高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)

1、2021-11-3北京交通大學(xué)隧道及地下工程試驗(yàn)研究中心北京交通大學(xué)隧道及地下工程試驗(yàn)研究中心報(bào)報(bào) 告告 人：駱建軍人：駱建軍2021-11-31 1、定義、定義 高速鐵路：一般定義為列車(chē)運(yùn)行速度在200km/h及以上的鐵路干線。 高速鐵路是一項(xiàng)十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要多種學(xué)科的技術(shù)支持。許多在低速時(shí)可以忽略的現(xiàn)象，在高速時(shí)卻變得非常重要。例如高速列車(chē)與空氣的相互作用就是一個(gè)突出的例子。 2021-11-3 隧道空氣動(dòng)力學(xué)：是指高速列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)，所誘發(fā)的一系列與空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)的物理現(xiàn)象而逐步形成的一門(mén)分支學(xué)科。高速鐵路空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題可以分為明線空氣動(dòng)力學(xué)和隧道空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題兩大部分 。 兩者

2、的區(qū)別： 明線：列車(chē)氣動(dòng)阻力；橫向風(fēng)下列車(chē)氣動(dòng)特性；列車(chē)表面壓力分布；列車(chē)空氣繞流。 隧道： 與隧道通風(fēng)問(wèn)題的區(qū)別2021-11-32 2、問(wèn)題的提出、問(wèn)題的提出 什么是隧道空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題？ 最常見(jiàn)的最容易感覺(jué)的：耳膜不適；列車(chē)風(fēng) 最早出現(xiàn)： 出現(xiàn)在1964年10月1日日本東海道新干線高速鐵路隧道（速度為210km/h，阻塞比為60.563.4 m2）。 隧道空氣動(dòng)力學(xué)包括下列幾個(gè)方面2021-11-3隧道空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)問(wèn)題隧道滑流及列車(chē)風(fēng)隧道洞口微氣壓波（聲爆）隧道內(nèi)熱環(huán)境，通風(fēng)運(yùn)營(yíng)及防火壓力波動(dòng)，隧道內(nèi)人體舒適性，隧道凈空斷面設(shè)計(jì)參數(shù)的確定隧道列車(chē)“活塞風(fēng)”對(duì)隧道內(nèi)工作人員及設(shè)備安全性的影

3、響列車(chē)空氣阻力、運(yùn)行速度、運(yùn)行能耗乘客人體舒適性、列車(chē)內(nèi)環(huán)境（壓力變化及空調(diào)通風(fēng)）、列車(chē)外表面壓力變化氣動(dòng)噪音車(chē)頭、車(chē)尾的空氣動(dòng)力特性2021-11-33 3、產(chǎn)生隧道空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的根本原因、產(chǎn)生隧道空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的根本原因 產(chǎn)生空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的原因比較多，但最根本的原因就是列車(chē)速度過(guò)高，隧道凈空斷面面積比較小造成的。 國(guó)內(nèi)外的研究表明：隧道內(nèi)最大壓力變化值與列車(chē)的速度的平方成正比，與阻塞比的冪指數(shù)成正比，這個(gè)冪指數(shù)的取值范圍在1.30.26之間。2021-11-34 4、隧道空氣動(dòng)力學(xué)的特性、隧道空氣動(dòng)力學(xué)的特性 隧道內(nèi)空氣流動(dòng)物理特征隧道內(nèi)空氣流動(dòng)物理特征 （1）當(dāng)列車(chē)駛?cè)胨淼浪查g，由于

4、空氣的壓縮性及列車(chē)壁和隧道壁限制了空氣側(cè)向流和向上流的空間，使緊貼車(chē)頭前的空氣受到壓縮并隨列車(chē)向前流動(dòng)，造成列車(chē)前方的空氣壓力突然升高，產(chǎn)生壓縮波。被列車(chē)排擠的另一部分空氣則通過(guò)環(huán)狀空間向列車(chē)后方流動(dòng)。隨著列車(chē)的進(jìn)一步駛?cè)胨淼?，環(huán)狀空間長(zhǎng)度逐步增大，使車(chē)前隧道空間的空氣壓力繼續(xù)升高，即壓縮波的強(qiáng)度繼續(xù)增大，直到列車(chē)全部進(jìn)入隧道為止。該波以聲速向前傳播。波前方的空氣流速為零，而波后方的空氣以一定的流速隨著列車(chē)向前流動(dòng)。壓縮波傳播到出口后，一部分以膨脹波形式反射回來(lái)，另一部分以微氣壓波形式傳出隧道出口。2021-11-3壓縮波與微壓波形成機(jī)理2021-11-3 （2）當(dāng)列車(chē)尾端進(jìn)入隧道后，由于車(chē)尾

5、產(chǎn)生的負(fù)壓低于大氣壓力，原先經(jīng)過(guò)環(huán)狀空間流到隧道入口外的空氣改變流向，流入列車(chē)后方的隧道空間，而且隧道外的空氣也流入該空間。由于經(jīng)環(huán)狀空間流入車(chē)后隧道空間的空氣流量小于列車(chē)所排擠開(kāi)的空氣流量，于是在列車(chē)尾端形成了低于洞口外大氣壓的壓力，即產(chǎn)生膨脹波，該波沿隧道以聲速向出口方向傳播。傳播到出口端后，大部分以壓縮波形式反射回來(lái)，沿隧道長(zhǎng)度方向向進(jìn)口端傳播。2021-11-3 （3）由于壁面摩擦不斷消耗波的能量，以及波在隧道兩端和列車(chē)兩端處多次反射和傳遞使得壓縮波和膨脹波相互重疊，所以壓縮波和膨脹波的強(qiáng)度逐漸衰減。同時(shí)，各種傳遞波和反射波的疊加，形成了隧道內(nèi)空氣壓力隨時(shí)間變化而波動(dòng)。 （4）對(duì)于一系

6、列前后相繼的隧道空氣壓縮波，后面的波速比前面的波速快，最終可能疊加在一起而形成激波。 2021-11-35 5、國(guó)內(nèi)外對(duì)高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)研究現(xiàn)狀、國(guó)內(nèi)外對(duì)高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)研究現(xiàn)狀 對(duì)于高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)的研究，我國(guó)起步比較晚，日本及許多西方國(guó)家對(duì)此做了大量研究，其研究范圍主要集中在如下四個(gè)方面： （1）壓力波的變化梯度及乘客的舒適度的研究； （2）壓力波和微壓波的傳播和形成機(jī)理及其計(jì)算方法 的研究； （3）削減壓縮波和微壓波的各種方案的研究； （4）實(shí)驗(yàn)方法的研究2021-11-35.15.1、壓力波的變化梯度及乘客的舒適度的研究、壓力波的變化梯度及乘客的舒適度的研究 列車(chē)提速

7、是為了滿足乘客快捷、舒適、安全的需要，必須將乘客的感受和要求放在第一位。列車(chē)車(chē)速的提高，會(huì)使列車(chē)在進(jìn)出隧道時(shí)引起車(chē)內(nèi)的較大壓力變化，造成乘客耳膜的疼痛不適，因此在車(chē)速提高的同時(shí)，必須采用一定的標(biāo)準(zhǔn)，保證列車(chē)在進(jìn)入隧道時(shí)車(chē)廂內(nèi)壓力的變化不能超過(guò)一定的限度。 乘客舒適度（comfort standard of passenger） 指隧道內(nèi)產(chǎn)生的壓力波動(dòng)，在極短的時(shí)間內(nèi)傳到人體時(shí)，使人體產(chǎn)生生理上的不適-即耳膜壓感不適時(shí)的最大壓力變化值。通常采用特定時(shí)間（3s或4s）內(nèi)壓力單調(diào)變化值作為乘客舒適度的特征參數(shù)。（3s或4s，正是人體自動(dòng)或人為地完成一次吞咽動(dòng)作，建立中耳和外界的壓力平衡所需要的時(shí)間）

8、2021-11-3 影響旅客舒適度的壓力指標(biāo)有兩個(gè)：一是壓力變化的最大值，另一個(gè)是壓力變化率的最大值。 日本:1000Pa，300Pa/1.0s。 美國(guó)：800Pa, 410Pa/1.7s2021-11-35.25.2、壓力波傳播和形成機(jī)理及其計(jì)算方法的研究、壓力波傳播和形成機(jī)理及其計(jì)算方法的研究 初期，采用一維流。采用特征線理論來(lái)得到隧道軸線方向壓力、速度等指標(biāo)。 M.Schultz等人對(duì)短隧道進(jìn)行研究，指出：在隧道直徑與隧道長(zhǎng)度的比值不是很小時(shí)，隧道斷面上的壓力幾乎為常數(shù)，可用一維理論分析，但在車(chē)頭和車(chē)尾處要考慮三維效應(yīng)，并提出了改進(jìn)措施。 2021-11-3 在小沢智通過(guò)對(duì)列車(chē)沖出隧道形

9、成微氣壓波的大量測(cè)試表明，微壓波與列車(chē)移動(dòng)速度的三次方成比例，并建立了微氣壓波變化的曲線方程。微氣壓波的最大值和微氣壓波曲線方程。rVKptrain/3max)/(1/)(21maxtptp2021-11-3 隧道壓縮波的最大值與列車(chē)移動(dòng)速度的二次方成比例。并確定了波形變化的曲線。)1 ()1 ()1 (1212220*TTRMMRUp)3 .0tan121()(1*dUtptp2021-11-3 隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的不斷發(fā)展，各國(guó)學(xué)者對(duì)高速列車(chē)進(jìn)入隧道所誘發(fā)的空氣動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象已經(jīng)從一維數(shù)值模擬上升到二維和三維數(shù)值模擬。S.Aita等人采用三維可壓縮等熵歐拉方程進(jìn)行了隧道單車(chē)壓力波

10、數(shù)值模擬。國(guó)內(nèi)采用了非定常的三維可壓縮不等熵的Navier-Stokes方程進(jìn)行了計(jì)算，獲得了非常好的結(jié)果。 2021-11-3列車(chē)速度與最大壓力變化之間的關(guān)系（國(guó)內(nèi)）列車(chē)速度與最大壓力變化之間的關(guān)系（國(guó)內(nèi)）y = 0.0005x2.0026R2 = 0.99410123456020406080100120 Pmax（Kpa）V車(chē) （m/s）2021-11-3有緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)壓力波的變化規(guī)律（國(guó)內(nèi)）有緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)壓力波的變化規(guī)律（國(guó)內(nèi)）105. 0136. 1322321maxtrainatrainVckMVppppmax039166. 0max7688. 011dtdpeSLdtdphShhh14

11、7. 113 . 164. 0452. 04263321max0trainaatrainVcmMMRVffftp2021-11-3列車(chē)進(jìn)出隧道過(guò)程的實(shí)現(xiàn)列車(chē)進(jìn)出隧道過(guò)程的實(shí)現(xiàn) 要很好地模擬列車(chē)進(jìn)出隧道的過(guò)程可以采取兩種方法：移動(dòng)網(wǎng)格法和網(wǎng)格重劃分法。2021-11-3移動(dòng)網(wǎng)格法的原理移動(dòng)網(wǎng)格法的原理滑移墻滑移墻內(nèi)部區(qū)域非周期移動(dòng)所產(chǎn)生的區(qū)域單元區(qū)域1交接區(qū)域1交接區(qū)域2單元區(qū)域2 二維網(wǎng)格交接關(guān)系圖2021-11-3列車(chē)隧道滑移面無(wú)限遠(yuǎn)域 列車(chē)、隧道初始位置圖地面列車(chē)剛進(jìn)隧道位置關(guān)系圖滑移墻滑移面2021-11-3列車(chē)頭部流場(chǎng)壓力變化分布（國(guó)內(nèi)）列車(chē)頭部流場(chǎng)壓力變化分布（國(guó)內(nèi)）列車(chē)隧道道床20

12、21-11-3隧道列車(chē)道床272m2021-11-3數(shù)值計(jì)算壓力變化曲線（國(guó)內(nèi)）數(shù)值計(jì)算壓力變化曲線（國(guó)內(nèi)）-3000-2000-10000100020003000400050000.511.522.53時(shí)間（s）壓力（Pa）2021-11-32021-11-35.35.3、削減壓縮波及噪聲的各種方案的研究、削減壓縮波及噪聲的各種方案的研究 微壓波問(wèn)題主要發(fā)生在日本的新干線隧道上，在七十年代末，由于最初的隧道斷面較?。?0.5-63.4m2），阻塞比（列車(chē)斷面與隧道斷面的比值）大于0.2，在列車(chē)提速到200km/h后，出現(xiàn)了較明顯的空氣噪聲問(wèn)題，由于隧道已經(jīng)建成，無(wú)法擴(kuò)大斷面，于是就提出了多種

13、修建附屬構(gòu)筑物的改造措施。 微氣壓波（micro compression wave） 高速列車(chē)進(jìn)入隧道產(chǎn)生的壓縮波以聲速傳播到隧道出口時(shí)，一部分壓縮波以膨脹波的形式反射回隧道，另一部分壓縮波以球面波的形式向隧道外空間輻射出去，并伴有爆炸聲，造成對(duì)周?chē)h(huán)境的污染。輻射出去的壓力脈沖波形狀為尖三角形，三角形的高度（壓力脈沖的最大值）與列車(chē)速度的三次方成正比，與距離隧道出口處的外部距離成反比。 2021-11-3控制措施一控制措施一 增大隧道斷面積增大隧道斷面積 削減壓縮波及噪聲的最主要的解決方案是選取較大的隧道斷面，減低阻塞比。 根據(jù)各國(guó)高速鐵路的分析可以得到這樣的結(jié)論，當(dāng)阻塞比小于0.15（德、

14、法等國(guó)）時(shí)，高速列車(chē)進(jìn)洞誘發(fā)的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題基本上可以緩解。由此得出滿足壓力變動(dòng)的臨界值（3.0kPa/3s）的阻塞比：車(chē)速為250km/h，阻塞比為0.14；車(chē)速為350km/h，阻塞比為0.11。 2021-11-3線路列車(chē)速度(Km/h)隧道橫斷面積(m2)阻塞比日本東海新干線210640.21日本山陽(yáng)新干線230640.21日本上越新干線240640.21巴黎-大西洋干線270710.15漢堡-慕尼黑干線250820.13羅馬-米蘭干線250760.182021-11-3 綜合各國(guó)的隧道斷面圖，高速鐵路隧道斷面由下列空間構(gòu)成：隧道建筑界限、軌道數(shù)量、線間距、預(yù)留空間、減小空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)

15、的空間、設(shè)備安裝空間等。根據(jù)各國(guó)高速鐵路隧道斷面經(jīng)驗(yàn)和我國(guó)具體情況的要求，我國(guó)初步確定京滬高速鐵路隧道斷面參數(shù)如下圖（100m2）。高速鐵路隧道斷面示意圖單位：cm2021-11-3控制措施二控制措施二 對(duì)于既有線路上，隧道已經(jīng)建成，無(wú)法擴(kuò)大斷面，所以必須在不改變隧道斷面積的情況下，來(lái)予以解決。 經(jīng)過(guò)多年的研究和探索以及大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，人們已經(jīng)有了許多減小壓力波和噪聲的方法。解決方法主要分為兩種： 修建附屬構(gòu)筑物的改造措施： 無(wú)開(kāi)口全封閉緩沖結(jié)構(gòu) 有窗口的緩沖結(jié)構(gòu) 開(kāi)槽式緩沖結(jié)構(gòu) 人為控制車(chē)內(nèi)壓力2021-11-3無(wú)開(kāi)口全封閉緩沖結(jié)構(gòu)無(wú)開(kāi)口全封閉緩沖結(jié)構(gòu)D緩沖結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度分為三種：1：.m

16、ml70 ，11.1/dl；2：.mml140 ，22.2/dl；3：.mml210 ，33.3/dl；同時(shí)，入口面積又分為三種：1：.mmD2 .77 ，5 .1)/(2dD；2：.mmD0 .89 ，0 .2)/(2dD；3：.mmD6 .99 ，5 .2)/(2dD；2021-11-3緩沖結(jié)構(gòu)降低微氣壓波的效果緩沖結(jié)構(gòu)降低微氣壓波的效果00.5100.511.522.533.54緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度/直徑與微氣壓波最大值之比L11L21L31L21L22L32L31L32L33 第一個(gè)標(biāo)記代表緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度選項(xiàng)；第二個(gè)標(biāo)記代表緩沖結(jié)構(gòu)入口面積選項(xiàng)。 直線為母線的緩沖結(jié)構(gòu)形式可以將微氣壓波降低到30

17、%左右。 2021-11-3有窗口的緩沖結(jié)構(gòu)有窗口的緩沖結(jié)構(gòu) 開(kāi)窗式隧道緩沖結(jié)構(gòu)模型6368153132151515321401525窗口單位：mm； 比例：1/143列車(chē)突入側(cè)洞口對(duì)于有窗口的緩沖結(jié)構(gòu)，需確定合適的窗口面積的大小。窗口部分設(shè)在緩沖結(jié)構(gòu)的側(cè)面，其長(zhǎng)度可以等于或小于緩沖棚全長(zhǎng)。同全封閉式的緩沖結(jié)構(gòu)相比，帶窗口的緩沖棚具有更好的降壓效果。該緩沖結(jié)構(gòu)可以將微氣壓波降低到無(wú)緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)的0.45。2021-11-3開(kāi)槽式緩沖結(jié)構(gòu)開(kāi)槽式緩沖結(jié)構(gòu) 開(kāi)槽式緩沖結(jié)構(gòu)的橫截面積與隧道截面相同，通過(guò)在緩沖結(jié)構(gòu)頂部開(kāi)槽，起到緩沖作用，可將微壓波峰值降至20-30%。 2021-11-3人為控制車(chē)內(nèi)壓力

18、人為控制車(chē)內(nèi)壓力 通風(fēng)系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)流的進(jìn)入和排出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)內(nèi)壓力的調(diào)節(jié)。K.Akutsu等人對(duì)此方法進(jìn)行了研究，用風(fēng)機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)壓力，消除瞬變壓力所造成的危害。它只能消除列車(chē)內(nèi)部的壓力變化，不能削減對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。 但是，該方法仍然存在一定的問(wèn)題。首先，它對(duì)列車(chē)的氣密性要求較高。它的首要目的就是調(diào)節(jié)列車(chē)內(nèi)外的壓差。氣密性差，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)內(nèi)壓力的調(diào)節(jié)。實(shí)際上，正是由于氣密性差才會(huì)引起列車(chē)在進(jìn)出隧道時(shí)，引起車(chē)內(nèi)的壓力變化。 2021-11-35.45.4、實(shí)驗(yàn)方法的研究、實(shí)驗(yàn)方法的研究 實(shí)驗(yàn)室方法 研究高速列車(chē)的實(shí)驗(yàn)方法主要有水槽式、發(fā)射式及小型列車(chē)模型實(shí)驗(yàn)裝置，還有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法。 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

19、法2021-11-35.4.1 5.4.1 水槽法水槽法 水槽法是在二十世紀(jì)六十年代中期在美國(guó)興起的。當(dāng)時(shí)，美國(guó)的一些技術(shù)人員利用可壓縮氣體與自由表面流體的相似性，采用水作為工作流體來(lái)研究高速列車(chē)通過(guò)隧道的問(wèn)題。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是高速運(yùn)行的列車(chē)可以用很低的速度來(lái)模擬。然而，考慮到很淺的水深，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是令人失望的。2021-11-3153426789101.測(cè)控計(jì)算機(jī) 2.監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī) 3.視頻分配器 4.反光鏡 5.縫隙光源 6.CCD鏡頭7. 模型列車(chē) 8. 模型隧道 9.驅(qū)動(dòng)電機(jī) 10 淺水槽. 西南交大水槽法模型實(shí)驗(yàn)裝置示意圖2021-11-35.4.2 5.4.2 小型列車(chē)模型實(shí)驗(yàn)裝置小型

20、列車(chē)模型實(shí)驗(yàn)裝置 為了保證模型可靠實(shí)用，根據(jù)雷諾相似性，要求模型的尺寸不能小于1/36。同時(shí)，模型的速度與全尺寸列車(chē)的速度相同。根據(jù)這些限制條件，英國(guó)的C. W. Pope建造了1/25的小比例列車(chē)模型實(shí)驗(yàn)裝置，模型的車(chē)速達(dá)到55m/s，模型的質(zhì)量為10kg。2021-11-3英國(guó)建成的模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)英國(guó)建成的模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)2021-11-35.4.3 5.4.3 發(fā)射式列車(chē)模型實(shí)驗(yàn)裝置發(fā)射式列車(chē)模型實(shí)驗(yàn)裝置 日本的小沢智采用長(zhǎng)30mm的鋁管（前頭為半圓形）模擬列車(chē)，以橡膠彈弓方式發(fā)射，實(shí)驗(yàn)時(shí)的速度通常為25m/s。 在佐宗章弘介紹的改進(jìn)模型中，采用的尺寸相似比為1/300的模型，以壓縮空氣為動(dòng)力。發(fā)

21、射式列車(chē)模型，發(fā)射速度可達(dá)到100m/s。2021-11-3佐宗章弘佐宗章弘765431281.高壓氣體存儲(chǔ)室；2.加速管 3.列車(chē)助推片脫離裝置 4.敞開(kāi)段5.入口 6.實(shí)驗(yàn)隧道段 7.出口 8.回收裝置 圖3 列車(chē)突入隧道模型實(shí)驗(yàn)裝置2021-11-3日本的日本的 S.OzawaS.Ozawa2021-11-35.4.4 5.4.4 國(guó)內(nèi)壓縮空氣式高速列車(chē)模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)國(guó)內(nèi)壓縮空氣式高速列車(chē)模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)備配置 高速列車(chē)模型實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng) 列車(chē)模型實(shí)驗(yàn)2021-11-3實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)備配置實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)備配置1. 發(fā)射炮 2. 列車(chē)加速片回收機(jī)構(gòu) 3. 實(shí)驗(yàn)臺(tái)基座 4. 隧道模型支架 5.

22、隧道模型 6. 導(dǎo)向鋼絲繩 7. 列車(chē)模型回收機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)臺(tái)物理結(jié)構(gòu)示意圖24761321751310210005270011402021-11-3高速列車(chē)模型發(fā)射炮裝置圖2021-11-3列車(chē)模型實(shí)驗(yàn)列車(chē)模型實(shí)驗(yàn) 聚乙烯管作隧道模型、木板為緩沖結(jié)構(gòu)2021-11-52.262.272.282.292.301.9m3.4m6.8m7 . 6m壓縮波膨脹波車(chē)頭車(chē)尾-4-2024P/KPa-4-2024P/KPa-4-2024P/KPa模型隧道長(zhǎng)度（米）高速列車(chē)在單孔單線隧道中運(yùn)行的瞬變壓力波動(dòng)情況及波形圖2021-11-3-3-2-101231.521.

23、541.561.581.61.621.64t/sP/KPa-3-2-101231.521.541.561.581.61.621.64t/sP/KPa-3-2-101231.521.541.561.581.61.621.64t/sP/KPa-3-2-101231.521.541.561.581.61.621.64t/sP/KPa0.6m0m1.9mmm3.4m6.8m7.6m壓縮波膨脹波車(chē)頭運(yùn)動(dòng)軌跡緩沖結(jié)構(gòu)壓力測(cè)試歷時(shí)變化（緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)：60cm，阻塞比：0.272，模型列車(chē)速度：71.4m/s）列車(chē)緩沖段長(zhǎng)度（米）模型隧道長(zhǎng)度（米）2021-11-3有、無(wú)緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)的車(chē)速與最大壓力的關(guān)系曲線有、

24、無(wú)緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)的車(chē)速與最大壓力的關(guān)系曲線y = 0.0005x2.0026R2 = 0.9941y = 0.0006x1.9191R2 = 0.9947012345050100V-train（m/s）Pmax（KPa）無(wú)緩沖結(jié)構(gòu)有緩沖結(jié)構(gòu)乘冪 (無(wú)緩沖結(jié)構(gòu))乘冪 (有緩沖結(jié)構(gòu))2021-11-3緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)壓力變化率的影響緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)壓力變化率的影響y = 4E-05x3.0296R2 = 0.9989y = 1E-05x2.9292R2 = 0.99590510152025302030405060708090V（m/s）KPa/s無(wú)緩沖結(jié)構(gòu)II型緩沖結(jié)構(gòu)（40cm）2021-11-35.5 5.5

25、 現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè) 現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)是研究隧道空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題最直接的手段，還可對(duì)數(shù)值計(jì)算和室內(nèi)模型試驗(yàn)方法和結(jié)論的正確性進(jìn)行了檢驗(yàn)。 我國(guó)在2005年，在遂渝鐵路進(jìn)行了高速列車(chē)的隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地試驗(yàn)。2021-11-3 松林坡隧道V=200km/h Lt=1320m At=48.6m2周長(zhǎng)26.3m 測(cè)點(diǎn)位置223m 長(zhǎng)白山動(dòng)車(chē)組Av=12.49m2 周長(zhǎng)10.78m 列車(chē)長(zhǎng)度為256.5 m 阻塞比為0.242021-11-36 6、高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)主要影響及效應(yīng)、高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)主要影響及效應(yīng) 6.1 6.1 列車(chē)速度及阻塞比列車(chē)速度及阻塞比 研究表明，諸因素中，列車(chē)速度V

26、和阻塞比是影響最大的因素 ORE曾經(jīng)系統(tǒng)地研究了各種因素對(duì)壓力波動(dòng)的影響，用下列公式表達(dá)列車(chē)速度V和阻塞比的影響： 單一列車(chē)在隧道中運(yùn)行： 考慮列車(chē)交會(huì)： 25. 03 . 1NNkVp206. 016. 2N2021-11-3 隧道長(zhǎng)度對(duì)壓力波動(dòng)程度的影響隧道長(zhǎng)度對(duì)壓力波動(dòng)程度的影響 隧道長(zhǎng)度對(duì)壓力變化的影響也很大，而且，壓力波動(dòng)程度并非單調(diào)地隨著隧道長(zhǎng)度的增加而加劇。 2021-11-3 法國(guó)專(zhuān)家認(rèn)為，碎石道床隧道壓力波動(dòng)的最大值出現(xiàn)在對(duì)應(yīng)隧道長(zhǎng)度分別為0.8，1.2及3.5倍列車(chē)長(zhǎng) 2021-11-3 車(chē)輛的密封性 車(chē)輛內(nèi)部的瞬變壓力同旅客乘車(chē)舒適度有直接關(guān)系。隧道內(nèi)的瞬變壓力向車(chē)輛內(nèi)傳

27、遞規(guī)律一般來(lái)說(shuō)取決于二個(gè)因素：車(chē)輛的密封性和車(chē)體的剛度。 對(duì)列車(chē)氣密性的描述通過(guò)列車(chē)的密封度來(lái)實(shí)現(xiàn)。其物理意義在于：將車(chē)內(nèi)外壓差降低到初值的38%所需的泄露時(shí)間。 )(2eiippcdtdp2021-11-3 車(chē)輛密封性對(duì)緩解壓力波動(dòng)程度的作用可以歸為“滯后”和“衰減”。采用不密封的“標(biāo)準(zhǔn)”車(chē)輛，車(chē)內(nèi)壓力的變化情況同車(chē)外基本一致，而采用密封車(chē)輛后車(chē)內(nèi)壓力的峰值滯后。同時(shí)，壓力變化幅度減小。 2021-11-3不同密封程度車(chē)輛對(duì)氣壓波動(dòng)的緩沖效果 2021-11-3 當(dāng)列車(chē)在大于臨界長(zhǎng)度的長(zhǎng)隧道中行駛時(shí)，隧道中及列車(chē)外部壓力波動(dòng)的程度同短隧道相比，會(huì)有所緩解。但是，如果采用密封車(chē)輛，車(chē)內(nèi)壓力波動(dòng)

28、幅度卻往往比短隧道大，這是由于長(zhǎng)隧道壓力波之間的時(shí)間間隔較大，使得車(chē)內(nèi)壓力有足夠的時(shí)間對(duì)外部壓力波動(dòng)作出響應(yīng)?？梢哉f(shuō)，相同密封指數(shù)的車(chē)輛，在短隧道中的“動(dòng)態(tài)”密封效果比長(zhǎng)隧道好 2021-11-32021-11-3 作用在隧道襯砌或固定設(shè)備上的氣動(dòng)荷載作用在隧道襯砌或固定設(shè)備上的氣動(dòng)荷載 按照德國(guó)聯(lián)邦鐵路“鐵路隧道的設(shè)計(jì)，施工和養(yǎng)護(hù)”標(biāo)準(zhǔn)DS853（1993）的規(guī)定，認(rèn)為隧道內(nèi)空氣動(dòng)力荷載最大值都為kPa量級(jí)，對(duì)隧道襯砌的安全性不會(huì)產(chǎn)生明顯影響，但對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的瑕疵和缺陷的反應(yīng)較為靈敏，同時(shí)對(duì)隧道內(nèi)的設(shè)備和設(shè)施可能會(huì)有一定影響。 車(chē)輛結(jié)構(gòu)所承受的氣動(dòng)荷載車(chē)輛結(jié)構(gòu)所承受的氣動(dòng)荷載 根據(jù)國(guó)際鐵盟

29、UIC活頁(yè)文件566中4.2.2條規(guī)定，客車(chē)車(chē)身和門(mén)窗須承受變化幅度為2500N/m2，頻率為3HZ的交變荷載1000000次。按該條文設(shè)計(jì)的車(chē)輛當(dāng)壓差小于2.5kPa時(shí)是不會(huì)受到損害的。2021-11-37 7、壓力波動(dòng)、壓力波動(dòng)程度的評(píng)估和相關(guān)舒適度準(zhǔn)則程度的評(píng)估和相關(guān)舒適度準(zhǔn)則 7.1 人體的舒適度 人的鼻咽腔通過(guò)一個(gè)稱(chēng)為耳咽管的器官同中耳相連。通常耳咽管是關(guān)閉的。當(dāng)鼻咽腔的壓力比中耳的壓力低將近2kPa時(shí)，耳咽管會(huì)因收縮而自動(dòng)打開(kāi)，在外界氣壓降低的情況下，中耳和外部氣壓不平衡即得以消除，則不會(huì)作用于鼓膜的兩邊。而當(dāng)外界氣壓增高時(shí)，鼻咽腔隨之增高的氣壓不會(huì)自動(dòng)傳到中耳。因此在耳膜的兩邊產(chǎn)

30、生壓力差。在這種情況下必須通過(guò)吞咽、打呵欠或擠捏鼻子等動(dòng)作來(lái)人為地開(kāi)啟耳咽管，以消除耳膜兩邊的不平衡壓力。因此，也有采用特定時(shí)間內(nèi)（3s或4s）壓力單調(diào)變化值作為瞬變壓力波動(dòng)特征參數(shù)，其“特定時(shí)間”，即3s或4s，正是自動(dòng)或人為地（通過(guò)生理反應(yīng)）開(kāi)啟耳咽管，建立中耳和外界的壓力平衡所需要的時(shí)間。2021-11-3時(shí)間（s）壓力變化P（kPa）單線隧道雙線隧道10.500.8540.851.35101.402.10202.003.00302.403.60402.804.20503.204.80荷蘭采用的舒適度標(biāo)準(zhǔn)2021-11-3ERRI 和UIC采用的舒適度準(zhǔn)則 壓力變化（Pa）時(shí)間（s）ER

31、RI基本舒適度準(zhǔn)則UIC活頁(yè)文件 660新型高速列車(chē)11000500 3800 41600 1020001000 60300020002021-11-3R.G.Gawthorpe舒適度準(zhǔn)則 旅行類(lèi)型壓力變化閥值不適率極端場(chǎng)合正常場(chǎng)合A.常規(guī)，隧道占10%，不密封車(chē)輛4.0kPa/4s2.5kPa/4s4.5B.常規(guī)，隧道占25%以上，不密封車(chē)輛3.0kPa/4s2.0kPa/4s3.5C.高舒適度服務(wù)，隧道占25%以上，密封車(chē)輛1.25KPa/4s0.8kPa/4s2.5D.地鐵，隧道占50%以上，不密封車(chē)輛1.0kPa/4s0.7kPa/4s2.02021-11-3我國(guó)高速鐵路舒適度準(zhǔn)則的建

32、議 (西南鐵科院)鐵路類(lèi)型隧道長(zhǎng)度（占線路比例）隧道密集程度（座/小時(shí)）瞬變壓力（kPa/3s）A（平原)單線10%而且42.0B（平原)雙線10%而且43.0C（山丘）單線25%或者40.8D（山丘）雙線25%或者41.252021-11-3輔助坑道對(duì)壓力變化的作用輔助坑道對(duì)壓力變化的作用 合理設(shè)置的輔助坑道（斜井、豎井和橫洞）能緩解壓力波動(dòng)的程度。 計(jì)算表明，豎井位置對(duì)減壓效果的影響很大，并不是設(shè)置在任何位置的豎井都能有很好的效果根據(jù)壓力波疊加的情況可以理論地得到豎井的最佳位置：MMLXt122021-11-3隧道口的微氣壓波問(wèn)題隧道口的微氣壓波問(wèn)題 搞速列車(chē)進(jìn)入隧道，前方的空氣受到擠壓，

33、這種擠壓狀態(tài)以聲速傳播至隧道出口，驟然膨脹，產(chǎn)生一個(gè)被稱(chēng)為微氣壓波的次生波。由于微氣壓波的產(chǎn)生伴有影響環(huán)境的爆破噪聲，并會(huì)對(duì)鄰近建筑物產(chǎn)生危害 。 日本山本（A.Yamamoto）基于線形聲學(xué)理論，通過(guò)低頻遠(yuǎn)場(chǎng)假設(shè)對(duì)微氣壓波進(jìn)行的研究，微氣壓波主要取決于列車(chē)進(jìn)入隧道誘發(fā)的第一個(gè)壓縮波，得出了微氣壓波峰值同首波傳遞到隧道出口處時(shí)的壓力梯度（波前梯度）最大值的關(guān)系：maxmax)(2EXtrdtdprCAP2021-11-3 首波計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式（日本新干線）首波計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式（日本新干線） 日本新干線對(duì)列車(chē)進(jìn)入隧道誘發(fā)的“第一壓縮波”（首波）壓力變化近似地用下式表示： 日本新干線對(duì)列車(chē)進(jìn)入隧道誘發(fā)的“第一壓縮波”（首波）壓力變化近似地用下式表示： 壓力和壓力梯度的最大值近似地分別同車(chē)速的平方和立方成正比。相應(yīng)地，隧道出口為氣壓波峰值也同車(chē)速的立方成正比 maxmax)(2EXtrd