高速列車通過隧道時產(chǎn)生的空氣動力學(xué)問題

主講老師：張俊儒

現(xiàn)在是1頁\一共有43頁\編輯于星期四基本現(xiàn)象產(chǎn)生的相關(guān)空氣動力學(xué)問題解決措施（乘客舒適度）現(xiàn)在是2頁\一共有43頁\編輯于星期四一高速列車通過隧道時產(chǎn)生的現(xiàn)象現(xiàn)在是3頁\一共有43頁\編輯于星期四（一）基本現(xiàn)象強烈沖擊靜止空氣場，列車前方的空氣受到壓縮，后方則形成的負(fù)壓。這就產(chǎn)生一個壓力波動過程。壓力波動以聲速傳播至隧道口形成反射波，回傳，疊加，產(chǎn)生一系列復(fù)雜的空氣動力學(xué)效應(yīng)?，F(xiàn)在是4頁\一共有43頁\編輯于星期四空氣動力學(xué)效應(yīng)隧道設(shè)計和運營的意義瞬變壓力車內(nèi)瞬變壓力旅客舒適度車上壓力波動最大幅度乘客和乘務(wù)員的健康隧道內(nèi)壓力峰值襯砌和設(shè)施的氣動荷載車內(nèi)外壓差車輛結(jié)構(gòu)的氣動荷載微氣壓波隧道口環(huán)境列車空氣阻力平均阻力牽引計算阻力過程限坡空氣流動列車風(fēng)隧道中設(shè)備安全空氣動壓高速列車通過隧道時，產(chǎn)生的壓力波動過程引起一系列與隧道設(shè)計和運營密切相關(guān)的空氣動力學(xué)效應(yīng)?，F(xiàn)在是5頁\一共有43頁\編輯于星期四高速列車運行引起的問題有：1．由于瞬變壓力造成旅客及乘務(wù)人員耳膜不適，舒適度降低，并對鐵路員工和車輛產(chǎn)生危害；2．高速列車進入隧道時，會在隧道出口產(chǎn)生微壓波，發(fā)出轟鳴聲，使附近房屋門窗嘎嘎啦作響，引起擾民問題；3．行車阻力增大。它運營能耗增大，并要求機車動力增大；4．形成空氣動力學(xué)噪聲（與車速的6-8次方成正比）；5．列車風(fēng)加劇，影響隧道維修養(yǎng)護人員的正常作業(yè)；6．機車車體的形式與隧道斷面間的相關(guān)動力學(xué)特性等。現(xiàn)在是6頁\一共有43頁\編輯于星期四二產(chǎn)生的相關(guān)空氣動力學(xué)問題現(xiàn)在是7頁\一共有43頁\編輯于星期四阻塞比及隧道橫斷面的概念從各國的實踐看，隧道橫斷面的決定主要是采用阻塞比，即采用列車斷面積與隧道斷面積的比值來決定。這里的隧道斷面積，通常是指軌道面以上的斷面積。也就是，在列車尺寸、形狀一定的條件下，如何根據(jù)列車速度確定合理的阻塞比，而后根據(jù)列車斷面積決定合理的隧道橫斷面積。

0.13左右現(xiàn)在是8頁\一共有43頁\編輯于星期四瞬變壓力影響瞬變壓力的因素影響瞬變壓力的因素包括列車速度、列車長度、車形、列車橫截面積、列車表面摩擦系數(shù)以及隧道凈空有效而積、隧道長度、隧道壁面摩擦系數(shù)等。研究表明，諸因素中，列車速度和阻塞比β是具有最大影響的因素。

此外，同列車速度v和阻塞比β不同，隧道長度的影響呈現(xiàn)出比較復(fù)雜的非單調(diào)特性，這是需要加以特殊考慮的?，F(xiàn)在是9頁\一共有43頁\編輯于星期四隧道長度對壓力波動程度的影響現(xiàn)在是10頁\一共有43頁\編輯于星期四現(xiàn)在是11頁\一共有43頁\編輯于星期四隧道內(nèi)瞬變壓力向車輛內(nèi)傳遞的規(guī)律取決于車輛的密封性和車體的剛度。當(dāng)車輛完全不密封，即車內(nèi)外空氣的質(zhì)量交換無阻尼時，車外壓力和車內(nèi)壓力相等。當(dāng)車輛完全密封，即車內(nèi)外空氣無質(zhì)量交換，車體的剛度又較大時，則車外的壓力瞬變對車內(nèi)無影響。實際上，上面的兩種極端情況都是不存在的。------密封指數(shù)瞬變壓力向列車內(nèi)傳遞現(xiàn)在是12頁\一共有43頁\編輯于星期四密封指數(shù)現(xiàn)在是13頁\一共有43頁\編輯于星期四現(xiàn)在是14頁\一共有43頁\編輯于星期四根據(jù)泄漏試驗來測定車輛的靜態(tài)密封指數(shù)現(xiàn)在是15頁\一共有43頁\編輯于星期四車輛的密封程度現(xiàn)在是16頁\一共有43頁\編輯于星期四現(xiàn)在是17頁\一共有43頁\編輯于星期四圖中所示為不同密封程度車輛對氣壓波動的緩解效果的計算結(jié)果現(xiàn)在是18頁\一共有43頁\編輯于星期四三解決措施（舒適度）現(xiàn)在是19頁\一共有43頁\編輯于星期四瞬變壓力會造成旅客耳朵不適，必須采取加大凈空有效面積，提高車輛密封指數(shù)等措施，控制車廂內(nèi)瞬變壓力的程度。因此，需要從旅客乘車舒適度出發(fā)，對壓力波動程度進行評估并提出相關(guān)舒適度準(zhǔn)則。

人耳的感受！舒適度準(zhǔn)則現(xiàn)在是20頁\一共有43頁\編輯于星期四當(dāng)外界氣壓增高時，鼻咽腔隨之增高的氣壓不會自動傳到中耳，因此在耳膜的兩邊產(chǎn)生壓力差。在這種情況下，必須通過吞咽、打呵欠或擠捏鼻子等動作來人為地開啟耳咽管，以消除耳膜兩邊的不平衡壓力。因此，也有采用特定時間（3s或4s)壓力單調(diào)變化值作為瞬變壓力波動特征參數(shù)，其特定時間（3s或4s)正是自動或人為地（通過生理反應(yīng)）開啟耳咽管，建立中耳和外界的壓力平衡所需要的時間。人的鼻咽腔通過一個稱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，耳咽管會因收縮而自動打開，在外界氣壓降低的情況下，中耳和外部氣壓不平衡即以消除，則不會作用于鼓膜的兩邊。現(xiàn)在是21頁\一共有43頁\編輯于星期四荷蘭采用的舒適度準(zhǔn)則時間（s）壓力變化（kPa）單線隧道雙線隧道10.500.8540.851.35101.402.10202.003.00302.403.60402.804.20503.204.80在國外高速鐵路設(shè)計中，通常采用一定時間內(nèi)壓力單調(diào)變化值來制訂舒適度準(zhǔn)則，從生理學(xué)角度較科學(xué)地給出了同舒適度相關(guān)聯(lián)的壓力波動閾值?，F(xiàn)在是22頁\一共有43頁\編輯于星期四ERRI（歐洲鐵道研究協(xié)會）和UIC（國際鐵路聯(lián)盟）采用的舒適度準(zhǔn)則時間（s）壓力變化（Pa）ERRI基本舒適度準(zhǔn)則UIC活頁文件660新型高速列車11000500≤3——800≤41600——≤1020001000≤6030002000現(xiàn)在是23頁\一共有43頁\編輯于星期四ERRI和UIC采用的舒適度準(zhǔn)則現(xiàn)在是24頁\一共有43頁\編輯于星期四目前，我國在高速鐵路隧道設(shè)計時，從經(jīng)濟、技術(shù)的合理性出發(fā)，采用的舒適度準(zhǔn)則為3kPa/3s；從而降低對車輛密封性的要求?，F(xiàn)在是25頁\一共有43頁\編輯于星期四擴大斷面尺寸

根據(jù)我國不同的行車速度目標(biāo)值和運行列車的限界，考慮空氣動力學(xué)效應(yīng)等各種情況，擬定下列隧道凈空有效面積標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在是26頁\一共有43頁\編輯于星期四擴大斷面尺寸

現(xiàn)在是27頁\一共有43頁\編輯于星期四擴大斷面尺寸

現(xiàn)在是28頁\一共有43頁\編輯于星期四現(xiàn)在是29頁\一共有43頁\編輯于星期四輔助坑道現(xiàn)在是30頁\一共有43頁\編輯于星期四輔助坑道現(xiàn)在是31頁\一共有43頁\編輯于星期四除了豎井位置外，豎井橫斷面積也存在最佳值。無端加大豎井橫斷面積并不能取得理想的效果。輔助坑道現(xiàn)在是32頁\一共有43頁\編輯于星期四荷蘭高速鐵路隧道設(shè)計中提供了利用輔助坑道緩解瞬變壓力的例子。圖所示的水下隧道從防災(zāi)要求出發(fā)，用隔墻將結(jié)構(gòu)分成兩個單線隧道空間。為了緩解瞬變壓力，不但在隧道兩端修建了豎井，而且在隔墻上開設(shè)小孔，開孔面積為0.01㎡/m。研究表明，通過這兩個措施，在滿足同等旅客乘車舒適度的情況下，凈空有效面積可以減小(下頁表)，這就使工程造價大為降低。輔助坑道現(xiàn)在是33頁\一共有43頁\編輯于星期四輔助坑道現(xiàn)在是34頁\一共有43頁\編輯于星期四5入口緩沖結(jié)構(gòu)（出口）為減小高速列車進入隧道產(chǎn)生的空氣動力學(xué)效應(yīng)對洞口周圍環(huán)境的影響，在隧道入口處，設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在是35頁\一共有43頁\編輯于星期四日本新干線由于修建的較早，沒有充分認(rèn)識到高速鐵路隧道的空氣動力學(xué)效應(yīng)，隧道洞門按傳統(tǒng)修建，隧道的橫斷面積只有64m2。列車突入隧道時形成的壓縮波在傳播至出口處時，除了發(fā)生反射外，還有一部分以脈沖波的形式向外輻射出去（即微壓波），引起爆鳴聲并可能危及洞口建筑物。為了緩沖這些空氣動力學(xué)效應(yīng)，日本的做法就只能是在原有洞口處加設(shè)緩沖棚。

洞口處加設(shè)的緩沖棚1傳統(tǒng)的緩沖結(jié)構(gòu)——日本現(xiàn)在是36頁\一共有43頁\編輯于星期四2現(xiàn)代的加帽檐切削式洞門緩沖結(jié)構(gòu)——德國、韓國德國和韓國對隧道入口緩沖段的做法都是通過在正切洞門的基礎(chǔ)上加設(shè)帽檐形成類似喇叭口形入口。德國高速鐵路隧道帽檐切削式洞門現(xiàn)在是37頁\一共有43頁\編輯于星期四為證實加帽檐正切式洞門的緩沖效果，對普通端墻式洞門和加帽檐正切式洞門分別進行了計算分析。為具有可比性，兩者的隧道橫斷面凈空面積均取為100平方米（隧道斷面采用半徑R＝6.87m的單心圓形式）?，F(xiàn)在是38頁\一共有43頁\編輯于星期四現(xiàn)在是39頁\一共有43頁\編輯于星期四相對于普通端墻式洞門，帽檐正切式洞門壓力開始增大的時間提前了。列車進洞時的壓力隨時間變化曲線現(xiàn)在是40頁\一共有43頁\編輯于星期四相對于普通端墻式洞門，帽檐正切式洞門壓力梯度明顯降低，且速度越高，壓力梯度降低的越多。列車進洞時的壓力變化梯度現(xiàn)在是41頁\一共有43頁\編輯于星期四3臺灣緩沖洞門形式臺灣對隧道洞口緩沖段采取有頂面開口的擴大斷面正切形式。隧道橫斷面是影響隧道空氣動力學(xué)效應(yīng)的重要因素之一，可以想象當(dāng)隧道橫斷面足夠大時，就不會存在空氣動力學(xué)效應(yīng)，當(dāng)然這樣做的成本是令人無法接受的。洞口擴大斷面的設(shè)置使列車周圍的空間實現(xiàn)階梯形變化