高速列車(chē)隧道的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)及解決措施

1、高速列車(chē)隧道的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)及解決 措施【提 要】 ： 隨著軌道交通的高速化，列車(chē)高速運(yùn)行對(duì)人員和環(huán)境的影響越來(lái)越明顯。本文主要針對(duì)高速列車(chē)通過(guò)隧 道所產(chǎn)生的各類(lèi)空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，對(duì)國(guó)內(nèi)外高速隧道的舒適 度指標(biāo)、阻塞比進(jìn)行對(duì)比，分析各類(lèi)空氣動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的取值 情況，并詳細(xì)論述了降低空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)影響的各類(lèi)措施。 【 關(guān) 鍵 詞 】： 高 速 列 車(chē) 隧 道 空 氣 動(dòng) 力 學(xué) Abstract:Inthewakeofhighspeedtendencyofrailtransit,h ighspeedtrainhasexertedmoreapparentimpactsonpersonne landen

2、vironment.Thispaperchieflyanalysesvariouscateg oriesofaerodynamiccriteriasettingsupagainstcomfortne sscriteriaandblockrate,prevailingindomesticandforeig nhighspeedrailwaytunnels,intermsofvariousaerodynamic problemscausedbyhighspeedtrainpassthroughinthetunnel ,aswellasgivesadetaileddiscussiononvariou

3、scountermea suresputagainstinfluencescausedbyreducedaerodynamice ffect.Keywords:highspeedtrain ， tunnel ， aerodynamics.1 高速列車(chē)隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)高速列車(chē)進(jìn)入隧道后將隧道內(nèi)原有的部分空氣排開(kāi)，由于空氣粘性和隧道內(nèi)壁、列車(chē)外表面摩阻力的存在，被排開(kāi)的空氣不能象明線空氣那樣及時(shí)、順暢地沿列車(chē)周側(cè)形成繞流，列車(chē)前方的空氣受到壓縮，而列車(chē)尾部進(jìn)入隧道后會(huì)形成一定的負(fù)壓，因此產(chǎn)生了壓力波動(dòng)過(guò)程。這種壓力波動(dòng)以聲速傳播至隧道口，大部分發(fā)生反射，產(chǎn)生瞬變壓力；而另一部分則形成向隧道外的脈

4、沖狀壓力波輻射，即微氣壓波。這些都會(huì)對(duì)高速列車(chē)運(yùn)營(yíng)、人員舒適度和環(huán)境造成一系列影響：（ 1） 高速列車(chē)經(jīng)過(guò)隧道時(shí)，瞬變壓力造成旅客和乘務(wù)人員耳膜明顯不適、舒適度降低；（ 2） 高速列車(chē)進(jìn)入隧道時(shí)，會(huì)在隧道出口產(chǎn)生微氣壓波，發(fā)出轟鳴聲，使隧道口附近建筑物門(mén)窗發(fā)生振動(dòng)，產(chǎn)生擾民的環(huán)境問(wèn)題；（ 3）行車(chē)阻力增大，從而使運(yùn)營(yíng)能耗增大；（ 4）形成空氣動(dòng)力學(xué)噪聲；（ 5） 列車(chē)克服阻力所作的功轉(zhuǎn)化為熱量，在隧道中積聚引起溫度升高等。2 空氣動(dòng)力學(xué)指標(biāo)2.1 舒適度標(biāo)準(zhǔn) 高速列車(chē)在隧道中運(yùn)行時(shí)的舒適度與高速列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)產(chǎn)生的壓力變化有關(guān), 其壓力變化值與列車(chē)速度的平方成正比，列車(chē)速度越高、壓力變化值就越

5、大。當(dāng)壓力變化值達(dá)到一定的強(qiáng)度，列車(chē)外部的壓力波傳播到列車(chē)內(nèi)部，瞬變壓力傳到人體時(shí), 會(huì)對(duì)耳膜產(chǎn)生影響，使乘客有不舒適的感覺(jué)。因此需要根據(jù)壓力的變化值和人體對(duì)壓力變化值的適應(yīng)性制定出衡量舒適程度的標(biāo)準(zhǔn)，即舒適度。評(píng)估壓力波動(dòng)程度一般需考慮最大壓力變化值和最大壓力變化率兩個(gè)參數(shù)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)， 這兩種指標(biāo)單獨(dú)使用都不能合理地反應(yīng)乘客舒適度。因此目前較通用的評(píng)估參數(shù)是相應(yīng)于某一指定短時(shí)間內(nèi)的壓力變化值，例如3s 內(nèi)最大壓力變化值或4s 內(nèi)最大壓力變化值。 所謂 3s 或 4s 大致相當(dāng)于完成耳腔壓力調(diào)節(jié)所需的時(shí)間。下面簡(jiǎn)要介紹幾個(gè)建有高速鐵路國(guó)家的舒適度標(biāo)準(zhǔn)。2.1.1 日本高速鐵路舒適度標(biāo)準(zhǔn)日本是

6、目前世界上高速鐵路最發(fā)達(dá)的國(guó)家，由于其國(guó)土狹小多山，因此高速干線上隧道也較多，但隧道斷面較小，阻塞比較高。日本鐵路當(dāng)局對(duì)其在新干線上運(yùn)行的高速列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)的舒適度標(biāo)準(zhǔn)定為最大壓力變化絕對(duì)值=1000Pa （適用于密閉車(chē)輛），最大壓力變化頻率=200Pa/s近年來(lái)日本鐵路當(dāng)局出于經(jīng)濟(jì)角度考慮，將這一標(biāo)準(zhǔn)放寬到最大壓力變化頻率=300Pa/s2.1.2 英國(guó)鐵路舒適度標(biāo)準(zhǔn)英國(guó)西海岸電氣化高速鐵路沿線地區(qū)隧道少，且長(zhǎng)度多為中、短隧道，但隧道的斷面積較小，高速列車(chē)通過(guò)時(shí)引起的壓力瞬變相當(dāng)強(qiáng)烈。1973 年英國(guó)當(dāng)局將舒適度標(biāo)準(zhǔn)定為最大壓力變化值=3000Pa/3s1986 年英國(guó)鐵路當(dāng)局為城市間的運(yùn)輸

7、又將舒適度標(biāo)準(zhǔn)修改為最大壓力變化值= 4000Pa/4s英法海峽隧道在兩條主隧道和一條輔助隧道間有很多橫向通道，當(dāng)列車(chē)以120km/h 速度行駛時(shí)，每隔 7s 就能通過(guò)一個(gè)橫通道，因此壓力波容易得到釋放，車(chē)輛前后的壓力差較易趨于平衡，其舒適度指標(biāo)比較嚴(yán)格：最大壓力變化絕對(duì)值=450Pa對(duì)于海峽聯(lián)絡(luò)線，考慮到隧道占鐵路總長(zhǎng)的30%， 其舒適度指標(biāo)定為單線隧道：最大壓力變化值=2500Pa/4s雙線隧道：最大壓力變化值=3000Pa/4s2.1.3 德國(guó)高速鐵路舒適度標(biāo)準(zhǔn)德國(guó)在 20 世紀(jì) 80 年代初開(kāi)始修建高速鐵路網(wǎng)，路網(wǎng)上有大量隧道。為解決舒適度問(wèn)題，德國(guó)鐵路當(dāng)局采取了加大隧道斷面積，減小阻

8、塞比的措施，效果比較明顯，其舒適度 標(biāo)準(zhǔn)與日本相同： 最大壓力變化絕對(duì)值= 1000Pa,最大壓力變化頻率=200Pa/s同樣也允許將這一標(biāo)準(zhǔn)放寬到：300400Pa/s2.1.4 美國(guó)地鐵隧道美國(guó)運(yùn)輸部門(mén)制定的地鐵舒適度標(biāo)準(zhǔn)為最大壓力變化值=700Pa/1.7s ,最大壓力變化頻率= 410Pa/s2.1.5 國(guó)際鐵路聯(lián)盟關(guān)于舒適度的研究為了研究高速列車(chē)在隧道中行駛時(shí)出現(xiàn)的生理學(xué)問(wèn)題，國(guó)際鐵路聯(lián)盟的C149專(zhuān)家委員會(huì)專(zhuān)門(mén)成立了一個(gè)包括醫(yī)生在內(nèi)的工作小組，對(duì)英國(guó)鐵路部門(mén)在1973 年制定的有關(guān)高速列車(chē)旅客承受空氣壓力瞬變的舒適度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢查，即在相對(duì)不太頻繁的壓力變化下，在3s 內(nèi)壓力變化最大

9、值不超過(guò)3000Pa。檢查結(jié)果表明，英國(guó)鐵路規(guī)定的3000Pa是旅客接受 的舒適度限度值。2.1.6 我國(guó)高速鐵路南京長(zhǎng)江隧道的控制標(biāo)準(zhǔn) 從旅客乘車(chē)舒適度要求出發(fā)，我國(guó)正在研究中的京滬高速鐵路南京長(zhǎng)江隧道的控制標(biāo)準(zhǔn)為最大壓力變化頻率= 3000Pa/3s2.2 隧道口環(huán)境要求隧道出口處的微氣壓波峰值控制標(biāo)準(zhǔn)參照日本資料并結(jié)合我國(guó)京滬高速鐵路南京長(zhǎng)江隧道出口處的控制標(biāo)準(zhǔn)（ 表 1）從表 2可以看出各國(guó)對(duì)高速隧道阻塞比的要求差別很大。在相同車(chē)速下，以日本新干線為代表的高速隧道凈空面積相對(duì)較小，除歷史原因外，日本認(rèn)為依靠修建緩沖棚和密封車(chē)輛可以緩解瞬變壓力和微氣壓波的影響；而以德國(guó)為代表的歐洲國(guó)家主

10、要是通過(guò)擴(kuò)大隧道凈空面積來(lái)減緩空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的影響，這增加了土建工程費(fèi)用，但可在較大程度上改善列車(chē)的運(yùn)營(yíng)條件和舒適度指標(biāo)。3 降低空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的措3.1 車(chē)輛方面的措施3.1.1 車(chē)輛的密封性我們所討論的舒適度是車(chē)內(nèi)旅客乘車(chē)的舒適度，因此我們更為關(guān)心的是車(chē)內(nèi)壓力變化情況。在其他條件相同的情況下，車(chē)輛密閉性能越好，車(chē)輛內(nèi)的最大瞬變壓力就越小。3.1.2 車(chē)輛的外形車(chē)輛外形的改善可從車(chē)輛的橫斷面積和車(chē)頭形狀考慮：在隧道橫斷面凈面積不變的前提下，減小車(chē)輛的橫斷面積可降低阻塞比，有效降低隧道內(nèi)的瞬變壓力，進(jìn)而可緩解車(chē)內(nèi)的瞬變壓力。3.2 隧道構(gòu)造措施3.2.1 設(shè)珞緩沖段在隧道的口部設(shè)珞緩沖段可減小

11、列車(chē)進(jìn)入隧道時(shí)產(chǎn)生壓 縮波的波前壓力梯度，因?yàn)閴嚎s波的波前壓力梯度與列車(chē)速度的三次方成正比，所以減小壓力梯度的效果可轉(zhuǎn)換成降低列車(chē)速度的效果，進(jìn)而可以明顯地降低微氣壓波以及由此而產(chǎn)生的噪聲和對(duì)環(huán)境的影響。緩沖段的橫斷面形狀可為拱形或?yàn)殚T(mén)形，要求在其兩側(cè)可按一定的比例開(kāi)孔；沿其縱向可做成逐漸擴(kuò)大的型式或喇 叭形。3.2.2 設(shè)珞橫洞對(duì)于雙洞單線隧道在每隔一定的距離采用橫洞連通，以起到減壓風(fēng)道的作用。在英法海峽隧道中就采用了橫向通道來(lái)釋放壓力波（其減壓風(fēng)道間距為250ml風(fēng)道直徑為2m）,這種風(fēng)道可減少對(duì)列車(chē)的空氣動(dòng)力阻力。3.2.3 增加隧道斷面面積增加隧道斷面面積對(duì)于降低空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)是不言而

12、喻的，其可以將隧道斷面放大；也可以采用單洞雙線的隧道。但是前者會(huì)增加造價(jià)，后者當(dāng)列車(chē)在隧道中會(huì)車(chē)時(shí)，會(huì)加劇空氣動(dòng)力效應(yīng)。3.2.4 設(shè)珞豎井在隧道內(nèi)適當(dāng)位珞修建通風(fēng)豎井（或斜井），以降低壓縮波梯度。這種豎井應(yīng)盡可能利用施工留下的工作井。該豎井的位珞應(yīng)兼顧到高速列車(chē)行車(chē)時(shí)降低瞬變壓力的要求。3.2.5 噪聲隧道周壁采用吸音材料貼面，以降低空氣動(dòng)力學(xué)噪聲。3.2.6 隱蔽及設(shè)珞隧道內(nèi)設(shè)施應(yīng)盡量隱蔽設(shè)珞，對(duì)在隧道內(nèi)必須設(shè)珞的設(shè)施采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，以防列車(chē)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的列車(chē)風(fēng)對(duì)設(shè)施的破壞。3.2.7 隔熱設(shè)珞列車(chē)克服阻力所做的功轉(zhuǎn)化為熱量，在隧道中積聚引起溫度升高。為此可設(shè)珞通風(fēng)并，配珞風(fēng)機(jī)排由在隧道中因列車(chē)克服阻力而產(chǎn)生的熱量或其他原因產(chǎn)生的熱量，英法海峽隧道亦采用機(jī)械通風(fēng)方法排由隧道內(nèi)的熱量3.2.8 防水設(shè)珞其他措施還有如在隧道內(nèi)設(shè)珞水幕、噴水滴等。4結(jié)語(yǔ)本文論述了高速列車(chē)通過(guò)隧道所產(chǎn)生的各類(lèi)空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，列舉了降低空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)影響的各類(lèi)措施，并針對(duì)各國(guó)高速列車(chē)隧道的舒適度指標(biāo)、阻塞比進(jìn)行分析，為在我國(guó)建造高速列車(chē)隧道提供一些有益的幫助。參考文獻(xiàn) 1 前田達(dá)夫、袁順德. 高速鐵道的空氣力學(xué)現(xiàn)象與環(huán)境問(wèn)題 . 隧道及地下工程，1999； (1) ： 56-59 2王悅新等. 降低高