隧道空气动力学

2013-5-17
5.1、压力波的变化梯度及乘客的舒适度的研究
列车提速是为了满足乘客快捷、舒适、安全的需要，必 须将乘客的感受和要求放在第一位。列车车速的提高， 会使列车在进出隧道时引起车内的较大压力变化，造成 乘客耳膜的疼痛不适，因此在车速提高的同时，必须采 用一定的标准，保证列车在进入隧道时车厢内压力的变 化不能超过一定的限度。 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 2013-5-17 力平衡所需要的时间）
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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
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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在小沢智通过对列车冲出隧道形成微气压波的大量测试 表明，微压波与列车移动速度的三次方成比例，并建立 了微气压波变化的曲线方程。微气压波的最大值和微气 压波曲线方程。
pmax
ˆV 3 / r K train
2
p(t ) pmax /{1 (t / 1 ) }
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。
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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4、隧道空气动力学的特性
隧道内空气流动物理特征 （1）当列车驶入隧道瞬间，由于空气的压缩性及列车壁 和隧道壁限制了空气侧向流和向上流的空间，使紧贴车 头前的空气受到压缩并随列车向前流动，造成列车前方 的空气压力突然升高，产生压缩波。被列车排挤的另一 部分空气则通过环状空间向列车后方流动。随着列车的 进一步驶入隧道，环状空间长度逐步增大，使车前隧道 空间的空气压力继续升高，即压缩波的强度继续增大， 直到列车全部进入隧道为止。该波以声速向前传播。波 前方的空气流速为零，而波后方的空气以一定的流速随 着列车向前流动。压缩波传播到出口后，一部分以膨胀 波形式反射回来，另一部分以微气压波形式传出隧道出 2013-5-17 口。
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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
Pmax （Kpa）
y = 0.0005x2.0026 R2 = 0.9941
3 2 1 0 0 20 40
V车 （m/s）
60
80
100
120
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有缓冲结构时压力波的变化规律（国内）
p max p1 p 2 p3
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无开口全封闭缓冲结构
D
缓冲结构的长度分为三种： 1：…………….. l 70 mm 2：…………….. l 140 mm ，l / d 1.11 ； ，l / d 2.22 ；
3：…………….. l 210 mm ，l / d 3.33 ； 同时，入口面积又分为三种： 1：…………….. D 77.2m m 2：…………….. D 89.0m m
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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
dp dt hmax
1.36Vtrain
2
1 M a
2
ˆ k 3 Vtrain 0.105 c
1 dp 0.7688 Lh S h dt 0max 1 e 0.39166Sh
~ Vtrain 3 0.64 1.3M a 6 m p 4 f 1 f 2 f 3 0.452 Vtrain 1.147 R 1 M 2 ˆ c t 0 max a
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（3）由于壁面摩擦不断消耗波的能量，以及波在隧道两 端和列车两端处多次反射和传递使得压缩波和膨胀波相 互重叠，所以压缩波和膨胀波的强度逐渐衰减。同时， 各种传递波和反射波的叠加，形成了隧道内空气压力随 时间变化而波动。 （4）对于一系列前后相继的隧道空气压缩波，后面的波 速比前面的波速快，最终可能叠加在一起而形成激波。
单位：cm
高速铁路隧道断面示意图
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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
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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。
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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。
1 1 (1 RT ) 2 p 0U 2 (1 M ){M (1 RT ) 2 }
2 *
1 1 1 Ut p (t ) p ( tan ) 2 0.3d
*
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线路
日本东海新干线
列车速度(Km/h)
隧道横断面积(m2)
阻塞比
210
64
0.21
日本山阳新干线
230
64
0.21
日本上越新干线
240
64
0.21
巴黎-大西洋干线
270
71
0.15
汉堡-慕尼黑干线
250
82
0.13
罗马-米兰干线
250
76
0.18
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综合各国的隧道断面图，高速铁路隧道断面由下列空间构成：隧 道建筑界限、轨道数量、线间距、预留空间、减小空气动力学效 应的空间、设备安装空间等。根据各国高速铁路隧道断面经验和 我国具体情况的要求，我国初步确定京沪高速铁路隧道断面参数 如下图（100m2）。
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 列车 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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3、产生隧道空气动力学问题的根本原因
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， ， ，
( D / d ) 2 1 .5
2
( D / d ) 2 .0
； ； ；
3：…………….. D 99.6m m
( D / d ) 2 2 .5
缓冲结构降低微气压波的效果
1
与微气压波最大值之比
L11
L21
L31
L33
0.5
L21 L32 L31 L22 L32
高速铁路隧道空气动力学
报 告 人：骆建军