基于动力学相似的地铁隧道模型试验台及其测试方法与流程

本发明属于地铁隧道实验台技术领域，涉及一种基于动力学相似的地铁隧道模型试验台及其测试方法。

背景技术

随着我国国民经济的迅速发展以及城市化进程的加快，传统的陆上交通已无法满足日益增长的客运量，地下铁道列车作为一种新形式的交通方式，以其载客量大、快速准点、能耗低、污染小等特点使其成为了城市交通运输的主力军。

地铁列车在隧道区间内行驶时，由于隧道边壁对空气流动的束缚，被挤压的空气一部分以压缩波的形式沿列车前进方向继续向前流动，另一部分则会通过列车与隧道之间的环形区域向后方流动。这种现象称为活塞风效应。活塞风速是地铁设计时需参考的重要参数之一，它对隧道内空气的流动特性以及空气品质有着重要的影响；地铁部门为充分利用隧道的广告效应选择在隧道内布置广告牌，而在活塞风的作用下广告牌会出现掉落和变形，这样会对地铁的行车安全带来巨大影响，所以有必要对活塞风压做进一步研究。

随着地铁的深入普及，以及乘客对乘车环境和乘车安全的要求越来越高，对于地铁隧道活塞风的研究逐渐成为了地铁设计部门研究的重中之重。活塞风不仅决定了隧道和地铁站台的空气质量，而且在活塞风交变载荷的作用下，广告牌和安全门极易脱落，从而造成车毁人亡的惨剧。所以目前有很多学者针对活塞风进行研究。在研发过程中对其直接进行实验，成本极高且实验周期大大延长。这就需要研究相应的模型实验方法以降低实验成本，降低实验难度。目前的隧道实验装置多为测量活塞风速，隧道顶部和列车周围风压特性，而实际上设计出可模拟不同工况下，活塞风对隧道边壁的压力变化特性及风速变化特性是十分必要的。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出了对地铁隧道活塞风风速、风压等参数测量装置，可在同一实验台上同时模拟出隧道内活塞风风速、风压的数值，可更加真实地描述出隧道内活塞风流动特性，以使设计人员能更好地防止地铁活塞风对隧道内安全门、广告牌的结构破坏以及为维护人员对隧道内安全门、广告牌等设施的维护和维修提供更为合理、简便的方法。

本发明的技术方案：

一种基于动力学相似的地铁隧道模型试验台，包括隧道模块、驱动模块、测量模块和支撑模块；多个隧道模块顺次连接，固定在支撑模块上；驱动模块固定在支撑模块上，位于隧道模块的内部；所述的测量模块安装在隧道模块的外壁；

所述的支撑模块，包括支撑地基板、支撑横梁、支撑平板和深沟球轴承；所述的支撑地基板固定在底面上；所述的支撑横梁为z字形结构，两个支撑横梁对应固定在支撑地基板上，支撑横梁的两端设有深沟球轴承；所述的支撑平板固定在支撑横梁上；

所述的驱动模块，包括带轮a、主动轴、联轴器、驱动电机、同步带、从动轴和带轮b；所述的驱动电机固定在支撑横梁的一端；所述的从动轴通过深沟球轴承固定在支撑横梁的另一端，从动轴通过键与带轮b配合；驱动电机带动主动轴转动，从而带动带轮a和带轮b转动；所述的同步带通过螺钉与列车模型底部的中间位置固接，同步带在带轮a和带轮b的带动下运动，从而带动列车模型直线运动。

所述的隧道模块，包括光轴、列车模型、滑块和隧道边壁模型；所述的光轴固定在支撑平板上，滑块与光轴相配合，列车模型底部的两侧位置与滑块的上端通过螺钉固接，通过螺钉的联结滑块与列车模型可看成一个整体，列车模型便可通过滑块在光轴上进行滑动；所述的隧道边壁模型为底面开口的筒型结构，罩在光轴、列车模型和滑块上，隧道边壁模型固定在支撑平板上，多个隧道边壁模型顺次相连，组成长度可调的隧道模块；所述的隧道边壁模型侧壁和顶壁上有开孔；

所述的测量模块，包括光电开关a、微差压传感器a、风速变送器a、风速变送器b、微差压传感器b和光电开关b；所述的微差压传感器a和微差压传感器b固定在两个隧道边壁模型侧壁的开孔上，微差压传感器a和微差压传感器b上设有两个接头；隧道边壁模型内的活塞风通过导管引出，与微差压传感器a和微差压传感器b的一个接头相连，进行风压测量；微差压传感器a和微差压传感器b的另一个接头通过导管与大气相通；微差压传感器a和微差压传感器b记录的数据实时与测试仪器进行传送；所述的风速变送器a和风速变送器b分别固定在两个隧道边壁模型侧壁的开孔上，位于微差压传感器a和微差压传感器b旁；所述的光电开关a和光电开关b分别固定在两个隧道边壁模型顶壁的开孔上。

一种基于动力学相似的地铁隧道模型试验台的测试方法，具体步骤如下：

步骤一：选定列车行车系统，记录下原型隧道和列车的参数；

步骤二：通过原型列车系统的参数，确定实验用的列车模型系统参数；

步骤二中所述的根据动力学相似原理，通过原型列车系统的参数，确定实验用的列车模型系统参数，具体包括以下步骤：

1)确定实验台隧道、列车的几何尺寸参数

为了讨论方便，将模型列车看成一规则的长方体，隧道看成一空心长方体，结合原型隧和列车的相关参数，确定地铁隧道模型和列车模型与原型之间的相似比，几何尺寸相似比如下：

λ1l＝l1m/l1p

λ1d＝d1m/d1p

λ1h＝h1m/h1p

其中λ1l为隧道长度相似比，l1m为模型隧道长度，l1p为原型隧道长度；λ1d为隧道长度相似比，d1m为模型隧道长度，d1p为原型隧道长度；λ1h为隧道长度相似比，h1m为模型隧道长度，h1p为原型隧道长度。

λ2l＝l2m/l2p

λ2d＝d2m/d2p

λ2h＝h2m/h2p

其中λ2l为列车长度相似比，l2m为模型列车长度，l2p为原型列车长度；λ2d为列车长度相似比，d2m为模型列车长度，d2p为原型列车长度；λ2h为列车长度相似比，h2m为模型列车长度，h2p为原型列车长度。

2)确定实验台隧道的沿程阻力系数

地铁隧道模型与原型之间的沿程阻力系数相似比如下：

λλ1＝λ1m/λ1p

λ1m、λ1p分别为隧道模型、隧道原型内沿程阻力系数，λλ1为隧道内沿程阻力系数相似比

步骤三：按照步骤二中确定的列车模型系统的参数，制造加工实验用的列车模型；

步骤四：对已加工好的列车模型的系统进行测试，包括隧道边壁风压测试、隧道边壁活塞风风速测试和模型列车在隧道内运行速度测试；

在驱动电机的带动下，带轮带动同步带运转，列车模型以指定速度随着同步带在隧道模块内做直线运动；

1)活塞风对隧道边壁风压测试

微差压传感器a布置在待测压力点a处距地面高120mm和200mm处，微差压传感器b布置在待测压力点b处距地面高120mm和200mm处，活塞风通过隧道边壁上的开孔经导管传送至微差压传感器的正极，微差压传感器的负极通过导管与大气相接通；微差压传感器实时与测试系统相连，记录模型隧道待测点的实时风压数值；

2)隧道边壁处活塞风风速测试

风速变送器a和风速变送器b通过隧道边壁模型的开孔，深入到隧道模块中，固定在隧道边壁模型边壁上；活塞风通过风速变送器a和风速变送器b的风速采集口进入到风速变送器内部，并对风速进行测量；

3)模型列车在隧道内运行速度测试

光电开关a和光电开关b从隧道上方深入到模型隧道中，固定在隧道顶部；通过测量列车模型通过两个相邻光电开关的时间，计算模型列车的实时速度；

通过传感器与测试系统相连，测试系统实时将数据传送给计算机，通过计算机对采集的数据进行处理，最终得到模型隧道内待测压力点的风压大小以及活塞风风速，同时也可测量出此时模型列车的车速大小；

步骤五：通过对模型转子系统进行活塞风风速、风压测试所得的测试结果，预测原型转子系统的动力学特性。

本发明的有益效果：

本发明为一种地铁隧道活塞风风速风压测量模型实验台，采用全新的设计方案，补充现有实验台测量地铁隧道活塞风对隧道边壁压力，风速测试内容的空缺，采用伺服电机带动带轮运转，皮带轮带动列车模型在隧道模型内行驶，测量活塞风在隧道边壁处的风速大小以及活塞风对隧道边壁的压力，为了更好地使模型可以反映真实隧道的流体特性且使整体隧道模型更紧凑，将隧道和地铁列车的宽和高采用与原型1:25的比例设计，隧道和地铁列车的长度采用与原型1:100的比例设计，此设计满足动力学相似理论，隧道模型可精确地反映实际隧道内活塞风风速和风压特性。参考实际地铁隧道和列车模型的相关数据，通过模拟实验台进行试验以预测原型隧道内活塞风对隧道边壁风速风压的数据，具有十分重要的工程价值。

本发明不但能够满足活塞风在边壁处风速、风压的测试，还能测得指定位置列车车速的大小；可根据具体的场地、环境变化，均可进行参数变换使其满足相似条件；在结合动力学相似理论后，对动力学相似模型地铁行车系统进行测试，来预测原型地铁行车系统的活塞风气流特性和流动规律，降低实验成本，缩短实验周期。

附图说明

图1为本发明实验台的整体结构示意图。

图2为本发明实验台隧道模块示意图。

图3为本发明实验台驱动模块示意图。

图4为本发明实验台测量模块示意图。

图5为本发明测量模块的局部放大示意图。

图6为本发明实验台支撑模块示意图。

图7为列车未到达a点时的示意图。

图8为列车车头到达a点时的示意图。

图9为列车经过a点时的示意图。

图10为列车车尾到达a点时的示意图。

图11为列车驶离a点时的示意图。

图中：1隧道模块；2驱动模块；3测量模块；4支撑模块；

101光轴；102列车模型；103滑块；104隧道边壁模型；201带轮a；202主动轴；203联轴器；204驱动电机；205同步带；206从动轴；207带轮b；301光电开关a；302微差压传感器a；303风速变送器a；304风速变送器b；305微差压传感器b；306光电开关b；401支撑地基板；402支撑横梁；403支撑平板；404深沟球轴承。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，为整体的地铁隧道活塞风风速、风压测量模型实验台，支撑模块4用来支撑和安装隧道模块1、驱动模块2和测量模块3。

如图2所示的试验台隧道模块1用以使模拟列车在隧道内匀速运行，两个隧道边壁模型104通过螺栓可连接成一任意长度的隧道模型，对称分布在隧道边壁模型内的两根光轴101起导向和支撑的作用，列车模型102通过螺钉固定在滑块103上，在同步带205的带动下，滑块103在光轴101上进行直线运动。

如图3所示的驱动模块4，所述的驱动电机204通过螺钉安装在支撑横梁402上，主动轴202与驱动电机204通过联轴器203相连，主动轴202与带轮a201通过键配合，驱动电机204启动之后主动轴202带动带轮a201和带轮b207旋转，带轮b207与从动轴206之间也通过键进行配合，同步带205在带轮a201和带轮b205的带动下进行运动，同步带205通过螺钉与列车模型102连接在一起，从而带动列车模型102也开始运行。

如图4所示的测量模块3，在隧道边壁模型104上开孔，利用导管将活塞风引出至微差压传感器a302、微差压传感器b305的其中一接头处进行风压测量，另一接头通过导管与大气相连，安装法兰将微差压传感器固定在隧道模型边壁上，微差压传感器记录的数据时时与测试仪器进行传送。在隧道边壁的上方位置开孔，插入风速变送器a303、风速变送器b304，并使用安装法兰使之固定在隧道模型边壁上，在隧道顶部指定位置开孔，并进行光电开关a301、光电开关b306的安装。

如图5为测量模块3的局部放大图。

如图6所示的支撑模块4，支撑地基板401与地面固定，支撑横梁402与支撑地基板401通过螺钉相连，支撑平板403使用螺钉安装在支撑横梁402上，支撑平板403上安装隧道模块1，主动轴202和从动轴207通过深沟球轴承404安装在支撑横梁402上。

上述地铁隧道活塞风风速风压测量模型实验台的工作原理如下：

1)列车运行：驱动电机通电，通过输出轴产生高速旋转运动及扭矩，驱动电机与主动轴通过联轴器相连，主动轴与带轮通过键进行配合，在键的带动下带轮高速旋转，同步带在带轮的带动下进行运动，列车模型与同步带连接在一起，列车模型在同步带的带动下，在模型隧道内沿光轴导轨直线运动。

2)测量模块的使用：在列车未开始运行时，打开微差压传感器和风速变送器的开关，并全部清零；列车运行过程中，传感器与测试系统相连以记录时时数据。

一种基于动力学相似的地铁隧道模型试验台的测试方法，具体步骤如下：

步骤一：选定列车行车系统，同时记录下原型隧道和列车的参数；

步骤二：根据动力学相似原理，通过原型列车系统的参数，确定实验用的列车模型系统参数；

1)选定模型的几何尺寸参数

为确保在尺寸减小的模型试验中各种材料和原型材料的性状相似，试验测定的数据有明确的对应原型，原型和模型之间必须有一套相适应的比例缩放关系；因此，相似比的设计是整个模型试验中的一个关键环节。为方便设计，将地铁隧道简化为一长直隧道，结合原型地铁行车系统的尺寸和模型试验台的空间，以及模型列车最佳的行车速度，确定原型系统与模型系统的各参数相似比，其中参数关系如下：

隧道和列车宽和高为实际隧道1:25缩放得到，模型隧道阻塞比α与实际隧道阻塞比相同，所以αp＝αm，故ε1p＝ε1m；隧道和列车长为实际隧道1:100缩放得到。因实际隧道与模型隧道内均为空气所以ρ1p＝ρ1m。其中αp、αm分别为原型隧道和模型隧道的阻塞比；ε1p、ε1m分别为原型和模型中气流从列车前方隧道进入到环状区域的进口局部阻力系数；ρ1p、ρ1m分别为原型隧道和模型隧道内的空气密度。

假设a点为隧道段内等比例缩放至模型隧道内的一点，设a点的压力值为pa，现分析隧道内a点压力与模型隧道内a点压力的关系；

将地铁隧道进行简化设计出如图7所示的示意图，其中4-4和1-1断面为隧道出入口，2-2和3-3断面为列车车尾和车头断面，a-a断面为所求压力点截断面，建立隧道各截面的伯努利方程和流动性方程可得：

其中，p1为隧道入口出压力，p4为隧道出口处压力，因出入口均连通大气所以p1＝p4＝0；p2为列车车尾处压力，p3为列车车头处压力；λ为隧道沿程阻力系数，d为隧道水力直径，d0为列车与隧道环状区域水力直径；lij、l0分别为断面i-i至断面j-j的距离、列车长度；ε1、ε2分别为气流从列车前方隧道进入到环状区域的进口局部阻力系数和气流从环状区域进入到列车后方隧道的出口局部阻力系数；其中ξ1＝(1-α)²，α为列车阻塞比；

根据相似常数λ的定义，假定模型和原型有以下关系：

其中，pm、pp分别为隧道模型、隧道原型待测点的压力大小，λp为压力相似比；ε1m、ε1p分别为隧道模型、隧道原型入口局部损失系数，λ1ε为入口局部损失系数相似比；ε2m、ε2p分别为隧道模型、隧道原型出口局部损失系数，λ2ε为出口局部损失系数相似比；ρm、ρp分别为隧道模型、隧道原型内空气密度，λρ为隧道内空气密度相似比；λ1m、λ1p分别为隧道模型、隧道原型内沿程阻力系数，λλ1为隧道内沿程阻力系数相似比；dm、dp分别为隧道模型、隧道原型的隧道水力直径，λd为隧道水力直径相似比；vm、vp分别列车为隧道模型、隧道原型的行驶的车速大小，λv为车速相似比；

实际隧道的隧道表面粗糙度为：0.00025～0.0007m，此次设计取0.0005；隧道原型的沿程阻力系数为λp＝0.013；本次模型设计隧道水力直径d为0.0221m，隧道表面摩擦系数取0.0026；；隧道原型的沿程阻力系数为λm＝0.052。

所以，本次设计中λm：λp＝4:1；

2)隧道压力待测点相似验证

a-a断面，为所求位置的压力值，现可将位置a分各为5个阶段(列车未到达a处、列车车头到达a处、列车经过a处、列车车尾到达a处和列车驶离a处)并分别进行求解，分析模型断面a-a处压力值与实际隧道a-a处压力值的关系：

①列车未到达a处

此工况如图7所示，建立隧道断面之间的伯努利方程：

②列车到达a处

此工况如图8所示，建立隧道断面之间的伯努利方程：

③列车经过a点时

此工况如图9所示，建立隧道各断面之间的伯努利方程：

所以：

其中vs为气流通过列车环状区域与隧道之间的风速

④列车车尾到达a点时

此工况如图10所示，建立隧道断面之间的伯努利方程：

⑤列车驶离a点时

此工况如图11所示，建立隧道断面之间的伯努利方程：

综上所述，当位置a分别处于5个不同阶段时，根据动力学相似理论可得

3)隧道待测点活塞风风速相似验证

根据式(18)变形可得式(26)，可知隧道内车速与活塞风风速之间的关系；其中相识关系如上文一致，其中v0为隧道内活塞风风速；

所以建立隧道内模型活塞风风速与原型隧道内活塞风风速相似比可得式(27)：

所以，原型隧道与模型隧道的活塞风风速相似比与列车速度相似比相同；

步骤三：按照步骤二中确定的列车模型系统的参数，制造加工实验用的列车模型；

步骤四：对已加工好的列车模型的系统进行测试，包括隧道边壁处风压测试、隧道边壁活塞风风速测试和列车车速测试；

在驱动电机的带动下，带轮带动同步带运转，列车模型以指定速度随着同步带在隧道模块内做直线运动；

2)活塞风对隧道边壁风压测试

微差压传感器a302布置在待测压力点a处距地面高120mm和200mm处，微差压传感器b305布置在待测压力点b处距地面高120mm和200mm处，活塞风通过隧道边壁上的开孔经导管传送至微差压传感器的正极，微差压传感器的负极通过导管与大气相接通；微差压传感器实时与测试系统相连，记录模型隧道待测点的实时风压数值；

2)隧道边壁处活塞风风速测试

风速变送器a303和风速变送器b304通过隧道边壁模型104的开孔，深入到隧道模块1中，用安装法兰固定在隧道边壁模型104边壁上；活塞风通过风速变送器a303和风速变送器b304的风速采集口进入到风速变送器内部，并对风速进行测量；

3)模型列车在隧道内运行速度测试

光电开关a301和光电开关b306通过安装法兰从隧道上方深入到模型隧道中，通过螺钉固定在隧道顶部；通过测量列车模型通过两个相邻光电开关的时间，计算模型列车的实时速度；

通过传感器与测试系统相连，测试系统实时将数据传送给计算机，通过计算机对采集的数据进行处理，最终得到模型隧道内待测压力点的风压大小以及活塞风风速，同时也可测量出此时模型列车的车速大小；

步骤五：通过对模型转子系统进行活塞风风速、风压测试所得的测试结果，预测原型转子系统的动力学特性。