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1、高速列车隧道的空气动力学效应及解决措施论文高速列车隧道的空气动力学效应及解决措施论文【提要】：随着轨道交通的高速化，列车高速运行对人员和环境的影响越来 越明显。本文主要针对高速列车通过隧道所产生的各类空气动力学 问题，对国内外高速隧道的舒适度指标、阻塞比进行对比，分析各 类空气动力学指标的取值情况，并详细论述了降低空气动力学效应 影响的各类措施。【关键词】：高速列车隧道空气动力学Abstract:Inthewakeofhighspeedtendencyofrailtransit,highspeedtrain hasexertedmoreapparentimpactsonpersonneland
2、environment.This paperchieflyanalysesvariouscategoriesofaerodynamiccriterias ettingsupagainstcomfortnesscriteriaandblockrate,prevailingi ndomesticandforeignhighspeedrailwaytunnels,intermsofvarious aerodynamicproblemscausedbyhighspeedtrainpassthroughinthetu nnel,aswellasgivesadetaileddiscussiononvari
3、ouscountermeasur esputagainstinfluencescausedbyreducedaerodynamiceffect.Keywords:highspeedtrain，tunnel，aerodynamics.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
4、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
5、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。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
6、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= 1000Pa （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
7、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7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
8、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= 1000Pa，最大压力变化频率=200Pa/s同样也允许将这一标准放宽到：300400Pa/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
9、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）。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
10、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
11、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。3.2.2 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
12、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 这种竖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
13、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。4结语本文论述了高速列车通过隧道所产生的各类空气动力学问题，列 举了降低空气动力学效应影响的各类措施，并针对各国高速列车隧 道的舒适度指标、阻塞比进行分析，为在我国建造高速列车隧道提 供一些有益的帮助。参考文献1 前田达夫、袁顺德.高速铁道的空气力学现象与环境问题. 隧道及地下工程，1999；(1)：56-592 王悦新等.降低高速铁路隧道空气动力效应的工程对策.铁 道建筑，1994 年第2 期3 王文志.高速列车通过隧道时舒适度标准述评.隧道及地下 工程，1997.3, P35394 关宝树.高速铁路与隧道工程.铁道建筑.1995.6, P35 王建宇.关于高速铁路隧道设计参数问题.世界隧道, 1998.5,P176 王奇湘.对于确定高速铁路隧道断面的研究.世界隧道, 1995,(3),19-24
