高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)

高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)北京交通大學(xué)隧道及地下工程試驗(yàn)研究中心報(bào)告人：駱建軍12/6/20221、定義高速鐵路：一般定義為列車運(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。例如高速列車與空氣的相互作用就是一個(gè)突出的例子。12/6/2022隧道空氣動(dòng)力學(xué)：是指高速列車通過隧道時(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分支學(xué)科。高速鐵路空氣動(dòng)力學(xué)問題可以分為明線空氣動(dòng)力學(xué)和隧道空氣動(dòng)力學(xué)問題兩大部分。兩者的區(qū)別：明線：列車氣動(dòng)阻力；橫向風(fēng)下列車氣動(dòng)特性；列車表面壓力分布；列車空氣繞流。隧道：與隧道通風(fēng)問題的區(qū)別12/6/20222、問題的提出

什么是隧道空氣動(dòng)力學(xué)問題？最常見的最容易感覺的：耳膜不適；列車風(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60.5～63.4m2）。隧道空氣動(dòng)力學(xué)包括下列幾個(gè)方面12/6/2022隧道空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)問題隧道滑流及列車風(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“活塞風(fēng)”對(duì)隧道內(nèi)工作人員及設(shè)備安全性的影響列車空氣阻力、運(yùn)行速度、運(yùn)行能耗乘客人體舒適性、列車內(nèi)環(huán)境（壓力變化及空調(diào)通風(fēng)）、列車外表面壓力變化氣動(dòng)噪音車頭、車尾的空氣動(dòng)力特性12/6/20223、產(chǎn)生隧道空氣動(dòng)力學(xué)問題的根本原因

產(chǎn)生空氣動(dòng)力學(xué)問題的原因比較多，但最根本的原因就是列車速度過高，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1.3±0.26之間。12/6/20224、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（1）當(dāng)列車駛?cè)胨淼浪查g，由于空氣的壓縮性及列車壁和隧道壁限制了空氣側(cè)向流和向上流的空間，使緊貼車頭前的空氣受到壓縮并隨列車向前流動(dòng)，造成列車前方的空氣壓力突然升高，產(chǎn)生壓縮波。被列車排擠的另一部分空氣則通過環(huán)狀空間向列車后方流動(dòng)。隨著列車的進(jìn)一步駛?cè)胨淼溃h(huán)狀空間長(zhǎng)度逐步增大，使車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，另一部分以微氣壓波形式傳出隧道出口。12/6/2022壓縮波與微壓波形成機(jī)理12/6/2022（2）當(dāng)列車尾端進(jìn)入隧道后，由于車尾產(chǎn)生的負(fù)壓低于大氣壓力，原先經(jīng)過環(huán)狀空間流到隧道入口外的空氣改變流向，流入列車后方的隧道空間，而且隧道外的空氣也流入該空間。由于經(jīng)環(huán)狀空間流入車后隧道空間的空氣流量小于列車所排擠開的空氣流量，于是在列車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，沿隧道長(zhǎng)度方向向進(jìn)口端傳播。12/6/2022

（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。12/6/20225、國(guó)內(nèi)外對(duì)高高速鐵路隧道道空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)研究現(xiàn)狀對(duì)于高速鐵路路隧道空氣動(dòng)動(dòng)力學(xué)的研究究，我國(guó)起步步比較晚，日日本及許多西西方國(guó)家對(duì)此此做了大量研研究，其研究究范圍主要集集中在如下四四個(gè)方面：（1）壓力波的變變化梯度及乘乘客的舒適度度的研究；（2）壓力波和微微壓波的傳播播和形成機(jī)理理及其計(jì)算方方法的的研究；（3）削減壓縮波波和微壓波的的各種方案的的研究；（4）實(shí)驗(yàn)方法的的研究11/27/20225.1、壓力波的變化化梯度及乘客客的舒適度的的研究列車提速是為為了滿足乘客客快捷、舒適適、安全的需需要，必須將將乘客的感受受和要求放在在第一位。列列車車速的提提高，會(huì)使列列車在進(jìn)出隧隧道時(shí)引起車車內(nèi)的較大壓壓力變化，造造成乘客耳膜膜的疼痛不適適，因此在車車速提高的同同時(shí)，必須采采用一定的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，保證列列車在進(jìn)入隧隧道時(shí)車廂內(nèi)內(nèi)壓力的變化化不能超過一一定的限度。。乘客舒適度（（comfortstandardofpassenger）指隧道內(nèi)產(chǎn)生生的壓力波動(dòng)動(dòng)，在極短的的時(shí)間內(nèi)傳到到人體時(shí)，使使人體產(chǎn)生生生理上的不適適-即耳膜壓感不不適時(shí)的最大大壓力變化值值。通常采用用特定時(shí)間（（3s或4s）內(nèi)壓力單調(diào)調(diào)變化值作為為乘客舒適度度的特征參數(shù)數(shù)。（3s或4s，正是人體自自動(dòng)或人為地地完成一次吞吞咽動(dòng)作，建建立中耳和外外界的壓力平平衡所需要的的時(shí)間）11/27/2022影響旅客舒適適度的壓力指指標(biāo)有兩個(gè)：：一是壓力變變化的最大值值，另一個(gè)是是壓力變化率率的最大值。。日本:1000Pa，300Pa/1.0s。美國(guó)：800Pa,410Pa/1.7s11/27/20225.2、壓力波傳播和和形成機(jī)理及及其計(jì)算方法法的研究初期，采用一一維流。采用用特征線理論論來得到隧道道軸線方向壓壓力、速度等等指標(biāo)。M.Schultz等人對(duì)短隧道道進(jìn)行研究，，指出：在隧隧道直徑與隧隧道長(zhǎng)度的比比值不是很小小時(shí)，隧道斷斷面上的壓力力幾乎為常數(shù)數(shù)，可用一維維理論分析，，但在車頭和和車尾處要考考慮三維效應(yīng)應(yīng)，并提出了了改進(jìn)措施。。11/27/2022在小沢智通過過對(duì)列車沖出出隧道形成微微氣壓波的大大量測(cè)試表明明，微壓波與與列車移動(dòng)速速度的三次方方成比例，并并建立了微氣氣壓波變化的的曲線方程。。微氣壓波的的最大值和微微氣壓波曲線線方程。11/27/2022隧道壓縮波的的最大值與列列車移動(dòng)速度度的二次方成成比例。并確確定了波形變變化的曲線。。11/27/2022隨著現(xiàn)代計(jì)算算機(jī)技術(shù)和數(shù)數(shù)值計(jì)算方法法的不斷發(fā)展展，各國(guó)學(xué)者者對(duì)高速列車車進(jìn)入隧道所所誘發(fā)的空氣氣動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象象已經(jīng)從一維維數(shù)值模擬上上升到二維和和三維數(shù)值模模擬。S.Aita等人采用三維維可壓縮等熵熵歐拉方程進(jìn)進(jìn)行了隧道單單車壓力波數(shù)數(shù)值模擬。國(guó)國(guó)內(nèi)采用了非非定常的三維維可壓縮不等等熵的Navier-Stokes方程進(jìn)行了計(jì)計(jì)算，獲得了了非常好的結(jié)結(jié)果。11/27/2022列車速度與最最大壓力變化化之間的關(guān)系系（國(guó)內(nèi)）Pmax（Kpa）V車（m/s）11/27/2022有緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)時(shí)壓力波的變變化規(guī)律（國(guó)國(guó)內(nèi)）11/27/2022列車進(jìn)出出隧道過過程的實(shí)實(shí)現(xiàn)要很好地地模擬列列車進(jìn)出出隧道的的過程可可以采取取兩種方方法：移移動(dòng)網(wǎng)格格法和網(wǎng)網(wǎng)格重劃劃分法。。11/27/2022移動(dòng)網(wǎng)格格法的原原理滑移墻滑移墻內(nèi)部區(qū)域非周期移移動(dòng)所產(chǎn)產(chǎn)生的區(qū)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11/27/2022列車隧道滑移面無限遠(yuǎn)域

列車、隧道初始位置圖地面列車剛進(jìn)隧道位置關(guān)系圖滑移墻滑移面11/27/2022列車頭部流流場(chǎng)壓力變變化分布（（國(guó)內(nèi)）列車隧道道床11/27/2022隧道列車道床272m11/27/2022數(shù)值計(jì)算壓壓力變化曲曲線（國(guó)內(nèi)內(nèi)）11/27/202211/27/20225.3、削減壓縮波波及噪聲的的各種方案案的研究微壓波問題題主要發(fā)生生在日本的的新干線隧隧道上，在在七十年代代末，由于于最初的隧隧道斷面較較?。?0.5-63.4m2），阻塞比（列列車斷面與與隧道斷面面的比值））大于0.2，在列車提提速到200km/h后，出現(xiàn)了了較明顯的的空氣噪聲聲問題，由由于隧道已已經(jīng)建成，，無法擴(kuò)大大斷面，于于是就提出出了多種修修建附屬構(gòu)構(gòu)筑物的改改造措施。。微氣壓波（（microcompressionwave）高速列車進(jìn)進(jìn)入隧道產(chǎn)產(chǎn)生的壓縮縮波以聲速速傳播到隧隧道出口時(shí)時(shí)，一部分分壓縮波以以膨脹波的的形式反射射回隧道，，另一部分分壓縮波以以球面波的的形式向隧隧道外空間間輻射出去去，并伴有有爆炸聲，，造成對(duì)周周圍環(huán)境的的污染。輻輻射出去的的壓力脈沖沖波形狀為為尖三角形形，三角形形的高度（（壓力脈沖沖的最大值值）與列車車速度的三三次方成正正比，與距距離隧道出出口處的外外部距離成成反比。11/27/2022控制措施一一增大隧道斷斷面積削減壓縮波波及噪聲的的最主要的的解決方案案是選取較較大的隧道道斷面，減減低阻塞比比。根據(jù)各國(guó)高高速鐵路的的分析可以以得到這樣樣的結(jié)論，，當(dāng)阻塞比比小于0.15（德、法等等國(guó)）時(shí)，，高速列車車進(jìn)洞誘發(fā)發(fā)的空氣動(dòng)動(dòng)力學(xué)問題題基本上可可以緩解。。由此得出出滿足壓力力變動(dòng)的臨臨界值（3.0kPa/3s）的阻塞比：：車速為250km/h，阻塞比為0.14；車速為350km/h，阻塞比為0.11。11/27/2022線路列車速度(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250760.1811/27/2022綜合合各各國(guó)國(guó)的的隧隧道道斷斷面面圖圖，，高高速速鐵鐵路路隧隧道道斷斷面面由由下下列列空空間間構(gòu)構(gòu)成成：：隧隧道道建建筑筑界界限限、、軌軌道道數(shù)數(shù)量量、、線線間間距距、、預(yù)預(yù)留留空空間間、、減減小小空空氣氣動(dòng)動(dòng)力力學(xué)學(xué)效效應(yīng)應(yīng)的的空空間間、、設(shè)設(shè)備備安安裝裝空空間間等等。。根根據(jù)據(jù)各各國(guó)國(guó)高高速速鐵鐵路路隧隧道道斷斷面面經(jīng)經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)和和我我國(guó)國(guó)具具體體情情況況的的要要求求，，我我國(guó)國(guó)初初步步確確定定京京滬滬高高速速鐵鐵路路隧隧道道斷斷面面參參數(shù)數(shù)如如下下圖圖（（100m2）。。高速速鐵鐵路路隧隧道道斷斷面面示示意意圖圖單位位：：cm11/27/2022控制制措措施施二二對(duì)于于既既有有線線路路上上，，隧隧道道已已經(jīng)經(jīng)建建成成，，無無法法擴(kuò)擴(kuò)大大斷斷面面，，所所以以必必須須在在不不改改變變隧隧道道斷斷面面積積的的情情況況下下，，來來予予以以解解決決。。經(jīng)過過多多年年的的研研究究和和探探索索以以及及大大量量的的理理論論和和實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)研研究究，，人人們們已已經(jīng)經(jīng)有有了了許許多多減減小小壓壓力力波波和和噪噪聲聲的的方方法法。。解解決決方方法法主主要要分分為為兩兩種種：：修建建附附屬屬構(gòu)構(gòu)筑筑物物的的改改造造措措施施：：無開開口口全全封封閉閉緩緩沖沖結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)有窗窗口口的的緩緩沖沖結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)開槽槽式式緩緩沖沖結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)人為為控控制制車車內(nèi)內(nèi)壓壓力力11/27/2022無開開口口全全封封閉閉緩緩沖沖結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)D11/27/2022緩沖沖結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)降降低低微微氣氣壓壓波波的的效效果果L11L21L31L21L22L32L31L32L33第一一個(gè)個(gè)標(biāo)標(biāo)記記代代表表緩緩沖沖結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)長(zhǎng)長(zhǎng)度度選選項(xiàng)項(xiàng)；；第第二二個(gè)個(gè)標(biāo)標(biāo)記記代代表表緩緩沖沖結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)入入口口面面積積選選項(xiàng)項(xiàng)。直線線為為母母線線的的緩緩沖沖結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)形形式式可可以以將將微微氣氣壓壓波波降降低低到到30%左右右。。11/27/2022有窗窗口口的的緩緩沖沖結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)

開窗式隧道緩沖結(jié)構(gòu)模型6368153132151515321401525窗口單位：mm；比例：1/143列車突入側(cè)洞口對(duì)于于有有窗窗口口的的緩緩沖沖結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)，，需需確確定定合合適適的的窗窗口口面面積積的的大大小小。。窗窗口口部部分分設(shè)設(shè)在在緩緩沖沖結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的側(cè)側(cè)面面，，其其長(zhǎng)長(zhǎng)度度可可以以等等于于或或小小于于緩緩沖沖棚棚全全長(zhǎng)長(zhǎng)。。同同全全封封閉閉式式的的緩緩沖沖結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)相相比比，，帶帶窗窗口口的的緩緩沖沖棚棚具具有有更更好好的的降降壓壓效效果果。。該緩緩沖沖結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)可可以以將將微微氣氣壓壓波波降降低低到到無無緩緩沖沖結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)時(shí)時(shí)的的0.45。11/27/2022開槽槽式式緩緩沖沖結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)開槽槽式式緩緩沖沖結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的橫橫截截面面積積與與隧隧道道截截面面相相同同，，通通過過在在緩緩沖沖結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)頂頂部部開開槽槽，，起起到到緩緩沖沖作作用用，，可可將將微微壓壓波波峰峰值值降降至至20-30%。11/27/2022人為為控控制制車車內(nèi)內(nèi)壓壓力力通風(fēng)風(fēng)系系統(tǒng)統(tǒng)通通過過調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)風(fēng)風(fēng)流流的的進(jìn)進(jìn)入入和和排排出出，，從從而而實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)對(duì)對(duì)車車內(nèi)內(nèi)壓壓力力的的調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)。。K.Akutsu等人人對(duì)對(duì)此此方方法法進(jìn)進(jìn)行行了了研研究究，，用用風(fēng)風(fēng)機(jī)機(jī)來來調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)壓壓力力，，消消除除瞬瞬變變壓壓力力所所造造成成的的危危害害。。它它只只能能消消除除列列車車內(nèi)內(nèi)部部的的壓壓力力變變化化，，不不能能削削減減對(duì)對(duì)周周圍圍環(huán)環(huán)境境的的影影響響。。但是，該方法法仍然存在一一定的問題。。首先，它對(duì)對(duì)列車的氣密密性要求較高高。它的首要要目的就是調(diào)調(diào)節(jié)列車內(nèi)外外的壓差。氣氣密性差，就就無法實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)車內(nèi)壓力的的調(diào)節(jié)。實(shí)際際上，正是由由于氣密性差差才會(huì)引起列列車在進(jìn)出隧隧道時(shí)，引起起車內(nèi)的壓力力變化。11/27/20225.4、實(shí)驗(yàn)方法的的研究實(shí)驗(yàn)室方法研究高速列車車的實(shí)驗(yàn)方法法主要有水槽式、發(fā)發(fā)射式及小型型列車模型實(shí)實(shí)驗(yàn)裝置，還還有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)測(cè)方法?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)法11/27/20225.4.1水槽法水槽法是在二二十世紀(jì)六十十年代中期在在美國(guó)興起的的。當(dāng)時(shí)，美美國(guó)的一些技技術(shù)人員利用用可壓縮氣體體與自由表面面流體的相似似性，采用水水作為工作流流體來研究高高速列車通過過隧道的問題題。這種方法法的優(yōu)點(diǎn)是高高速運(yùn)行的列列車可以用很很低的速度來來模擬。然而而，考慮到很很淺的水深，，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是是令人失望的的。11/27/2022153426789101.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8.模型隧道9.驅(qū)動(dòng)電機(jī)10淺水槽.西南交大水槽槽法模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)裝置示意圖圖11/27/20225.4.2小型列車模型型實(shí)驗(yàn)裝置為了保證模型型可靠實(shí)用，，根據(jù)雷諾相相似性，要求求模型的尺寸寸不能小于1/36。同時(shí)，模型型的速度與全全尺寸列車的的速度相同。。根據(jù)這些限限制條件，英英國(guó)的C.W.Pope建造了1/25的小比例列車車模型實(shí)驗(yàn)裝裝置，模型的的車速達(dá)到55m/s，模型的質(zhì)量為為10kg。11/27/2022英國(guó)建建成的的模型型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)臺(tái)11/27/20225.4.3發(fā)射式式列車車模型型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)裝置置日本的的小沢沢智采采用長(zhǎng)長(zhǎng)30mm的鋁管管（前前頭為為半圓圓形））模擬擬列車車，以以橡膠膠彈弓弓方式式發(fā)射射，實(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)時(shí)的速速度通通常為為25m/s。在佐宗宗章弘弘介紹紹的改改進(jìn)模模型中中，采采用的的尺寸寸相似似比為為1/300的模型型，以以壓縮縮空氣氣為動(dòng)動(dòng)力。。發(fā)射射式列列車模模型，，發(fā)射射速度度可達(dá)達(dá)到100m/s。11/27/2022佐宗章章弘765431281.高壓氣體存儲(chǔ)室；2.加速管3.列車助推片脫離裝置4.敞開段5.入口6.實(shí)驗(yàn)隧道段7.出口8.回收裝置圖3列車突入隧道模型實(shí)驗(yàn)裝置11/27/2022日本的的S.Ozawa11/27/20225.4.4國(guó)內(nèi)內(nèi)壓壓縮縮空空氣氣式式高高速速列列車車模模型型實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)系系統(tǒng)統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)臺(tái)臺(tái)的的設(shè)設(shè)備備配配置置高速速列列車車模模型型實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)測(cè)測(cè)試試系系統(tǒng)統(tǒng)列車車模模型型實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)11/27/2022實(shí)驗(yàn)驗(yàn)臺(tái)臺(tái)的的設(shè)設(shè)備備配配置置1.發(fā)射炮2.列車加速片回收機(jī)構(gòu)3.實(shí)驗(yàn)臺(tái)基座4.隧道模型支架5.隧道模型6.導(dǎo)向鋼絲繩7.列車模型回收機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)臺(tái)物理結(jié)構(gòu)示意圖247613217513102100052700114011/27/2022高速列車模型發(fā)射炮裝置圖11/27/2022列車車模模型型實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)聚乙乙烯烯管管作作隧隧道道模模型型、、木木板板為為緩緩沖沖結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)11/27/20222.22.212.222.232.242.252.262.272.282.292.301.9m3.4m6.8m7.6m壓縮波膨脹波車頭車尾-4-2024P/KPa-4-2024P/KPa-4-2024P/KPa模型隧道長(zhǎng)度（米）高速列車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11/27/20220.6m0m1.9mmm3.4m6.8m7.6m壓縮波膨脹波車頭運(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，模型列車速度：71.4m/s）列車緩沖段長(zhǎng)度（米）模型隧道長(zhǎng)度（米）11/27/2022有、、無無緩緩沖沖結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)時(shí)時(shí)的的車車速速與與最最大大壓壓力力的的關(guān)關(guān)系系曲曲線線11/27/2022緩沖沖結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)對(duì)對(duì)壓壓力力變變化化率率的的影影響響11/27/20225.5現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)量量測(cè)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)量量測(cè)測(cè)是是研研究究隧隧道道空空氣氣動(dòng)動(dòng)力力學(xué)學(xué)問問題題最最直直接接的的手手段段，，還還可可對(duì)對(duì)數(shù)數(shù)值值計(jì)計(jì)算算和和室室內(nèi)內(nèi)模模型型試試驗(yàn)驗(yàn)方方法法和和結(jié)結(jié)論論的的正正確確性性進(jìn)進(jìn)行行了了檢檢驗(yàn)驗(yàn)。。我國(guó)國(guó)在在2005年，，在在遂遂渝渝鐵鐵路路進(jìn)進(jìn)行行了了高高速速列列車車的的隧隧道道空空氣氣動(dòng)動(dòng)力力學(xué)學(xué)效效應(yīng)應(yīng)的的現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)實(shí)實(shí)地地試試驗(yàn)驗(yàn)。。11/27/2022松林林坡坡隧隧道道V=200km/hLt=1320mAt=48.6m2周長(zhǎng)長(zhǎng)26.3m測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位位置置223m長(zhǎng)白白山山動(dòng)動(dòng)車車組組Av=12.49m2周長(zhǎng)長(zhǎng)10.78m列車車長(zhǎng)長(zhǎng)度度為為256.5m阻塞塞比比為為0.2411/27/20226、高速鐵鐵路隧道道空氣動(dòng)動(dòng)力學(xué)主主要影響響及效應(yīng)應(yīng)6.1列車速度度及阻塞塞比研究表明明，諸因因素中，，列車速速度V和阻塞比比β是影響最最大的因因素ORE曾經(jīng)系統(tǒng)統(tǒng)地研究究了各種種因素對(duì)對(duì)壓力波波動(dòng)的影影響，用用下列公公式表達(dá)達(dá)列車速速度V和阻塞比比β的影響：：?jiǎn)我涣熊囓囋谒淼赖乐羞\(yùn)行行：考慮列車車交會(huì)：：11/27/2022隧道長(zhǎng)度對(duì)壓壓力波動(dòng)程度度的影響隧道長(zhǎng)度對(duì)壓壓力變化的影影響也很大，，而且，壓力力波動(dòng)程度并并非單調(diào)地隨隨著隧道長(zhǎng)度度的增加而加加劇。11/27/2022法國(guó)專家認(rèn)為為，碎石道床床隧道壓力波波動(dòng)的最大值值出現(xiàn)在對(duì)應(yīng)應(yīng)隧道長(zhǎng)度分分別為0.8，1.2及3.5倍列車長(zhǎng)11/27/2022車輛的密封性性車輛內(nèi)部的瞬瞬變壓力同旅旅客乘車舒適適度有直接關(guān)關(guān)系。隧道內(nèi)內(nèi)的瞬變壓力力向車輛內(nèi)傳傳遞規(guī)律一般般來說取決于于二個(gè)因素：：車輛的密封封性和車體的的剛度。對(duì)列車氣密性性的描述通過過列車的密封封度來實(shí)現(xiàn)。。其物理意義義在于：將車車內(nèi)外壓差降降低到初值的的38%所需的泄露時(shí)時(shí)間。11/27/2022車輛密封性對(duì)對(duì)緩解壓力波波動(dòng)程度的作作用可以歸為為“滯后”和和“衰減”。。采用不密封封的“標(biāo)準(zhǔn)””車輛，車內(nèi)內(nèi)壓力的變化化情況同車外外基本一致，，而采用密封封車輛后車內(nèi)內(nèi)壓力的峰值值滯后。同時(shí)時(shí)，壓力變化化幅度減小。。11/27/2022不同密封程度度車輛對(duì)氣壓壓波動(dòng)的緩沖沖效果11/27/2022當(dāng)列車在大于于臨界長(zhǎng)度的的長(zhǎng)隧道中行行駛時(shí)，隧道道中及列車外外部壓力波動(dòng)動(dòng)的程度同短短隧道相比，，會(huì)有所緩解解。但是，如如果采用密封封車輛，車內(nèi)內(nèi)壓力波動(dòng)幅幅度卻往往比比短隧道大，，這是由于長(zhǎng)長(zhǎng)隧道壓力波波之間的時(shí)間間間隔較大，，使得車內(nèi)壓壓力有足夠的的時(shí)間對(duì)外部部壓力波動(dòng)作作出響應(yīng)?？煽梢哉f，相同同密封指數(shù)的的車輛，在短短隧道中的““動(dòng)態(tài)”密封封效果比長(zhǎng)隧隧道好11/27/202211/27/2022作用在隧道襯襯砌或固定設(shè)設(shè)備上的氣動(dòng)動(dòng)荷載按照德國(guó)聯(lián)邦邦鐵路“鐵路路隧道的設(shè)計(jì)計(jì)，施工和養(yǎng)養(yǎng)護(hù)”標(biāo)準(zhǔn)DS853（1993）的規(guī)定，認(rèn)認(rèn)為隧道內(nèi)空空氣動(dòng)力荷載載最大值都為為kPa量級(jí)，對(duì)隧道道襯砌的安全全性不會(huì)產(chǎn)生生明顯影響，，但對(duì)隧道襯襯砌結(jié)構(gòu)的瑕瑕疵和缺陷的的反應(yīng)較為靈靈敏，同時(shí)對(duì)對(duì)隧道內(nèi)的設(shè)設(shè)備和設(shè)施可可能會(huì)有一定定影響。車輛結(jié)構(gòu)所承承受的氣動(dòng)荷荷載根據(jù)國(guó)際鐵盟盟UIC活頁(yè)文件566中4.2.2條規(guī)定，客車車車身和門窗窗須承受變化化幅度為±2500N/m2，頻率為3HZ的交變荷載1000000次。按該條文文設(shè)計(jì)的車輛輛當(dāng)壓差小于于2.5kPa時(shí)是不會(huì)受到到損害的。11/27/20227、壓力波動(dòng)程度的評(píng)估和和相關(guān)舒適度度準(zhǔn)則7.1人體的舒適度度人的鼻咽腔通通過一個(gè)稱為為耳咽管的器器官同中耳相相連。通常耳耳咽管是關(guān)閉閉的。當(dāng)鼻咽咽腔的壓力比比中耳的壓力力低將近2kPa時(shí)，耳咽管會(huì)會(huì)因收縮而自自動(dòng)打開，在在外界氣壓降降低的情況下下，中耳和外外部氣壓不平平衡即得以消消除，則不會(huì)會(huì)作用于鼓膜膜的兩邊。而而當(dāng)外界氣壓壓增高時(shí)，鼻鼻咽腔隨之增增高的氣壓不不會(huì)自動(dòng)傳到到中耳。因此此在耳膜的兩兩邊產(chǎn)生壓力力差。在這種種情況下必須須通過吞咽、、打呵欠或擠擠捏鼻子等動(dòng)動(dòng)作來人為地地開啟耳咽管管，以消除耳耳膜兩邊的不不平衡壓力。。因此，也有有采用特定時(shí)時(shí)間內(nèi)（3s或4s）壓力單調(diào)變變化值作為瞬瞬變壓力波動(dòng)動(dòng)特征參數(shù)，，其“特定時(shí)時(shí)間”，即3s或4s，正是自動(dòng)或或人為地（通通過生理反應(yīng)應(yīng)）開啟耳咽咽管，建立中中耳和外界的的壓力平衡所所需要的時(shí)間間。11/27/2022時(shí)間（s）壓力變化ΔP（kPa）單線隧道雙線隧道10.500.8540.851.35101.402.10202.003.00302.403.60402.804.20503.204.80荷蘭采用的的舒適度標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)11/27/2022ERRI和UIC采用的舒適適度準(zhǔn)則壓力變化（Pa）時(shí)間（s）ERRI基本舒適度準(zhǔn)則UIC活頁(yè)文件660新型高速列車110005003——80041600——1020001000603000200011/27/2022R.G.Gawthorpe舒適度準(zhǔn)則則旅行類型壓力變化閥值不適率η極端場(chǎng)合正常場(chǎng)合A.常規(guī)，隧道占10%，不密封車輛4.0kPa/4s2.5kPa/4s4.5B.常規(guī)，隧道占25%以上，不密封車輛3.0kPa/4s2.0kPa/4s3.5C.高舒適度服務(wù)，隧道占25%以上，密封車輛1.25KPa/4s0.8kPa/4s2.5D.地鐵，隧道占50%以上，不密封車輛1.0kPa/4s0.7kPa/4s2.011/27/2022我國(guó)高速鐵鐵路舒適度度準(zhǔn)則的建建議(西南鐵科院院)鐵路類型隧道長(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＞41.2511/27/2022輔助坑道對(duì)對(duì)壓力變化化的作用合理設(shè)置的的輔助坑道道（斜井、、豎井和橫橫洞）能緩緩解壓力波波動(dòng)的程度度。計(jì)算表明，，豎井位置置對(duì)減壓效效果的影響響很大，并并不是設(shè)置置在任何位位置的豎井井都能有很很好的效果果根據(jù)壓力力波疊加的的情況可以以理論地得得到豎井的的最佳位置置：11/27/2022隧道口的微微氣壓波問問題搞速列車進(jìn)進(jìn)入隧道，，前方的空空氣受到擠擠壓，這種種擠壓狀態(tài)態(tài)以聲速傳傳播至隧道道出口，驟驟然膨脹，，產(chǎn)生一個(gè)個(gè)被稱為微微氣壓波的的次生波。。由于微氣氣壓波的產(chǎn)產(chǎn)生伴有影影響環(huán)境的的爆破噪聲聲，并會(huì)對(duì)對(duì)鄰近建筑筑物產(chǎn)生危危害。日本山本（（A.Yamamoto）基于線形形聲學(xué)理論論，通過低低頻遠(yuǎn)場(chǎng)假假設(shè)對(duì)微氣氣壓波進(jìn)行行的研究，，微氣壓波波主要取決決于列車進(jìn)進(jìn)入隧道誘誘發(fā)的第一一個(gè)壓縮波波，得出了了微氣壓波波峰值同首首波傳遞到到隧道出口口處時(shí)的壓壓力梯度（（波前梯度度）最大值值的關(guān)系：：的關(guān)系：11/27/2022首波計(jì)算的的經(jīng)驗(yàn)公式式（日本新新干線）日本新干線線對(duì)列車進(jìn)進(jìn)入隧道誘誘發(fā)的“第第一壓縮波波”（首波波）壓力變變化近似地地用下式表表示：日本新干線線對(duì)列車進(jìn)進(jìn)入隧道誘誘發(fā)的“第第一壓縮波波”（首波波）壓力變變化近似地地用下式表表示：壓力和壓力力梯度的最最大值近似似地分別同同車速的平平方和立方方成正比。。相應(yīng)地，，隧道出口口為氣壓波波峰值也同同車速的立立方成正比比11/27/202211/27/202211/27/202211/27/2022首波波在在傳傳播播過過程程中中的的變變化化板板式式道道床床情情況況對(duì)碎碎石石道道床床，，在在利利用用山山本本公公式式計(jì)計(jì)算算微微氣氣壓壓波波峰峰值值時(shí)時(shí)，，還還要要考考慮慮壓壓縮縮波波沿沿隧隧道道傳傳遞遞時(shí)時(shí)的的衰衰減減。。從從隧隧道道進(jìn)進(jìn)口口到到出出口口，，壓壓縮縮波波的的衰衰減減可可表表示示為為：：當(dāng)車車速速為為200～220km/h，可可取取α=1.81××10-411/27/2022板式式道道床床的的情情況況則則比比較較復(fù)復(fù)雜雜。。研研究究表表明明，，壓壓縮縮波波在在板板式式道道床床隧隧道道中中的的傳傳播播規(guī)規(guī)律律同同在在碎碎石石道道床床隧隧道道中中的的情情況況有有所所差差別別，，在在碎碎石石道道床床隧隧道道中中，，不不但但““首首波波””峰峰值值有有較較明明顯顯的的衰衰減減。。而而且且壓壓力力變變化化梯梯度度在在傳傳播播過過程程中中逐逐漸漸變變得得平平緩緩。。而而對(duì)對(duì)于于板板式式道道床床，，當(dāng)當(dāng)隧隧道道長(zhǎng)長(zhǎng)度度增增加加時(shí)時(shí)，，壓壓力力梯梯度度反反而而有有一一定定程程度度的的加加大大。。小小澤澤智智等等人人對(duì)對(duì)日日本本新新干干線線隧隧道道的的統(tǒng)統(tǒng)計(jì)計(jì)資資料料表表明明，，碎碎石石道道床床隧隧道道微微壓壓波波的的最最大大值值隨隨隧隧道道長(zhǎng)長(zhǎng)度度的的增增加加而而降降低低（（““首首波波””峰峰值值和和梯梯度度均均有有明明顯顯衰衰減減））。。相相反反，，板板式式道道床床隧隧道道的的微微壓壓波波最最大大值值隨隨長(zhǎng)長(zhǎng)度度的的增增