تحلیل و مدل‌سازی موج فشاری ایجاد شده در ورود قطار تندرو به تونل

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی راه‌آهن، دانشگاه علم و صنعت،تهران

2 استادیار، دانشکده مهندسی راه‌آهن، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

چکیده

با ورود قطار تندرو به تونل، یک موج فشاری در جلوی قطار به‏وجود می‌آید. همین امر عامل ایجاد پدیده پیستونی در تونل است که تمام جریان هوای درون تونل را تحت تأثیر قرار می‌دهد. این پدیده در بلندمدت باعث مشکلاتی از جمله تخریب لایه‌های دیواره تونل، تهدید امنیت مسافران، تهویه ایستگاه‏های زیرزمینی و حتی در مواردی آسیب به قطار می‌شود. در این پژوهش، این پدیده برای ورود یک قطار از نوع ICE2 به تونل تک­خط مورد بررسی قرار گرفته است. شبیه‌سازی با استفاده از حل عددی در نرم‌افزار محاسبات سیالاتی انسیس فلوئنت، به روش اسلایدینگ مش، به‌صورت سه‌بعدی، تراکم­ناپذیر و مغشوش انجام شده است. برای اطمینان از روش عددی، سرعت جریان درون تونل با یک تست تجربی صحت­سنجی شده است. شبیه‌سازی‌ها برای قطار با سرعت‌های 60، 80 و 100 متر بر ثانیه انجام شده است. نتایج کلی نشان از آن دارد که هر چه سرعت قطار افزایش داده شود، در نتیجه آن، دامنه فشار و سرعت موج هوایی تولید شده افزایش می‌یابد. در نهایت، میزان استحکام شیشه روبروی قطار در مقابل حداکثر موج هوای ایجاد شده مورد مطالعه قرار گرفته و محدوده­ی مجاز سرعت قطار در ورود به تونل قابل برداشت است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Analysis and Modeling of Pressure Wave at the Entrance of the High-Speed Train to Tunnel

نویسندگان [English]

  • Mehrdad Jafari 1
  • mohammad Reza Talaee 2
1 MSc. Student, School of Railway Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, I. R. Iran.
2 Assistant Professor, School of Railway Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, I. R. Iran.
چکیده [English]

When a high-speed train enters into a tunnel, a pressure wave will be created. This leads to piston phenomenon in the tunnel, which affects all air currents in the tunnel. This phenomenon may lead to some problems in the long time like destruction of tunnel wall layers, safety of the passengers, ventilation of the subway stations and disturbing train balance. In this research, this phenomenon was investigated for entering of an ICE2 train to a single-line tunnel. Simulation is performed by using numerical solution in ANSYS Fluent CFD software considering sliding mesh, three-dimensional, incompressible and turbulent flow. The numerical method has been validated with an experimental test for the flow speed in the tunnel. Simulations have been done for 60, 80 and 100 m/s train speeds. Overal results showed that with increasing the train speed, the pressure domain and aerial wave speed will increase too. Finally, the strength of train’s front glass against maximum air wave has been studied and permissible train-speed range for entering the tunnel has been obtained.

کلیدواژه‌ها [English]

  • High-speed train
  • Piston effect
  • Compressive and expansion pressure waves
  • Incompressible flow
  • Sliding mesh

مراجع

Axelsson, N., Ramnefors, M. and Gustafsson, R. 1998. “Accuracy in computational aerodynamics part 1: Stagnation pressure”. SAE Technical Paper 980037, https://doi.org/10.4271/980037.
            Baron, A., Mossi, M. and Sibilla, S. 2001. “The alleviation of the aerodynamic drag and wave effects of high-speed trains in very long tunnels”. J. Wind Eng. Ind. Aerod., 89(5): 365-401.
            Bellenoue, M., Auvity, B. and Kageyama, T. 2001. “Blind hood effects on the compression wave generated by a train entering a tunnel”. Exp. Ther. Fluid Sci., 25(6): 397-407.
            Biadgo, A. M., Simonović, A., Svorcan, J. and Stupar, S. 2014. “Aerodynamic characteristics of high speed train under turbulent cross winds: A numerical investigation using unsteady-RANS method”. FME Trans., 42(1): 10-18.
            Blocken, B. 2010. “CFD in bulding engineering: Fundamentals and applications in urban physics and wind engineering”. Eindhoven University of Technology.
            Brockie, N. and Baker, C. 1990. “The aerodynamic drag of high speed trains”. J. Wind Eng. Ind. Aerod., 34(3): 273-290.
            Chen, X. D., Liu, T. H., Zhou, X. S., Li, W. H., Xie, T. Z. and Chen, Z. W. 2017. “Analysis of the aerodynamic effects of different nose lengths on two trains intersecting in a tunnel at 350 km/h”. Tunn. Undergr. Sp. Tech., 66: 77-90.
            Chu, C. R., Chien, S. Y., Wang, C. Y. and Wu, T. R. 2014. “Numerical simulation of two trains intersecting in a tunnel”. Tunn. Undergr. Sp. Tech., 42: 161-174.
            Fluent, A. 2009a. “12.0 Theory guide”. Ansys Inc., 5.
            Fluent, A. 2009b. “12.0 User’s guide”. Ansys Inc.
            Franke, J., Hellsten, A., Schlünzen, H. and Carissimo, B. 2007. “Best practice guideline for the CFD simulation of flows in the urban environment. Cost action 732: Quality assurance and improvement of microscale meteorological models”. University of Hamburg, Germany.
            Franke, J., Hirsch, C., Jensen, A. G., Krüs, H. W., Schatzmann, M., Westbury, P., Miles, S. D., Wisse, J. A. and Wright, N. G. 2004. “Recommendations on the use of CFD in wind engineering”. Cost action C, 11 p.
            Gilbert, T., Baker, C., Quinn, A. and Sterling, M. 2012. “Aerodynamics of high-speed trains in confined spaces”. Proc. of the 7th International Colloquium on Bluff Body Aerodynamics and Applications.
            Ido, A., Iida, M. and Maeda, T. 1993. “Wind tunnel tests for nose and tail of train”. RTRI JNR, 7(7).
            Khayrullina, A., Blocken, B., Janssen, W. and Straathof, J. 2015. “CFD simulation of train aerodynamics: Train-induced wind conditions at an underground railroad passenger platform”. J. Wind Eng. Ind. Aerod., 139: 100-110.
            Khier, W., Breuer, M. and Durst, F. 2000. “Flow structure around trains under side wind conditions: A numerical study”. Comp. Fluids, 29(2): 179-195.
            Ko, Y. Y., Chen, C. H., Hoe, T. and Wang, S. T. 2012. “Field measurements of aerodynamic pressures in tunnels induced by high speed trains”. J. Wind Eng. Ind. Aerod., 100(1): 19-29.
            Krajnović, S. 2008. “Numerical simulation of the flow around an ICE2 train under the influence of a wind gust”. Proc. International Conference on Railway Engineering 2008 (IET ICRE2008), Challenges for Railway Transportation in Information Age, Hong Kong, China, 25-28 March.
            Manhart, M. and Wengle, H. 1993. “A spatiotemporal decomposition of a fully inhomogeneous turbulent flow field”. Theor. Comput. Fluid dyn., 5(4): 223-242.
            Peng, Y., Deck, C., Yang, J. and Willinger, R. 2012. “Modeling and validation of windscreen laminated glass behavior during fracture”. Third International Conference on Digital Manufacturing and Automation (ICDMA).
            Shih, T. H., Liou, W. W., Shabbir, A., Yang, Z. and Zhu, J. 1995. “A new k-ε eddy viscosity model for high reynolds number turbulent flows”. Comp. Fluids, 24(3): 227-238.
            Shin, C. H. and Park, W. G. 2003. “Numerical study of flow characteristics of the high speed train entering into a tunnel”. Mech. Res. Commun., 30(4): 287-296.
            Suzuki, M., Ido, A., Sakuma, Y. and Kajiyama, H. 2008. “Full-scale measurement and numerical simulation of flow around high-speed train in tunnel”. J. Mech. Sys. Transport. Logist., 1(3): 281-292.
            Tominaga, Y., Mochida, A., Yoshie, R., Kataoka, H., Nozu, T., Yoshikawa, M. and Shirasawa, T. 2008. “AIJ guidelines for practical applications of CFD to pedestrian wind environment around buildings”. J. Wind Eng. Ind. Aerod., 96(10): 1749-1761.
            Ugural, A. 1999. “Stresses in plates and shells”. McGraw-Hill.
            Uystepruyst, D., William-Louis, M., Creusé, E., Nicaise, S. and Monnoyer, F. 2011. “Efficient 3D numerical prediction of the pressure wave generated by high-speed trains entering tunnels”. Comp. Fluids, 47(1): 165-177.
            Zhang, J., Li, J. J., Tian, H. Q., Gao, G. J. and Sheridan, J. 2016. “Impact of ground and wheel boundary conditions on numerical simulation of the high-speed train aerodynamic performance”. J. Fluids Struct., 61: 249-261.
                
                
 

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 12 اردیبهشت 1397
  • تاریخ بازنگری: 25 شهریور 1397
  • تاریخ پذیرش: 12 مهر 1397

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار