隧道空气动力学问题导论资料
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Байду номын сангаас
0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 缓冲结构长度/直径 3 3.5 4
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。
2018/10/25
有窗口的缓冲结构
列车突入侧洞口 140 31 63 68 单位：mm； 15 比例：1/143 32 15 32 15 15 25 窗口 15
2018/10/25
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
*
2018/10/25
2018/10/25
， ， ，
( 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 L32
L31
L33
0.5
L21 L31 L22 L32
2018/10/25
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 2018/10/25 力平衡所需要的时间）
2018/10/25
2018/10/25
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。
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
2018/10/25
3、产生隧道空气动力学问题的根本原因
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 V train 1.147 2 ˆ c t 0 max R 1 Ma
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
2018/10/25
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。
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。
单位：cm
高速铁路隧道断面示意图
2018/10/25
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
开窗式隧道缓冲结构模型
对于有窗口的缓冲结构，需确定合适的窗口面积的大小。窗口部分设在 缓冲结构的侧面，其长度可以等于或小于缓冲棚全长。同全封闭式的缓 冲结构相比，带窗口的缓冲棚具有更好的降压效果。该缓冲结构可以将 微气压波降低到无缓冲结构时的0.45。
2018/10/25
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
2018/10/25
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）。
2018/10/25
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
3 ˆ KVtrain / r
p(t ) pmax /{1 (t / 1 ) }
2
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。
2018/10/25
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
2018/10/25
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
2018/10/25
列车头部流场压力变化分布（国内）
隧道 列车
道床
2018/10/25
272m 列车
隧道
道床
2018/10/25
数值计算压力变化曲线（国内）
5000 4000 3000
压力（Pa）
2000 1000 0 -10000.5 -2000 -3000 时间（s） 1 1.5 2 2.5 3
2018/10/25
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
2018/10/25
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
2018/10/25
隧道空气动力学相关问题 滑流及列车风 隧道洞口微气压波（声爆） 隧道 隧道内热环境，通风运营及防火
2018/10/25
（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。
压缩波与微压波形成机理
2018/10/25
（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。
2018/10/25
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。
2018/10/25
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
2018/10/25
有缓冲结构时压力波的变化规律（国内）
p max p1 p 2 p3
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。
2018/10/25
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 2018/10/25 口。
0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 缓冲结构长度/直径 3 3.5 4
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。
2018/10/25
有窗口的缓冲结构
列车突入侧洞口 140 31 63 68 单位：mm； 15 比例：1/143 32 15 32 15 15 25 窗口 15
2018/10/25
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
*
2018/10/25
2018/10/25
， ， ，
( 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 L32
L31
L33
0.5
L21 L31 L22 L32
2018/10/25
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 2018/10/25 力平衡所需要的时间）
2018/10/25
2018/10/25
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。
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
2018/10/25
3、产生隧道空气动力学问题的根本原因
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 V train 1.147 2 ˆ c t 0 max R 1 Ma
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
2018/10/25
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。
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。
单位：cm
高速铁路隧道断面示意图
2018/10/25
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
开窗式隧道缓冲结构模型
对于有窗口的缓冲结构，需确定合适的窗口面积的大小。窗口部分设在 缓冲结构的侧面，其长度可以等于或小于缓冲棚全长。同全封闭式的缓 冲结构相比，带窗口的缓冲棚具有更好的降压效果。该缓冲结构可以将 微气压波降低到无缓冲结构时的0.45。
2018/10/25
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
2018/10/25
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）。
2018/10/25
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
3 ˆ KVtrain / r
p(t ) pmax /{1 (t / 1 ) }
2
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。
2018/10/25
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
2018/10/25
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
2018/10/25
列车头部流场压力变化分布（国内）
隧道 列车
道床
2018/10/25
272m 列车
隧道
道床
2018/10/25
数值计算压力变化曲线（国内）
5000 4000 3000
压力（Pa）
2000 1000 0 -10000.5 -2000 -3000 时间（s） 1 1.5 2 2.5 3
2018/10/25
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
2018/10/25
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
2018/10/25
隧道空气动力学相关问题 滑流及列车风 隧道洞口微气压波（声爆） 隧道 隧道内热环境，通风运营及防火
2018/10/25
（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。
压缩波与微压波形成机理
2018/10/25
（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。
2018/10/25
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。
2018/10/25
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
2018/10/25
有缓冲结构时压力波的变化规律（国内）
p max p1 p 2 p3
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。
2018/10/25
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 2018/10/25 口。