高速铁路隧道空气动力学

压力（Pa）
5000
4000
3000
2000
1000
0
-10000.5
1
1.5
2
2.5
3
-2000
-3000 时间（s）
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5.3、削减压缩波及噪声的各种方案的研究
微压波问题主要发生在日本的新干线隧道上，在七十年代末，由 于最初的隧道断面较小（60.5-63.4m2），阻塞比（列车断面与 隧道断面的比值）大于0.2，在列车提速到200km/h后，出现了较 明显的空气噪声问题，由于隧道已经建成，无法扩大断面，于是 就提出了多种修建附属构筑物的改造措施。 微气压波（micro compression wave） 高速列车进入隧道产生的压缩波以声速传播到隧道出口时，一部 分压缩波以膨胀波的形式反射回隧道，另一部分压缩波以球面波 的形式向隧道外空间辐射出去，并伴有爆炸声，造成对周围环境 的污染。辐射出去的压力脉冲波形状为尖三角形，三角形的高度 （压力脉冲的最大值）与列车速度的三次方成正比，与距离隧道 出口处的外部距离成反比。
1
与微气压波最大值之比
0.5LBiblioteka 1 L21L31L21 L32
L22
L31 L33 L32
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
缓冲结构长度/直径
第一个标记代表缓冲结构长度选项；第二个标记代表缓冲结构入 口面积选项。
直线为母线的缓冲结构形式可以将微气压波降低到30%左右。
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有窗口的缓冲结构
乘客舒适度（comfort standard of passenger）
指隧道内产生的压力波动，在极短的时间内传到人体时， 使人体产生生理上的不适-即耳膜压感不适时的最大压 力变化值。通常采用特定时间（3s或4s）内压力单调变 化值作为乘客舒适度的特征参数。（3s或4s，正是人体 自动或人为地完成一次吞咽动作，建立中耳和外界的压 力平2019衡/12/1所6 需要的时间）
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3、产生隧道空气动力学问题的根本原因
产生空气动力学问题的原因比较多，但最根本的 原因就是列车速度过高，隧道净空断面面积比较 小造成的。 国内外的研究表明：隧道内最大压力变化值与列 车的速度的平方成正比，与阻塞比的幂指数成正 比，这个幂指数的取值范围在1.3±0.26之间。
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高速铁路隧道空气动力学
报 告 人：骆建军 北京交通大学隧道及地下工程试验研究中心
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1、定义
高速铁路：一般定义为列车运行速度在200km/h及以上 的铁路干线。 高速铁路是一项十分复杂的系统工程，需要多种学科的 技术支持。许多在低速时可以忽略的现象，在高速时却 变得非常重要。例如高速列车与空气的相互作用就是一 个突出的例子。
1 Ma2

kˆ c
V 3 train
0.105
dp
1
dp
dt hmax 1 0.7688 Lh Sh dt 0max
e 0.39166Sh
p t 0max

f1

f2

f3
0.452
Vtrain 3 Rˆ
影响旅客舒适度的压力指标有两个：一是压力变 化的最大值，另一个是压力变化率的最大值。 日本:1000Pa，300Pa/1.0s。 美国：800Pa, 410Pa/1.7s
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5.2、压力波传播和形成机理及其计算方法的研究
初期，采用一维流。采用特征线理论来得到隧道 轴线方向压力、速度等指标。 M.Schultz等人对短隧道进行研究，指出：在隧 道直径与隧道长度的比值不是很小时，隧道断面 上的压力几乎为常数，可用一维理论分析，但在 车头和车尾处要考虑三维效应，并提出了改进措 施。
交接区域2
交接区域1
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单元区域2
二维网格交接关系图
无限远域
列车
滑移面
地面
隧道
列车、隧道初始位置图
滑移墙
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滑移面
列车刚进隧道位置关系图
列车头部流场压力变化分布（国内）
列车
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隧道 道床
列车
272m
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隧道 道床
数值计算压力变化曲线（国内）
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2、问题的提出
什么是隧道空气动力学问题？ 最常见的最容易感觉的：耳膜不适；列车风 最早出现： 出现在1964年10月1日日本东海道新干线高速铁路隧道 （速度为210km/h，阻塞比为60.5～63.4 m2）。 隧道空气动力学包括下列几个方面
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隧道 列车
隧道空气动力学相关问题
隧道压缩波的最大值与列车移动速度的二次方成比例。 并确定了波形变化的曲线。
p*

1 2
0U
2
(1
1 (1 RT )2 M ){M (1 RT
)2}
p(t) p* ( 1 1 tan1 Ut )
2
0.3d
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随着现代计算机技术和数值计算方法的不断发展，各国 学者对高速列车进入隧道所诱发的空气动力学现象已经 从一维数值模拟上升到二维和三维数值模拟。S.Aita等 人采用三维可压缩等熵欧拉方程进行了隧道单车压力波 数值模拟。国内采用了非定常的三维可压缩不等熵的 Navier-Stokes方程进行了计算，获得了非常好的结果。
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控制措施一
增大隧道断面积
削减压缩波及噪声的最主要的解决方案是选取较大的隧 道断面，减低阻塞比。 根据各国高速铁路的分析可以得到这样的结论，当阻塞 比小于0.15（德、法等国）时，高速列车进洞诱发的空 气动力学问题基本上可以缓解。由此得出满足压力变动 的临界值（3.0kPa/3s）的阻塞比：车速为250km/h，阻 塞比为0.14；车速为350km/h，阻塞比为0.11。
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隧道空气动力学：是指高速列车通过隧道时，所诱发的 一系列与空气动力学相关的物理现象而逐步形成的一门 分支学科。高速铁路空气动力学问题可以分为明线空气 动力学和隧道空气动力学问题两大部分 。 两者的区别： 明线：列车气动阻力；横向风下列车气动特性；列车表 面压力分布；列车空气绕流。 隧道： 与隧道通风问题的区别
高速铁路隧道断面示意图
控制措施二
对于既有线路上，隧道已经建成，无法扩大断面，所以必须在不 改变隧道断面积的情况下，来予以解决。 经过多年的研究和探索以及大量的理论和实验研究，人们已经有 了许多减小压力波和噪声的方法。解决方法主要分为两种： 修建附属构筑物的改造措施：
无开口全封闭缓冲结构 有窗口的缓冲结构 开槽式缓冲结构 人为控制车内压力

0.64 1.3M a6 1 Ma2

m~ c
V 4 train
1.147
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列车进出隧道过程的实现
要很好地模拟列车进出隧道的过程可以采取两种方法： 移动网格法和网格重划分法。
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移动网格法的原理
滑移墙
内部区域
滑移墙
非周期移动所产生的区域
单元区域1
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列车速度与最大压力变化之间的关系（国内）
6 5 4 3
Pmax （Kpa）
2 1 0
0
y = 0.0005x2.0026 R2 = 0.9941
20
40
60
80
100
120
V车 （m/s）
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有缓冲结构时压力波的变化规律（国内）
pmax

p1
p2

p3
1.36Vtrain 2
列车突入侧洞口
140
15
32
31
15
32
15
25 15 15
63 68
单位：mm； 比例：1/143
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压缩波与微压波形成机理
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（2）当列车尾端进入隧道后，由于车尾产生的负压低 于大气压力，原先经过环状空间流到隧道入口外的空气 改变流向，流入列车后方的隧道空间，而且隧道外的空 气也流入该空间。由于经环状空间流入车后隧道空间的 空气流量小于列车所排挤开的空气流量，于是在列车尾 端形成了低于洞口外大气压的压力，即产生膨胀波，该 波沿隧道以声速向出口方向传播。传播到出口端后，大 部分以压缩波形式反射回来，沿隧道长度方向向进口端 传播。
滑流及列车风 隧道洞口微气压波（声爆） 隧道内热环境，通风运营及防火 压力波动，隧道内人体舒适性，隧道净空断面设计参数的确定 隧道列车“活塞风”对隧道内工作人员及设备安全性的影响 空气阻力、运行速度、运行能耗 乘客人体舒适性、列车内环境（压力变化及空调通风）、列车外表面
压力变化 气动噪音 车头、车尾的空气动力特性
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5、国内外对高速铁路隧道空气动力学研究现状
对于高速铁路隧道空气动力学的研究，我国起步比较晚， 日本及许多西方国家对此做了大量研究，其研究范围主 要集中在如下四个方面： • （1）压力波的变化梯度及乘客的舒适度的研究； • （2）压力波和微压波的传播和形成机理及其计算方法 的研究； • （3）削减压缩波和微压波的各种方案的研究； • （4）实验方法的研究
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线路
日本东海新干线 日本山阳新干线 日本上越新干线 巴黎-大西洋干线 汉堡-慕尼黑干线 罗马-米兰干线
列车速度(Km/h) 210 230 240 270 250 250
隧道横断面积(m2) 64 64 64 71 82 76