，再進(jìn)行計(jì)算(而區(qū)域2的網(wǎng)格不包含列車，網(wǎng)格不變)。如此類推，直到指定位置的壓カ大于IOPa(閾值)時(shí)，該步網(wǎng)絡(luò)計(jì)算結(jié)束，進(jìn)行下一步的網(wǎng)格計(jì)算。4、區(qū)域2和區(qū)域3的計(jì)算。由于沒有包含列車的網(wǎng)格，不需要重新生成網(wǎng)格。區(qū)域2的出口和區(qū)域3的入口設(shè)置為內(nèi)部邊界條件，區(qū)域2的入口設(shè)置壓力入口條件，區(qū)域3的出口設(shè)置壓力出口條件，求解非定常雷諾平均N-S方程和k-=湍流模型方程數(shù)值。直到指定微壓波最后面的監(jiān)控位置的壓カ小于O. OPa(閾值)吋，微圧波已經(jīng)完全傳播到監(jiān)控位
置。計(jì)算結(jié)束。5、預(yù)測(cè)結(jié)果輸出。輸出監(jiān)控點(diǎn)的壓カ變化，也就是微壓波數(shù)據(jù)。對(duì)于離隧道出ロ 10米和20米處的微壓波，表I給出了實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果與本文區(qū)域分解算法計(jì)算結(jié)果的比較，圖7、8給出了微氣壓波的波形比較圖。表I隧道出口微氣壓波幅值比較
權(quán)利要求
1.ー種高速列車通過長大隧道時(shí)隧道出ロ微壓波的預(yù)測(cè)方法，所述預(yù)測(cè)方法的步驟包括分區(qū)、網(wǎng)格生成、網(wǎng)格計(jì)算和預(yù)測(cè)結(jié)果輸出；其特征在于所述分區(qū)是依據(jù)微壓波的形成原理，將計(jì)算區(qū)域劃分成區(qū)域I到區(qū)域η共η個(gè)區(qū)域，所述各區(qū)域的劃分方法 (1)所述區(qū)域I的設(shè)置長度為隧道入口前的200-350米，加上隧道入口后的150-300米；隧道入口前的寬度為80-120米，高度50-60米；隧道入口后的隧道外形和真實(shí)隧道外形相同；區(qū)域I在隧道軸向中心線垂直面上的截面呈階梯矩形；區(qū)域I內(nèi)采用Delaunay三角化方法生成非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；該區(qū)域主要用于計(jì)算壓縮波的形成； (2)所述區(qū)域η的設(shè)置長度為隧道出口前的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實(shí)隧道外形相同；隧道出口后的寬度為80-120米,高度為50-60米；區(qū)域η在隧道軸向中心線垂直面上的截面呈階梯矩形；區(qū)域η采用求解橢圓形方程的方法生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；該區(qū)域主要用于計(jì)算微壓波的形成和傳播； (3)所述區(qū)域2到區(qū)域η-l的設(shè)置長度按照1-2公里的公倍數(shù)平分；截面幾何外形和真實(shí)隧道橫截面尺寸相同；區(qū)域2到區(qū)域η-l在隧道軸向中心線垂直面上的截面呈矩形；區(qū)域2到區(qū)域η-l采用求解橢圓形方程的方法生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；這些區(qū)域主要用于計(jì)算壓縮波的傳播； 在區(qū)域2至區(qū)域η-l的每個(gè)區(qū)域的指定位置，設(shè)置ー個(gè)確定的壓カ值，這個(gè)確定的壓力值為判斷壓縮波是否全部傳入該區(qū)域的閾值； 在區(qū)域η的指定位置，設(shè)置ー個(gè)確定的壓カ值，這個(gè)確定的壓カ值為判斷微壓波是否全部傳入隧道出ロ區(qū)域η微壓波記錄位置的閾值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的預(yù)測(cè)方法，其特征在于所述網(wǎng)格計(jì)算是在η個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行η-l個(gè)步驟的網(wǎng)格計(jì)算，每個(gè)步驟的網(wǎng)格計(jì)算都是取相鄰兩區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，在第I個(gè)步驟的網(wǎng)格計(jì)算結(jié)束后，按照區(qū)域編號(hào)序號(hào)遞增的方式増加ー個(gè)新區(qū)域，同時(shí)放棄ー個(gè)最小編號(hào)的舊區(qū)域，然后進(jìn)行下一個(gè)步驟的相鄰兩區(qū)域的網(wǎng)格計(jì)算；即第I步驟的網(wǎng)格計(jì)算是取相鄰的區(qū)域I的網(wǎng)格和區(qū)域2的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)計(jì)算中獲得區(qū)域2的指定位置的壓力值不小于閾值吋，“壓縮波是否全部進(jìn)入?yún)^(qū)域2”的判斷結(jié)果為“是”，此時(shí)，停止第I步驟的網(wǎng)格計(jì)算，在遞增區(qū)域3的同時(shí)放棄區(qū)域1，對(duì)區(qū)域2和區(qū)域3的網(wǎng)格進(jìn)行第2步驟的網(wǎng)格計(jì)算，如此類推到η-l步驟的網(wǎng)格計(jì)算；當(dāng)“微壓波是否完整傳播到記錄位置”的判斷結(jié)果為“是”時(shí)，網(wǎng)格計(jì)算結(jié)束，進(jìn)入預(yù)測(cè)結(jié)果輸出，預(yù)測(cè)結(jié)束；在每個(gè)步驟的網(wǎng)格計(jì)算中，當(dāng)類似于“壓縮波是否全部進(jìn)入?yún)^(qū)域2 “的判斷結(jié)果為”否“時(shí)，本步驟的網(wǎng)格計(jì)算進(jìn)入局部循環(huán)計(jì)算，直到判斷為“是”為止。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的預(yù)測(cè)方法，其特征在于所述網(wǎng)格計(jì)算的邊界設(shè)置和計(jì)算方法，根據(jù)網(wǎng)格所處位置采用不同的方式 (I)第I步驟的網(wǎng)格計(jì)算的具體做法是調(diào)取區(qū)域I和區(qū)域2的網(wǎng)格，初始化參數(shù)為靜壓為0，速度為O;邊界條件給定地面、隧道整個(gè)壁面為無滑移壁面條件，列車為移動(dòng)壁面條件，速度為列車通過該隧道的行駛速度，區(qū)域I和區(qū)域2連接的公共面設(shè)置為內(nèi)部邊界條件；采用非定常雷諾平均N-S方程和k-ε湍流模型方程數(shù)值求解進(jìn)行網(wǎng)格計(jì)算；計(jì)算中以時(shí)間為步長，在非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的區(qū)域I的網(wǎng)格內(nèi)始終包含了運(yùn)動(dòng)的列車，每完成一個(gè)步長的計(jì)算，列車在區(qū)域I內(nèi)前進(jìn)ー個(gè)時(shí)間步長乘以速度的距離，列車在區(qū)域I中相對(duì)于隧道的位置發(fā)生變化，因此，區(qū)域I的網(wǎng)格需要每時(shí)間步重新生成一次；在結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的區(qū)域2內(nèi)始終不包括列車，網(wǎng)格始終保持不變；當(dāng)計(jì)算中獲得區(qū)域2指定位置的壓カ大于閾值時(shí)，第I步驟的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算結(jié)束； (2)其他步驟的網(wǎng)格計(jì)算的具體做法是在區(qū)域2到區(qū)域η的網(wǎng)格中，始終不包含列車，它們的網(wǎng)格在計(jì)算中始終不變，均一致采用非定常雷諾平均N-S方程和k-湍流模型方程進(jìn)行數(shù)值求解；在第2步驟的網(wǎng)格計(jì)算中，取區(qū)域2和區(qū)域3網(wǎng)格，區(qū)域2的出口和區(qū)域3的入口設(shè)置為內(nèi)部邊界條件，區(qū)域2的入口設(shè)置壓力入口條件，區(qū)域3的出口設(shè)置壓力出ロ?xiàng)l件，以第I步驟計(jì)算獲得的區(qū)域2的數(shù)據(jù)為本步驟的區(qū)域2的初始條件被代入，區(qū)域3的初始條件為O ;給定地面、隧道整個(gè)壁面為無滑移壁面條件，計(jì)算中以時(shí)間為步長，當(dāng)計(jì)算中獲得區(qū)域3指定位置的壓カ大于閾值時(shí)，第2步驟的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算結(jié)束；如此類推，直到第η-l步驟的計(jì)算完成。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的預(yù)測(cè)方法，其特征在于所述預(yù)測(cè)結(jié)果輸出為隧道出ロ10米、20米和50米等監(jiān)控點(diǎn)的微壓波的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的預(yù)測(cè)方法，其特征在干所述預(yù)測(cè)結(jié)果輸出為隧道出口10米、20米和50米等監(jiān)控點(diǎn)的微壓波的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高速列車通過長大隧道時(shí)隧道出口微壓波的預(yù)測(cè)方法，所述預(yù)測(cè)方法的步驟包括分區(qū)、網(wǎng)格生成、網(wǎng)格計(jì)算和預(yù)測(cè)結(jié)果輸出；依據(jù)微壓波的形成原理，劃分出區(qū)域1到區(qū)域n共n個(gè)區(qū)域，區(qū)域1采用Delaunay三角化方法生成非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，用于計(jì)算壓縮波的形成；區(qū)域2到區(qū)域n-1采用求解橢圓形方程的方法生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，用于計(jì)算壓縮波的傳播；區(qū)域n采用求解橢圓形方程的方法生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，用于計(jì)算微壓波的形成和傳播；在區(qū)域2至區(qū)域n-1的各區(qū)域的指定位置，設(shè)置一個(gè)用于計(jì)算判斷壓縮波是否全部傳入該區(qū)域的壓力閾值；在區(qū)域n的指定位置，設(shè)置一個(gè)用于計(jì)算判斷微壓波是否全部傳入隧道出口區(qū)域n的壓力閾值。
文檔編號(hào)G06F19/00GK102722661SQ201210231810
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月5日
發(fā)明者周丹, 張雷, 李志偉, 李燕飛, 楊明智, 梁習(xí)鋒, 王中鋼, 田紅旗, 許平 申請(qǐng)人:中南大學(xué)