高速列车空气动力学效应.docx

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全隧道口，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 OOOPa （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/s2.1.2 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/3s1986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/4s2.1.3 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/s2.1.4 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/s2.1.5 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/3s2.2 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）。

袤1 NK迺出口住丘压谨控制瑕值表洵口建幸艮物无特坯环境要求 <20」 搁口建就物有将蛛环境要求 袪环博耍畿控制>50 匣涓口 20米处 <5023薰道略面积和苗塞比裳求根罄各圜离速嵌监^道的试验研笫报骨，增大璇遁斯雨祝、减4湖塞比超障低瞬吏压力的有效趣 径.下面堵 列出几个图凉融钱睛醴道的断面积潮塞出整用值陶特蕨说明外，均0总侗邨油例人表2直建扶路的1«逍彦斤面枳及 阴塞忧顶目速度加⑹断面阻寒比£1060.S0 21山^新千线260五40 21日本上越霸干线刚53 420车北if祕26053.40.2山梨域500T4.0Q. 1Z^国巴黎~大西洋干戟300她言丁0.1WT 15 0..2曼酱鹅期图力瞬Z50直昵0.13泯诺威F尔茨堡250直艇曲堰94a 13意大刑罗马佛罗论弊2505360.13建：①paAtt等于列车的播时面积与隧谥的i争空面积之tt；换道的〉争空面积为：在才瞻就虐结枸惯断面枳、沿蛊道锹商那置的各类设备的横断面^之后* 表3 RE道面积和车速*魁萋床关系表隧道长度B A150米 1550米隧道速度V to/h）单洞戒钱面积曲）25060400 95帧12070400ISO4sa225类型阻塞比0 210 13a 110 180.070.06单洞单线面积曲）2743TO—85120阻塞出0 470.250 IB0.350 15011注：①表内阻塞比均按一列车遽过隧道计整;②对于瓦他速度可遽过线性插值得到＜・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）兄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缓冲段的横断面形状可为拱形或为门形，要求在其两侧可按一定的比例开孔；沿其纵向可做成逐渐扩大的型式或喇叭形。

322 设置横洞对于双洞单线隧道在每隔一定的距离采用横洞连通，以起到减压风道的作 用在英法海峡隧道中就采用了横向通道来释放压力波（其减压风道间距为250m, 风道直径为2m）,这种风道可减少对列车的空气动力阻力3.2.3 增加隧道断面面积增加隧道断面面积对于降低空气动力学效应是不言而喻的，其可以将隧道断 面放大；也可以采用单洞双线的隧道但是前者会增加造价，后者当列车在隧道中 会车时，会加剧空气动力效应3.2.4 设置竖井在隧道内适当位置修建通风竖井（或斜井），以降低压缩波梯度这种翌井 应尽可能利用施工留下的工作井该竖井的位置应兼顾到高速列车行车时降低瞬变 压力的要求3.2.5 噪声隧道周壁采用吸音材料贴面，以降低空气动力学噪声3.2.6 隐蔽及设置隧道内设施应尽量隐蔽设置，对在隧道内必须设置的设施采取适当的防护措 施，以防列车运行时产生的列车风对设施的破坏3.2.7 隔热设置列车克服阻力所做的功转化为热量，在隧道中积聚引起温度升高为此可设 置通风井，配置风机排出在隧道中因列车克服阻力而产生的热量或其他原因产生的 热量，英法海峡隧道亦采用机械通风方法排出隧道内的热量3.2.8 防水设置其他措施还有如在隧道内设置水幕、喷水滴等。