隧道空气动力学

2023/2/3高速铁路隧道空气动力学北京交通大学隧道及地下工程试验研究中心报告人：骆建军2023/2/31、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。2023/2/3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2023/2/32、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60.5～63.4m2）。隧道空气动力学包括下列几个方面2023/2/3隧道空气动力学相关问题隧道滑流及列车风隧道洞口微气压波（声爆）隧道内热环境，通风运营及防火压力波动，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列车空气阻力、运行速度、运行能耗乘客人体舒适性、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2023/2/33、产生隧道空气动力学问题的根本原因

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。2023/2/34、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口。2023/2/3压缩波与微压波形成机理2023/2/3

（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。2023/2/3

（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。2023/2/35、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2023/2/35.1、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（comfortstandardofpassenger）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力平衡所需要的时间）2023/2/3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/1.7s2023/2/35.2、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。2023/2/3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。2023/2/3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。2023/2/3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。

2023/2/3列车速度与最大压力变化之间的关系（国内）Pmax（Kpa）V车（m/s）2023/2/3有缓冲结构时压力波的变化规律（国内）2023/2/3列车进出隧道过程的实现要很好地模拟列车进出隧道的过程可以采取两种方法：移动网格法和网格重划分法。2023/2/3移动网格法的原理滑移墙滑移墙内部区域非周期移动所产生的区域单元区域1交接区域1交接区域2单元区域2

二维网格交接关系图2023/2/3列车隧道滑移面无限远域

列车、隧道初始位置图地面列车刚进隧道位置关系图滑移墙滑移面2023/2/3列车头部流场压力变化分布（国内）列车隧道道床2023/2/3隧道列车道床272m2023/2/3数值计算压力变化曲线（国内）2023/2/32023/2/35.3、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（microcompressionwave）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。2023/2/3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。

2023/2/3线路列车速度(Km/h)隧道横断面积(m2)阻塞比日本东海新干线210640.21日本山阳新干线230640.21日本上越新干线240640.21巴黎-大西洋干线270710.15汉堡-慕尼黑干线250820.13罗马-米兰干线250760.182023/2/3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）。高速铁路隧道断面示意图单位：cm2023/2/3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2023/2/3无开口全封闭缓冲结构D2023/2/3缓冲结构降低微气压波的效果L11L21L31L21L22L32L31L32L33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。

2023/2/3有窗口的缓冲结构

开窗式隧道缓冲结构模型6368153132151515321401525窗口单位：mm；比例：1/143列车突入侧洞口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。2023/2/3开槽式缓冲结构开槽式缓冲结构的横截面积与隧道截面相同，通过在缓冲结构顶部开槽，起到缓冲作用，可将微压波峰值降至20-30%。

2023/2/3人为控制车内压力通风系统通过调节风流的进入和排出，从而实现对车内压力的调节。K.Akutsu等人对此方法进行了研究，用风机来调节压力，消除瞬变压力所造成的危害。它只能消除列车内部的压力变化，不能削减对周围环境的影响。但是，该方法仍然存在一定的问题。首先，它对列车的气密性要求较高。它的首要目的就是调节列车内外的压差。气密性差，就无法实现对车内压力的调节。实际上，正是由于气密性差才会引起列车在进出隧道时，引起车内的压力变化。

2023/2/35.4、实验方法的研究

实验室方法研究高速列车的实验方法主要有水槽式、发射式及小型列车模型实验装置，还有现场实测方法。现场实验法2023/2/35.4.1水槽法水槽法是在二十世纪六十年代中期在美国兴起的。当时，美国的一些技术人员利用可压缩气体与自由表面流体的相似性，采用水作为工作流体来研究高速列车通过隧道的问题。这种方法的优点是高速运行的列车可以用很低的速度来模拟。然而，考虑到很浅的水深，实验结果是令人失望的。2023/2/3153426789101.测控计算机2.监测计算机3.视频分配器4.反光镜5.缝隙光源6.CCD镜头7.模型列车8.模型隧道9.驱动电机10浅水槽.

西南交大水槽法模型实验装置示意图2023/2/35.4.2小型列车模型实验装置为了保证模型可靠实用，根据雷诺相似性，要求模型的尺寸不能小于1/36。同时，模型的速度与全尺寸列车的速度相同。根据这些限制条件，英国的C.W.Pope建造了1/25的小比例列车模型实验装置，模型的车速达到55m/s，模型的质量为10kg。2023/2/3英国建成的模型实验台2023/2/35.4.3发射式列车模型实验装置日本的小沢智采用长30mm的铝管（前头为半圆形）模拟列车，以橡胶弹弓方式发射，实验时的速度通常为25m/s。在佐宗章弘介绍的改进模型中，采用的尺寸相似比为1/300的模型，以压缩空气为动力。发射式列车模型，发射速度可达到100m/s。2023/2/3佐宗章弘765431281.高压气体存储室；2.加速管3.列车助推片脱离装置4.敞开段5.入口6.实验隧道段7.出口8.回收装置图3列车突入隧道模型实验装置2023/2/3日本的S.Ozawa2023/2/35.4.4国内压缩空气式高速列车模型实验系统实验台的设备配置高速列车模型实验测试系统列车模型实验2023/2/3实验台的设备配置1.发射炮2.列车加速片回收机构3.实验台基座4.隧道模型支架5.隧道模型6.导向钢丝绳7.列车模型回收机构实验台物理结构示意图24761321751310210005270011402023/2/3高速列车模型发射炮装置图2023/2/3列车模型实验聚乙烯管作隧道模型、木板为缓冲结构2023/2/30.6m0m1.9mmm3.4m6.8m7.6m压缩波膨胀波车头运动轨迹缓冲结构压力测试历时变化（缓冲结构长：60cm，阻塞比：0.272，模型列车速度：71.4m/s）列车缓冲段长度（米）模型隧道长度（米）2023/2/3有、无缓冲结构时的车速与最大压力的关系曲线2023/2/3缓冲结构对压力变化率的影响2023/2/35.5现场量测

现场量测是研究隧道空气动力学问题最直接的手段，还可对数值计算和室内模型试验方法和结论的正确性进行了检验。我国在2005年，在遂渝铁路进行了高速列车的隧道空气动力学效应的现场实地试验。2023/2/3

松林坡隧道V=200km/hLt=1320mAt=48.6m2周长26.3m测点位置223m

长白山动车组Av=12.49m2周长10.78m列车长度为256.5m阻塞比为0.242023/2/36、高速铁路隧道空气动力学主要影响及效应6.1列车速度及阻塞比研究表明，诸因素中，列车速度V和阻塞比β是影响最大的因素

ORE曾经系统地研究了各种因素对压力波动的影响，用下列公式表达列车速度V和阻塞比β的影响：单一列车在隧道中运行：考虑列车交会：

2023/2/3隧道长度对压力波动程度的影响隧道长度对压力变化的影响也很大，而且，压力波动程度并非单调地随着隧道长度的增加而加剧。2023/2/3法国专家认为，碎石道床隧道压力波动的最大值出现在对应隧道长度分别为0.8，1.2及3.5倍列车长2023/2/3车辆的密封性车辆内部的瞬变压力同旅客乘车舒适度有直接关系。隧道内的瞬变压力向车辆内传递规律一般来说取决于二个因素：车辆的密封性和车体的刚度。对列车气密性的描述通过列车的密封度来实现。其物理意义在于：将车内外压差降低到初值的38%所需的泄露时间。

2023/2/3车辆密封性对缓解压力波动程度的作用可以归为“滞后”和“衰减”。采用不密封的“标准”车辆，车内压力的变化情况同车外基本一致，而采用密封车辆后车内压力的峰值滞后。同时，压力变化幅度减小。

2023/2/3不同密封程度车辆对气压波动的缓冲效果

2023/2/3当列车在大于临界长度的长隧道中行驶时，隧道中及列车外部压力波动的程度同短隧道相比，会有所缓解。但是，如果采用密封车辆，车内压力波动幅度却往往比短隧道大，这是由于长隧道压力波之间的时间间隔较大，使得车内压力有足够的时间对外部压力波动作出响应。可以说，相同密封指数的车辆，在短隧道中的“动态”密封效果比长隧道好

2023/2/32023/2/3作用在隧道衬砌或固定设备上的气动荷载按照德国联邦铁路“铁路隧道的设计，施工和养护”标准DS853（1993）的规定，认为隧道内空气动力荷载最大值都为kPa量级，对隧道衬砌的安全性不会产生明显影响，但对隧道衬砌结构的瑕疵和缺陷的反应较为灵敏，同时对隧道内的设备和设施可能会有一定影响。车辆结构所承受的气动荷载

根据国际铁盟UIC活页文件566中4.2.2条规定，客车车身和门窗须承受变化幅度为±2500N/m2，频率为3HZ的交变荷载1000000次。按该条文设计的车辆当压差小于2.5kPa时是不会受到损害的。2023/2/37、压力波动程度的评估和相关舒适度准则

7.1人体的舒适度人的鼻咽腔通过一个称为耳咽管的器官同中耳相连。通常耳咽管是关闭的。当鼻咽腔的压力比中耳的压力低将近2kPa时，耳咽管会因收缩而自动打开，在外界气压降低的情况下，中耳和外部气压不平衡即得以消除，则不会作用于鼓膜的两边。而当外界气压增高时，鼻咽腔随之增高的气压不会自动传到中耳。因此在耳膜的两边产生压力差。在这种情况下必须通过吞咽、打呵欠或挤捏鼻子等动作来人为地开启耳咽管，以消除耳膜两边的不平衡压力。因此，也有采用特定时间内（3s或4s）压力单调变化值作为瞬变压力波动特征参数，其“特定时间”，即3s或4s，正是自动或人为地（通过生理反应）开启耳咽管，建立中耳和外界的压力平衡所需要的时间。2023/2/3时间（s）压力变化ΔP（kPa）单线隧道双线隧道10.500.8540.851.35101.402.10202.003.00302.403.60402.804.20503.204.80荷兰采用的舒适度标准2023/2/3ERRI和UIC采用的舒适度准则

压力变化（Pa）时间（s）ERRI基本舒适度准则UIC活页文件660新型高速列车110005003——80041600——102000100060300020002023/2/3R.G.Gawthorpe舒适度准则

旅行类型压力变化阀值不适率η极端场合正常场合A.常规，隧道占10%，不密封车辆4.0kPa/4s2.5kPa/4s4.5B.常规，隧道占25%以上，不密封车辆3.0kPa/4s2.0kPa/4s3.5C.高舒适度服务，隧道占25%以上，密封车辆1.25KPa/4s0.8kPa/4s2.5D.地铁，隧道占50%以上，不密封车辆1.0kPa/4s0.7kPa/4s2.02023/2/3我国高速铁路舒适度准则的建议(西南铁科院)铁路类型隧道长度（占线路比例）隧道密集程度（座/小时）瞬变压力（kPa/3s）A（平原)单线＜10%而且＜42.0B（平原)双线＜10%而且＜43.0C（山丘）单线＞25%或者＞40.8D（山丘）双线＞25%或者＞41.252023/2/3辅助坑道对压力变化的作用

合理设置的辅助坑道（斜井、竖井和横洞）能缓解压力波动的程度。计算表明，竖井位置对减压效果的影响很大，并不是设置在任何位置的竖井都能有很好的效果根据压力波叠加的情况可以理论地得到竖井的最佳位置：2023/2/3隧道口的微气压波问题

搞速列车进入隧道，前方的空气受到挤压，这种挤压状态以声速传播至隧道出口，骤然膨胀，产生一个被称为微气压波的次生波。由于微气压波的产生伴有影响环境的爆破噪声，并会对邻近建筑物产生危害。日本山本（A.Yamamoto）基于线形声学理论，通过低频远场假设对微气压波进行的研究，微气压波主要取决于列车进入隧道诱发的第一个压缩波，得出了微气压波峰值同首波传递到隧道出口处时的压力梯度（波前梯度）最大值的关系：的关系：2023/2/3首波计算的经验公式（日本新干线）日本新干线对列车进入隧道诱发的“第一压缩波”（首波）压力变化近似地用下式表示：日本新干线对列车进入隧道诱发的“第一压缩波”（首波）压力变化近似地用下式表示：压力和压力梯度的最大值近似地分别同车速的平方和立方成正比。相应地，隧道出口为气压波峰值也同车速的立方成正比2023/2/32023/2/32023/2/32