高速列车空气动力学效应

1高速列车隧道空气动力学效应

高速列车进入隧道后将隧道内原有的部分空气排开，由于空气粘性和隧道内壁、列车外表面摩阻力的存在，被排开的空气不能象明线空气那样及时、顺畅地沿列车周侧形成绕流，列车前方的空气受到压缩，而列车尾部进入隧道后会形成一定的负压，因此产生了压力波动过程。这种压力波动以声速传播至隧道口，大部分发生反射，产生瞬变压力；而另一部分则形成向隧道外的脉冲状压力波辐射，即微气压波。这些都会对高速列车运营、人员舒适度和环境造成一系列影响：（1）高速列车经过隧道时，瞬变压力造成旅客和乘务人员耳膜明显不适、舒适度降低；

（2）高速列车进入隧道时，会在隧道出口产生微气压波，发出轰鸣声，使隧道口附近建筑物门窗发生振动，产生扰民的环境问题；

（3）行车阻力增大，从而使运营能耗增大；

（4）形成空气动力学噪声；

（5）列车克服阻力所作的功转化为热量，在隧道中积聚引起温度升高等。 2空气动力学指标

2.1舒适度标准

高速列车在隧道中运行时的舒适度与高速列车通过隧道时产生的压力变化有关,其压力变化值与列车速度的平方成正比，列车速度越高、压力变化值就越大。当压力变化值达到一定的强度，列车外部的压力波传播到列车内部，瞬变压力传到人体时,会对耳膜产生影响，使乘客有不舒适的感觉。因此需要根据压力的变化值和人体对压力变化值的适应性制定出衡量舒适程度的标准，即舒适度。评估压力波动程度一般需考虑最大压力变化值和最大压力变化率两个参数。经研究发现，这两种指标单独使用都不能合理地反应乘客舒适度。因此目前较通用的评估参数是相应于某一指定短时间内的压力变化值，例如3s内最大压力变化值或4s内最大压力变化值。所谓3s或4s大致相当于完成耳腔压力调节所需的时间。

下面简要介绍几个建有高速铁路国家的舒适度标准。

2.1.1日本高速铁路舒适度标准

日本是目前世界上高速铁路最发达的国家，由于其国土狭小多山，因此高速干线上隧道也较多，但隧道断面较小，阻塞比较高。日本铁路当局对其在新干线上运行的高速列车通过隧道时的舒适度标准定为

最大压力变化绝对值＝1 000Pa（适用于密闭车辆），最大压力变化频率＝200Pa/s

近年来日本铁路当局出于经济角度考虑，将这一标准放宽到

最大压力变化频率＝300Pa/s

2.1.2英国铁路舒适度标准

英国西海岸电气化高速铁路沿线地区隧道少，且长度多为中、短隧道，但隧道的断面积较小，高速列车通过时引起的压力瞬变相当强烈。1973年英国当局将舒适度标准定为

最大压力变化值＝3000Pa/3s

1986年英国铁路当局为城市间的运输又将舒适度标准修改为

最大压力变化值＝4000Pa/4s

英法海峡隧道在两条主隧道和一条辅助隧道间有很多横向通道，当列车以120km/h速度行驶时，每隔7s就能通过一个横通道，因此压力波容易得到释放，车辆前后的压力差较易趋于平衡，其舒适度指标比较严格：

最大压力变化绝对值＝450Pa

对于海峡联络线，考虑到隧道占铁路总长的30%，其舒适度指标定为

单线隧道：最大压力变化值＝2500Pa/4s

双线隧道：最大压力变化值＝3000Pa/4s

2.1.3德国高速铁路舒适度标准

德国在20世纪80年代初开始修建高速铁路网，路网上有大量隧道。为解决舒适度问题，德国铁路当局采取了加大隧道断面积，减小阻塞比的措施，效果比较明显，其舒适度标准与日本相同：

最大压力变化绝对值＝1 000Pa，最大压力变化频率＝200Pa/s

同样也允许将这一标准放宽到：300～400Pa/s

2.1.4美国地铁隧道

美国运输部门制定的地铁舒适度标准为

最大压力变化值＝700Pa/1.7s，最大压力变化频率＝410Pa/s

2.1.5国际铁路联盟关于舒适度的研究

为了研究高速列车在隧道中行驶时出现的生理学问题，国际铁路联盟的C149专家委员会专门成立了一个包括医生在内的工作小组，对英国铁路部门在1973年制定的有关高速列车旅客承受空气压力瞬变的舒适度标准进行检查，即在相对不太频繁的压力变化下，在3s内压力变化最大值不超过3000Pa。检查结果表明，英国铁路规定的3000Pa是旅客接受的舒适度限度值。

2.1.6我国高速铁路南京长江隧道的控制标准

从旅客乘车舒适度要求出发，我国正在研究中的京沪高速铁路南京长江隧道的控制标准为

最大压力变化频率＝3000Pa/3s

2.2隧道口环境要求

隧道出口处的微气压波峰值控制标准参照日本资料并结合我国京沪高速铁路南京长江隧道出口处的控制标准(表1)。

从表2可以看出各国对高速隧道阻塞比的要求差别很大。在相同车速下，以日本新干线为代表的高速隧道净空面积相对较小，除历史原因外，日本认为依靠修建缓冲棚和密封车辆可以缓解瞬变压力和微气压波的影响；而以德国为代表的欧洲国家主要是通过扩大隧道净空面积来减缓空气动力学效应的影响，这增加了土建工程费用，但可在较大程度上改善列车的运营条件和舒适度指标。

3降低空气动力学效应的措施

3.1 车辆方面的措施

3.1.1 车辆的密封性

我们所讨论的舒适度是车内旅客乘车的舒适度，因此我们更为关心的是车内压力变化情况。在其他条件相同的情况下，车辆密闭性能越好，车辆内的最大瞬变压力就越小。

3.1.2 车辆的外形

车辆外形的改善可从车辆的横断面积和车头形状考虑：在隧道横断面净面积不变的前提下，减小车辆的横断面积可降低阻塞比，有效降低隧道内的瞬变压力，进而可缓解车内的瞬变压力。

3.2 隧道构造措施

3.2.1设置缓冲段

在隧道的口部设置缓冲段可减小列车进入隧道时产生压缩波的波前压力梯度，因为压缩波的波前压力梯度与列车速度的三次方成正比，所以减小压力梯度的效果可转换成降低列车速度的效果，进而可以明显地降低微气压波以及由此而产生的噪声和对环境的影响。