Моделирование аэродинамического воздействия высокоскоростного поезда на защитный тоннель оболочечного типа

   Исследован режим нагружения мембранной оболочки наземного тоннеля под аэродинамическим воздействием высокоскоростного поезда. Численно решена сопряжённая задача аэродинамики и механики деформируемого твёрдого тела на основе осреднённых по Рейнольдсу уравнений Навье–Стокса и метода конечных элементов. Установлено, что определяющими параметрами нагружения является длина тоннеля и относительный воздушный зазор, контролирующий интенсивность поршневого эффекта. Максимальное воздействие создаёт знакопеременный импульс в области головного обтекателя; хвостовая зона характеризуется развитой турбулентностью и струйно-отрывными течениями. Сравнительный анализ гладкой и гофрированной оболочек, а также усиленного каркаса выявил конструктивное решение, сочетающее аэродинамическую эффективность и устойчивость к боковым нагрузкам. Ресурс при циклическом нагружении оценён по модели накопления повреждений Палмгрена–Майнера и кривым усталости.

   Научная новизна заключается в единой вычислительной методологии, объединяющей аэродинамическое моделирование, прочностной анализ и усталостные оценки применительно к наземным тоннелям оболочечного типа.

   Результаты предназначены для оптимизации геометрических параметров и повышения долговечности защитных сооружений.

1. Воробьев А. А., Каримов Д. Д., Сотников К. А., Богданов Н. В. Управление аэродинамическим взаимодействием высокоскоростного поезда с элементами искусственных сооружений тоннельного типа // Транспорт Российской Федерации. Журнал о науке, практике, экономике. 2024. № 1 (110). С. 62–68. EDN: ZYNJHE.

2. Ким К. К., Крон И. Р., Ватулин Я. С., Ватулина Е. Я. Разработка метода по уменьшению лобового аэродинамического сопротивления капсулы трубопроводного транспорта // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2019. Т. 16, № 2. С. 263–267. doi: 10.20295/1815-588X-2019-2-263-267. EDN: OYZZHC.

3. Novák J. Single train passing through a tunnel. European Conference on Computational Fluid Dynamics (ECCOMAS CFD 2006). Netherlands, 2006. 12 p.

4. Sterling M., Baker C. J., Jordon S. C., Johnson T. A study of the slipstreams of high-speed passenger trains and freight trains. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. 2008;222(2):177–193. doi: 10.1243/0954409-7jrrt133.

5. Martínez A., Vega E., Gaite J., Meseguer J. Pressure measurements on real high-speed trains travelling through tunnels. BBAA VI International Colloquium on: Bluff Bodies Aerodynamics & Applications. Milano, 2008. 11 p.

6. Ледяев А. П., Кавказский В. Н., Креер Р. О. Особенности проектирования тоннелей на высокоскоростных магистралях // Транспорт Урала. 2015. № 4 (47). С. 3–9. doi: 10.20291/1815-9400-2015-4-3-9. EDN: TBIORT.

7. Алямовский А. А. SolidWorks Simulation. Инженерный анализ для профессионалов: задачи, методы, рекомендации. Москва: ДМК Пресс, 2015. 564 с. ISBN 978-5-97060-140-2.

8. Ледяев А. П., Кавказский В. Н., Шелгунов О. О. Математическое моделирование аэродинамических процессов в железнодорожных тоннелях на высокоскоростных магистралях // Метро и тоннели. 2021. № 3. С. 40–43. EDN: GCQUMA.

9. Алферова Е. Л., Лугин И. В., Кияница Л. А. Моделирование возмущений воздушного потока при движении поездов в двухпутном тоннеле метрополитена // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2016. № 6. С. 5–14. EDN: WDZUHH.

10. Каримов Д. Д. У. Управление аэроупругим взаимодействием подвижного состава с элементами искусственных сооружений тоннельного типа : дис. … канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2023. 134 с. EDN: HJBFFN.

11. Воробьев А. А., Ватаев А. С., Ватулин Я. С. [и др.]. Оценка динамики движения высокоскоростного подвижного состава // Техник транспорта: образование и практика. 2024. Т. 5, № 4. С. 437–444. doi: 10.46684/2687-1033.2024.4.437-444. EDN: SLVLDK.

12. Khayrullina A., Blocken B., Janssen W., Straathof J. CFD simulation of train aerodynamics: train-induced wind conditions at an underground railroad passenger platform. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2015;139:100–110. doi: 10.1016/j.jweia.2015.01.019.

13. Полякова Е. Я. Особенности аэродинамики подвагонного пространства высокоскоростного подвижного состава : дис. … канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2021. 150 с.

14. Сладкова Л. А., Неклюдов А. Н. Динамика подвижного состава и выбор параметров гасителей колебаний // Мир транспорта. 2021. Т. 19, № 4 (95). С. 13–20. doi: 10.30932/1992-3252-2021-19-4-2. EDN: JYOTRB.

15. Mengge Yu., Rongchao J., Qian Z. [et al.]. Crosswind Stability Evaluation of High-Speed Train Using Different Wind Models. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2019;32:40. doi: 10.1186/s10033-019-0353-7.

16. Baker C. J. Keynote lecture — The flow around high speed trains. Proceedings of the BBAA VI Conference. Milano, 2008. Р. 34.

17. Baker C. The flow around high speed trains. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2010;98(6):277–298. doi: 10.1016/j.jweia.2009.11.002.

18. Воробьев А. А., Ватулин Я. С., Ватаев А. С. [и др.]. Управление аэроупругим взаимодействием подвижного состава с элементами транспортной инфраструктуры : монография. Казань: ООО «Бук», 2025. 138 с. ISBN 978-5-00254-143-0. EDN: JNVEHB.