隧道空气动力学效应调研报告--邓锷

隧道空气动力学效应调研报告

一、概念的提出

随着世界各国高速铁路的飞速发展，我国高速铁路建设正进入一个黄金发展时期,京津城际客运专线,胶济客运专线,武广客运专线等相继投入运营。由于我国山岭众多及高速铁路的平顺性要求,不可避免的会修建大量的隧道,高速列车在隧道内运行时的空气动力学效应（以下简称气动效应）问题随之而来。

由于隧道空间的半封闭性,当列车由空阔地带高速驶入隧道时,车体附近的空气被迅速排开,空气的粘性以及隧道壁面和列车表面的摩阻作用使得被排开的空气不能像在空阔区域一样及时、顺畅地沿列车两侧和上部流动,列车前方的空气被压缩,空气压强骤然增大而形成压缩波,并以声速向四周传播[1]。这种冲击波会对隧道内的附属物如接触网悬挂设备,信号、照明设备等悬挂设备产生的一定的冲击力,这种冲击力的作用时间相对较短,但是这是一种反复作用的冲击,容易造成附属结构物的疲劳损伤,使用性能下降,从而对附属设施的使用寿命产生影响。高速铁路压力波的数值与列车速度的平方近似成正比,因此与普速铁路隧道相比,这种反复作用的冲击力对设备的影响要大得多。

二、隧道气动效应存在的主要问题

由于高速列车的速度一般都在200km/h以上,也就是说,马赫数将达到0.17以上,属亚音速范围,由此引发的隧道空气动力问题一直困扰着行车安全和进一步提高列车速度的关键问题之一,国内外对此进行了大量的研究,其中包括如下几个方面:

2.1 洞口微气压波问题

当初始压缩波传播到隧道口的时候,一部分被隧道出口反射,向隧道入口处传播,另一部分则直接向隧道外辐射,形成微气压波,在隧道洞口形成爆破噪声,轻者会造成环境污染,严重时会影响洞口的建筑物,特别是日本等地高速铁路洞口附近经常有居民住宅,部分新干线通车后造成了住宅窗户玻璃破碎事故。为此日、德、美等国进行了大量的研究,特别是小迟智和Howe等人对此进行了详细的理论推导[2],目前国内外提出了在洞口建缓冲结构、隧道内建浅支洞、增大隧道断面积等一系列措施,有效地缓解了洞口微气压波的危害,目前这些措施都已在国内新建的京沪、武广、郑西、石太等客运专线中成功应用。

2.2 列车风对线路附近人员的影响

高速列车在运行过程中会引起附近空气随之一起运动,根据己有研究成果,列车风的相当风力如表2-1所示。

表2-1 列车风的相当阻力

由此可见,当列车高速运行时,列车风的相当风力级已经远远超过了12级的超强台风。这种强风按照一定的规律在列车周围分布,列车表面的风力最大,在隧道壁处最小,对车体、站台和工作人员的安全性以及隧道内附属设施的安全性均会造成一定的影响。

关于列车风对车体、站台和工作人员的安全性问题,日本、英国和美国等对此进行了较多研究,并提出了各自的安全退让距离执行标准[3]。国内的王韦、李人宪、雷波等人从数值模拟和理论分析等方法对此进行了较详细的研究,在长大隧道(L≥1140m)内,铁路工作人员的安全距离内的风速标准值为12m/s,欧洲的标准值也是12m/s；在短隧道内，风速标准值为10m/s,并对退让距离做了相应研究[4]。这为我国新建客运专线隧道的建设提供了一定的参考依据,但针对列车风对隧道内附属设施的影响方面,目前相关的研究报道还很少。

2.3 高速列车乘坐环境舒适性问题

列车在隧道内运行过程中车厢内压力会出现急剧变化,当车厢内压力变化幅度和变化频率很大时,车厢内乘客就会感觉耳鸣、耳痛等不适症状,乘车舒适度降低,严重条件下会造成中耳炎,并对铁路员工和车辆产生危害。日本、英国等高速铁路发达国家对此进行了大量研究,国内的中南大学、西南院都对此进行了相关研究,并根据我国高速铁路的特点和我国的人体生理条件提出了自己的技术标准[5]。

2.4 高速列车的行车阻力问题

由于高速列车在运行过程中车头和车尾压力存在一定的压力差,当列车在隧道内运行时,行车阻力将更加显著,已有资料显示[6]，当列车速度超过250km/h后,列车的压差阻力将占列车整体运行阻力的60%以上,严重地增加了列车动力能量的消耗。为此国内外各国对此给予了重点关注,特别是德国和日本等高速列车研究能力较强的国家进行了一系列的研究,此外国内部分科研单位也进行了一定的研究。

2.5 气动效应对隧道内附属设施的影响

高速铁路隧道内的附属物主要包括接触网悬挂件(拱顶)、通信电缆支架(边墙)、设备洞室门(边墙)、风机(边墙)、联络通道防护门等。对于高速铁路隧道空气动力学效应对隧道内附属物的疲劳耐久性和安全性所产生的不利影响,目前国内还缺乏系统的研究数据。铁道部于2003年发布的《新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定》仅作了部分说明,而且行车速度仅为20Okm/h；对于时速在250～350公里的高速客运专线没有相关的标准和规范可以借鉴。国外对此方面的研究成果仅应用于3O0km时速以下,其隧道内轮廓和洞内附属设备与国内的情况也不尽相同,而我国京津城际列车、武广客运专线等运行速度已经达到35Okm/h,在此速度之下高速列车进入隧道后的反复冲击力对隧道附属物的力学影响国内外还未进行过系统的研究。

三、气动效应的主要研究方法

目前国内外对于高速铁路隧道空气动力学的研究方法主要有三种:理论分析、数值计算和试验研究

3.1 理论分析

高速列车在隧道中运行时引起的空气流动是不稳定的三维瞬态湍流流动,德国学者Tollmien在早期己经开展对隧道空气动力学问题的研究,其假设列车进入隧道引起的流动是不可压无旋流动,给出了理想列车在隧道中运行时的二维势流解[7]。

研究早期,根据多数情况下隧道长度远大于隧道断面直径的特点,日本学者原朝茂将隧道内复杂的三维瞬态湍流流动简化为一维空气流动,发展和完善了隧道压力波一维流动理论和特征线法求解方法[8],山本彬完善了原朝茂的理论,并利用线性声学理论对微压波进行了研究,得到了利用初始压力波求解车壁摩擦系数的方法[9],并采用低频远场假设得出了隧道内的压力计算公式[10]。利用该理论,山本彬、Vardy等研究了喇叭状隧道端口对初始压力波的影响[11],Valensi利用不可压缩稳定流模型,提出了地铁会车和双洞双线隧道压力波的理论预测方法[12],随后各国学者又提出了定密度有限音速非定常流动模型、可压缩等嫡非定常流动模型、可压缩不等嫡非定常流动模型等一维空气流动计算模型。

目前,国内外大多研究者认为,列车在隧道内运行时引起的空气流动是三维、可压缩、非定常湍流流动,目前该方面的研究也已较为完善,建立了相应的控制方程,并采用数值方法进行求解。