同心情况下列车通过隧道的空气阻力计算 (1991年)

### 同心情况下列车通过隧道的空气阻力计算 #### 概述 本文研究了列车通过圆形隧道时的空气阻力问题，特别关注了列车位于隧道中心的情况。基于具有运动内核的环形槽道的平行科特（Couette）紊流理论，文章提出了一种较为简单且准确的数学模型，用于计算列车在圆形隧道内的空气阻力。 #### 科特流理论背景 科特流是指两层流体之间或流体与固体之间因相对运动产生的流体动力学现象。当一个流体层相对于另一个流体层或固体移动时，会形成一种特殊的流动模式。这种流动模式在工程领域有着广泛的应用，尤其是在研究管道内部流动时。本文中的科特流理论指的是列车与隧道壁之间形成的流动模式，特别是在列车高速通过隧道时，这种流动对于理解空气阻力至关重要。 #### 数学模型 文章提出的数学模型主要基于以下假设： - 将列车视为一个连续的圆形柱塞体。 - 隧道被简化为一个圆柱面。 - 列车在隧道中的运动被视为同心圆柱面间的相对运动。 ##### 连续性方程 - **基本原理**：考虑到列车通过隧道时，其前后端与隧道壁之间的空隙，列车的运动会导致空气体积的变化。为了保持连续性，这部分空气必须得到补充，可以通过列车尾部形成的负压吸入或通过环形空间流向列车尾部。 - **方程表达**：文章中给出了一个简单的连续性方程表达式，即$JAO = V.A + Q$，其中$V.A$表示列车尾部形成的负压吸入的活塞风量，$Q$表示通过环形空间流向列车尾部的缝隙流量。 ##### 摩擦阻力 - **定义**：列车壁面的摩擦阻力是由列车与隧道缝隙之间的Couette流的作用产生的。 - **数学模型**：为了求解列车壁面的摩擦阻力，文章建立了基于Couette流的数学模型，并考虑了三种不同的流场情况（A型、B型及临界型），每种情况下都给出了相应的流速分布和切应力分布。 - **A型流场**：在这种情况下，流速分布有一个极点，切应力为负值。 - **B型流场**：流速分布有一个拐点，切应力为负值。 - **临界型流场**：流速分布有一个极点，切应力为零。 #### 结论 本文通过对列车通过隧道时空气阻力的计算，提供了一个较为简单且准确的方法。通过引入科特流理论，作者建立了一个能够较好地模拟实际列车通过隧道时空气阻力变化的数学模型。该模型考虑了列车壁面与隧道壁之间的摩擦阻力，以及列车运行过程中空气流动的特点。这对于高速铁路的设计和优化具有重要意义，有助于减少空气阻力对列车运行的影响，提高列车运行效率和舒适度。 本文的研究成果为高速铁路领域的空气动力学提供了重要的参考价值，有助于进一步提高列车的设计水平和技术性能。