第二部分-高速铁路隧道(空气动力学)-chPPT课件.ppt

二 高速铁路隧道空气动力学 1 定义之三 1986年1月 国际铁路联盟秘书长勃莱认为 高速列车最高运行速度至少应达到200km h 因此 国际上目前列车最高运行速度达到200km h及其以上的铁路为高速铁路 最高速度为140 160km h时为快速铁路 速度为120km h时为常速铁路 一 高速铁路的定义 定义之一 1970年5月 日本在第71号法律 全国新干线铁路整备法 中规定 列车在主要区间能以200km h以上速度运行的干线铁道称为高速路 定义之二 1985年5月 联合国欧洲经济委员会将高速铁路的列车最高运行速度规定为 客运专线300km h 客货混线250km h 2 定义之四 我国把新建最高运行速度达到250km h和改建或增建第二线最高行车速度达到200km h的铁路称为高速铁路 另外把设计速度目标值为200km h及以上 短距离城市之间连接的客运专线铁路称为城际铁路 一 高速铁路的定义 3 二 世界各国高速铁路长度统计 1964年世界上第一条高速铁路 东海道新干线在日本开通以来 目前世界上高速铁路的发展可谓方兴未艾 目前全世界高速铁路运营里程已达6678km 4 高速铁路是铁路现代化的重要标志 具有以下特点 运输能力大环境污染小行车速度高安全性能好占用土地少特点 5 据不完全统计 截止到2005年底 全世界已经建成的高速铁路隧道总长度已经超过1400km 根据国务院2004年批复的 中长期铁路网规划 到2020年 我国修建的高速铁路隧道总长度将超过1000km 其中 2006年已经开工建设的高速铁路项目中 隧道座数超过500座 总长度已经超过700km 三 世界各国高速铁路隧道长度统计 6 当列车进入隧道时 原来占据着空间的空气被排开 空气的粘性以及隧道壁面和列车表面的摩阻作用使得被排开的空气不能像隧道外那样及时 顺畅地沿列车两侧和上部形成绕流 于时 列车前方的空气受压缩 列车后方则形成一定的负压 这就产生一个压力波动过程 这种压力波动又以声速传播至隧道口 形成反射波 回传 叠加 产生一系列复杂的空气动力学效应 四 高速铁路隧道设计关键技术 一 空气压力波动及相应的空气动力学问题 7 这些因列车在隧道内高速行驶引起的空气动力学效应包括 瞬变压力 微压波 空气动力荷载 列车风以及列车空气阻力 它们对乘车的旅客 洞口环境 机车车辆 行车 隧道结构和隧道内各种附属结构物都存在不利的影响 主要表现在以下五个方面 1 瞬变压力 压力波动 降低旅客乘车舒适度 2 微压波 产生爆破噪声 影响隧道洞口环境和建筑物安全 3 空气动力荷载 对隧道衬砌及附属结构物施加额外的交变气动荷载 4 列车风 影响隧道内作业人员及设备安全 5 列车空气阻力 降低牵引能力 增加牵引能耗 四 高速铁路隧道设计关键技术 一 空气压力波动及相应的空气动力学问题 8 1 隧道内空气压力波的变化规律 试验对象 400m长 速度为350km h的ICE3单列车运行穿过横断面面积为101m 临界长度为Ltu 1490m的隧道时的x t和p t图 9 1 持续性从0秒到约20秒的时间间隔内 列车在隧道内 而且 列车离开隧道后 列车产生的气压波在隧道内上下传播 1 隧道内空气压力波的变化规律 列车在隧道 10 2 空气压力分布规律 沿隧道长度分布不均匀性 11 3 空气压力分布规律 沿列车长度分布不均匀性 车头 列车中部 车尾 沿列车长度分布不均匀性 车头 压 车尾 压 12 2 隧道内列车风的变化规律 极不稳定 13 风力等级与风速对照表 14 现场实测 在遂渝铁路现场试验中测得的空气动力荷载最大值见下表 不同车型空气动力荷载 遂渝铁路现场试验 3 作用在隧道衬砌或固定设备上的气动荷载 15 根据德国联邦铁路 铁路隧道的设计 施工和养护 标准DS853 1993 8 作用在衬砌表面的法向荷载 V 300km h At 92m2 p 6 0kPaV 300km h At 56m2 单线 p 4 5kPaV 250km h At 82m2 p 5 0kPa作用在衬砌结构上的纵向荷载V 250km h At 82m2 p 0 75kPaDS853也指出 此类荷载对衬砌结构不会有显著影响 但对某些设备和设施可能会有影响 16 DS853也指出 此类荷载对衬砌结构不会有显著影响 但对某些设备和设施可能会有影响 例如 基础加固 问题 高速铁路隧道内如何监测固定设备的状况 衬砌掉块 17 高速列车进入隧道将会在列车和隧道中产生瞬变压力 引起旅客和铁路员工耳膜压感不适等不良生理反应 会对乘车舒适度 铁路运营作业以及车辆结构产生负面影响 1 人耳的构造 二 乘车舒适度准则 人类耳部由耳道 G 鼓膜 T 鼓室 P 和耳咽管 TE 组成 当外部的压力发生变化时 压力差可以导致鼓膜 T 的振动 并将振动延伸到耳朵内部 G T P TE 18 如果鼓膜 T 的振动延伸过大 那么人就会感到不适 一般情况下 耳咽管 TE 是关闭的 当进行咀嚼和吞咽运动时 耳咽管 TE 打开 鼓膜 T 内外压差消失 不舒适感亦随之消除 G T TE 19 如果鼓膜 T 的振动延伸过大 那么人就会感到不适 怎样定义 延伸过大 呢 人体可以承受的气压变化极限是多少 20 2 乘车舒适度准则 我国高速铁路舒适度准则的建议 舒适度准则 k 人体可承受的气压变化极限式中 k 1 21 表中P为压力变化绝对值 即dp dt为变化率 p 即 p t 为某一段时间内的压力变化 部分国家采用的标准 2 乘车舒适度准则 22 影响隧道空气动力学效应的因素包括 列车速度隧道净空有效面积 以及隧道长度 辅助道坑 道床型式 隧道壁面摩擦系数以及列车速度 列车长度 车形 列车横断面积 列车表面磨擦系数等因素 研究表明 在一条运营铁路线上的车型一定的情况下 隧道有效净空面积和列车速度 是对瞬变压力具有最大影响的因素 三 影响空气动力学效应的主要因素 23 四 影响瞬变压力的设计因素 1 隧道有效净空面积 列车速度的影响 1 阻塞比 的概念 式中At 隧道有效净空面积 AV 列车截面积 AV At 24 2 瞬变压力p 阻塞比 列车速度 的关系 ORE表达式 p k 2 N单一列车N 1 3 0 25列车交会N 2 16 0 06 25 3 算例 列车速度的影响 隧道面积一定 乘客要感到舒适列车能跑多快 研究的第一个问题车辆不密封 26 3 算例 隧道有效净空面积的影响 列车速度一定 乘客要感到舒适隧道面积至少要多少 27 不密封 的标准车辆 0 7s密封 好 的车辆 5 0s密封空调车 7 0s 4 车辆密封性 旅客乘车是否舒适 与车辆的密封性有密切的关系 衡量车辆的密封性能好坏的指标 密封系数 密封系数 与压力的关系 的物理意义 28 10s 7s 3s 5s 29 V 300km h 车长ltr 360m 隧道净空面积At 100m2 6 隧道长度的影响 计算公式 研究隧道长度的意义在于寻找存在瞬变压力极值的长度 确定最不利隧道长度 算例 TGV 30 6 隧道长度的影响 31 斜井 竖井 横洞 7 辅助道坑影响 竖井 斜井 横洞等辅助道坑的存在会缓解压力波动吗 竖井位置对减压效果的影响很大 并不是处于任何位置的竖井都能有较好的结果 32 如何确定竖井的最佳位置 计算公式 式中X 竖井距隧道进口距离 lt 隧道长度 M Mach数 算例 7 辅助道坑影响 33 7 竖井的影响 计算表明 1 竖井断面积5 10m2即可 无端加大竖井的横断面积 并不能收到好的效果 2 竖井最佳位置一般在距洞口1 3处 选择最佳面积 选择最佳位置 34 1 隧道有效净空面积 列车速度的影响 微压波计算公式 五 影响微压波的设计因素 35 2 规范对洞口微压波的限制 36 3 缓解微压波的措施 洞口缓冲结构 开孔位于隧道拱顶的缓冲结构 开孔位于边墙两侧的缓冲结构 37 洞口缓冲结构长度计算公式 式中L 缓冲结构长度 d 隧道断面水力直径 V 列车进洞速度 V 列车视在速度 即相应于无缓冲结构情况下微压波峰值为允许值时的列车速度 例如洞口外轴线上20m处微压波峰值等于临界值50Pa时的列车进洞速度 3 缓解微压波的措施 38 洞口缓冲结构长度 缓冲结构长度 碎石道床 d 为隧道直径 3 缓解微压波的措施 39 考虑隧道长度增加时板式道床对微气压波的 激化 作用 JapanRailwayTechnicalService及武广咨询咨询报告提出的适用于板式道床的缓冲结构长度要大得多 适用于板式道床的缓冲结构长度 3 缓解微压波的措施 40 一般缓冲结构物净空断面积Ah 1 5At左右 一般开孔率As At 开孔面积 隧道有效净空面积 0 3左右 开孔 3 缓解微压波的措施 41 我院高速铁路缓冲结构研究现状及成果遂渝线隧道 时速200km h 缓冲结构形式和参数研究 现状及成果 三个突破1 第一次模型试验2 第一次现场测试3 国内领先 1 机车参数 中华之星 机车 机车面积为11 05m2 SS8 机车 机车面积为14 26m2 长白山 机车 机车面积为10 69m2 计算中列车长度取为100m 中华之星 机车 2 计算模型及软件列车与隧道之间是一种相对运动 当列车向前运动时 计算区域边界不断地发生变化 对这种情况采用滑动网格模型来处理 中华之星 无缓冲结构计算网格 3 隧道气动效应实验研究3 1高速列车模型实验测试系统由三部分组成 GL 1型高速列车模型发射系统 数据采集系统 对压力 噪声等参数采集频率可达到10KHz 软件分析系统 1 笔记本电脑2 连接电缆3 数据采集箱4 数据采集卡及箱体5 信号解调器6 传感器 数据采集系统配置图 3 2 试验模型方型 拱型缓冲结构研究主要参数有 缓冲结构长度Lh 缓冲结构横截面面积Ah 3 3 几种代表性缓冲结构1 喇叭型缓冲结构参数缓冲结构用石膏浇注 入口面积为隧道模型截面面积的1 55倍 缓冲结构的出口与隧道模型截面相同 长度分别为1D 2D 3D 1D 2D 3D喇叭型缓冲结构 1D 2D方型缓冲结构 2 方型缓冲结构参数入口和出口面积为隧道模型截面面积的1 55倍 长度分别为1D 2D 3 2D方型开窗缓冲结构参数4 拱型开窗缓冲结构参数 2D方型开窗缓冲结构 开口率为0 25 拱型开窗缓冲结构 开口率为0 33 4 遂渝线隧道洞口缓冲结构 六 影响行车阻力的设计因素 1 行车阻力随速度的增大迅速加大 当V 200km h 70 以上来自于空气阻力 2 隧道内的行车阻力一般为明线的130 例如 武广线为135 3 行车阻力随隧道长度的延长而增大 4 行车阻力随隧道面积的增大而减小 52 世界各国的高速铁路隧道设计都是围绕着缓解空气动力学效应 满足旅客乘车舒适度要求来进行的 只是在工程措施上存在差异而已 五 各国高速铁路隧道特点 53 日本新干线高速铁路隧道多采用单洞双线断面 断面净空有效面积只有62 64m2 是目前世界各国双线高速铁路隧道中最小的 为解决乘车舒适和降低洞口微气压波 新干线高速铁路隧道采用了提高列车密封性能和在洞口设置缓冲结构的措施 一 日本 五 各国高速铁路隧道特点 54 二 韩国 韩国汉城至釜山高速铁路设计列车最高运营速度350km h 隧道净空面积采用107m2 是世界各国高速铁路隧道中隧道断面最大的 洞门采用喇叭口式斜洞门 55 德国早期修建的隧道断面净空有效面积采用82m2 而后2002年建成通车的科隆 法兰克福高速铁路隧道净空有效面积采用92m2 洞门型式大多采用帽檐式斜切洞门 三 德国 56 57 1 德国的隧道防灾救援 1 规范要求的基本措施德国铁路对运营期间的安全 防灾救援相当重视 采取的相关措施也是配套和比较完善的 主要措施有 1 隧道洞内必须设置贯通的逃生 救援通道 2 当隧道长度大于1000m时 要求设置紧急出口 3 隧道内配备专门用于防灾 救援的设备 4 一定长度的线路应配置救援列车 5 为方便外部救援 洞口要求有直达的道路以及集散场地 注 根据德国联邦铁路规范 铁路隧道的设计 施工和养护标准 DS853 1993 规定 58 2 隧道内安全及救援空间布置救援通道 在隧道内靠近边墙侧设置的贯通全隧道的救援通道 救援通道用于紧急情况时逃生或外部救援 尺寸为1 6m 宽 2 2m 高 注 根据德国联邦铁路规范 铁路隧道的设计 施工和养护标准 DS853 1993 规定 1 德国的隧道防灾救援 救 援 通 道 59 3 隧道内紧急出口 注 根据德国联邦铁路规范 铁路隧道的设计 施工和养护标准 DS853 1993 规定 1 德国的隧道防灾救援 60 防护门 紧急出口 3 隧道内紧急出口 1 德国的隧道防灾救援 61 逃生竖井 地面出口 3 隧道内紧急出口 1 德国的隧道防灾救援 62 大西洋隧道净空面积为55 71m2 巴黎地区联络线双线隧道有效净空面积仅有58m2 东南延伸线行中海线的双线隧道有效净空面积均为100m2 四 法国 63 设计速度目标值为300km h 断面有效净空面积采用75m2 第二条高速铁路设计速度目标值为350km h 双线隧道断面有效净空面积采用100m2 五 西班牙 64 铁路设计最高行车速度为350km h 轨面以上净断面积采用90m2 隧道洞口采用场45 斜洞门设计 另加设明洞解压段 顶部开设法处开孔 六 中国台湾 65 1 隧道有效断面积 日本最小 韩国最大 且有逐渐增大的趋势 七 各国高速铁路隧道特点比较 66 日本强化运营管理防灾欧洲救援措施齐全 2 隧道防灾救援 67 2004年初 国务院批复了 中长期铁路网规划 到2020年全国铁路营业里程达到10万公里 其中规划了 四纵四横 铁路快速客运通道以及三个城际快速客运系统 建设客运专线1 2万公里以上 一 我国高速铁路路网规划 六 中国高速铁路隧道 68 二 规划原则 京哈客专1860km 京广客专2230km 京沪客专1300km 沿海客专1600km 杭长客专880km 沪汉蓉客专1900km 徐兰客专1400km 青太客专770km 客运专线 规划 四纵四横 铁路快速客运通道以及三个城际快速客运系统 建设客运专线1 2万公里以上 69 根据以上规划 建设客运专线隧道总长度将超过1000km 目前已经开工和即将开工的客运专线隧道长度约874km 各客运专线隧道概况如下表 二 我国高速铁路隧道规划 70 三 我国高速铁路隧道限界和内轮廓 1 控制隧道内轮廓的主要因素在普速铁路隧道内轮廓设计时 由于列车行驶速度较低 不用考虑空气动力学效应问题 当列车行驶速度超过160km h后 隧道内轮廓设计则应考虑满足缓解空气动力学效应必需的断面积 71 新建高速铁路隧道内轮廓一般应根据下列因素确定 1 隧道建筑限界 2 股道数及线间距 3 隧道设备空间 4 预留空间 5 机车车辆类型及其密封性 6 缓解空气动力学效应必需的断面积 研究表明 以上六方面因素中 第 6 项 缓解空气动力学效应必需的断面积 起控制作用 三 我国高速铁路隧道限界和内轮廓 72 2 有效净空面积对我国高速铁路 客运专线 隧道净空断面的建议 三 我国高速铁路隧道限界和内轮廓 73 根据不同的运输组织模式 我国高速铁路隧道建筑限界有三种形式 v 200km h及以上的客运专线铁路隧道建筑限界 v 200km h客货共线普通货物列车 电力牵引 铁路隧道建筑限界 v 200km h客货共线双层集装箱运输铁路隧道建筑限界 三 我国高速铁路隧道限界和内轮廓 3 隧道限界 74 与现行国家标准局1983年颁布的普速铁路隧道建筑限界 GB146 2 83 相比 高速与普速隧道限界宽度相同 均为2440mm 但三种高速隧道限界较普速隧道限界分别高700mm 750mm和1150mm 这是由于高速铁路接触网结构高度较普速的铁路接触网结构高度高 以及双层集装箱高度较普通货物列车装载高度高