隧道空气动力学效应调研报告--邓锷

隧道空气动力学效应调研报告一、概念的提出随着世界各国高速铁路的飞速发展，我国高速铁路建设正进入一个黄金发展时期,京津城际客运专线,胶济客运专线,武广客运专线等相继投入运营。由于我国山岭众多及高速铁路的平顺性要求,不可避免的会修建大量的隧道,高速列车在隧道内运行时的空气动力学效应（以下简称气动效应）问题随之而来。由于隧道空间的半封闭性,当列车由空阔地带高速驶入隧道时,车体附近的空气被迅速排开,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在空阔区域一样及时、顺畅地沿列车两侧和上部流动,列车前方的空气被压缩,空气压强骤然增大而形成压缩波,并以声速向四周传播1。这种冲击波会对隧道内的附属物如接触网悬挂设备,信号、照明设备等悬挂设备产生的一定的冲击力,这种冲击力的作用时间相对较短,但是这是一种反复作用的冲击,容易造成附属结构物的疲劳损伤,使用性能下降,从而对附属设施的使用寿命产生影响。高速铁路压力波的数值与列车速度的平方近似成正比,因此与普速铁路隧道相比,这种反复作用的冲击力对设备的影响要大得多。二、隧道气动效应存在的主要问题 由于高速列车的速度一般都在200km/h以上,也就是说,马赫数将达到0.17以上,属亚音速范围,由此引发的隧道空气动力问题一直困扰着行车安全和进一步提高列车速度的关键问题之一,国内外对此进行了大量的研究,其中包括如下几个方面: 2.1 洞口微气压波问题当初始压缩波传播到隧道口的时候,一部分被隧道出口反射,向隧道入口处传播,另一部分则直接向隧道外辐射,形成微气压波,在隧道洞口形成爆破噪声,轻者会造成环境污染,严重时会影响洞口的建筑物,特别是日本等地高速铁路洞口附近经常有居民住宅,部分新干线通车后造成了住宅窗户玻璃破碎事故。为此日、德、美等国进行了大量的研究,特别是小迟智和Howe等人对此进行了详细的理论推导2,目前国内外提出了在洞口建缓冲结构、隧道内建浅支洞、增大隧道断面积等一系列措施,有效地缓解了洞口微气压波的危害,目前这些措施都已在国内新建的京沪、武广、郑西、石太等客运专线中成功应用。 2.2 列车风对线路附近人员的影响高速列车在运行过程中会引起附近空气随之一起运动,根据己有研究成果,列车风的相当风力如表2-1所示。表2-1 列车风的相当阻力列车速度（km/h）50607590100120130风力级数（级）6789101112由此可见,当列车高速运行时,列车风的相当风力级已经远远超过了12级的超强台风。这种强风按照一定的规律在列车周围分布,列车表面的风力最大,在隧道壁处最小,对车体、站台和工作人员的安全性以及隧道内附属设施的安全性均会造成一定的影响。关于列车风对车体、站台和工作人员的安全性问题,日本、英国和美国等对此进行了较多研究,并提出了各自的安全退让距离执行标准3。国内的王韦、李人宪、雷波等人从数值模拟和理论分析等方法对此进行了较详细的研究,在长大隧道(L1140m)内,铁路工作人员的安全距离内的风速标准值为12m/s,欧洲的标准值也是12m/s；在短隧道内，风速标准值为10m/s,并对退让距离做了相应研究4。这为我国新建客运专线隧道的建设提供了一定的参考依据,但针对列车风对隧道内附属设施的影响方面,目前相关的研究报道还很少。2.3 高速列车乘坐环境舒适性问题列车在隧道内运行过程中车厢内压力会出现急剧变化,当车厢内压力变化幅度和变化频率很大时,车厢内乘客就会感觉耳鸣、耳痛等不适症状,乘车舒适度降低,严重条件下会造成中耳炎,并对铁路员工和车辆产生危害。日本、英国等高速铁路发达国家对此进行了大量研究,国内的中南大学、西南院都对此进行了相关研究,并根据我国高速铁路的特点和我国的人体生理条件提出了自己的技术标准5 。2.4 高速列车的行车阻力问题由于高速列车在运行过程中车头和车尾压力存在一定的压力差,当列车在隧道内运行时,行车阻力将更加显著,已有资料显示6，当列车速度超过250km/h后,列车的压差阻力将占列车整体运行阻力的60%以上,严重地增加了列车动力能量的消耗。为此国内外各国对此给予了重点关注,特别是德国和日本等高速列车研究能力较强的国家进行了一系列的研究,此外国内部分科研单位也进行了一定的研究。2.5 气动效应对隧道内附属设施的影响高速铁路隧道内的附属物主要包括接触网悬挂件(拱顶)、通信电缆支架(边墙)、设备洞室门(边墙)、风机(边墙)、联络通道防护门等。对于高速铁路隧道空气动力学效应对隧道内附属物的疲劳耐久性和安全性所产生的不利影响,目前国内还缺乏系统的研究数据。铁道部于2003年发布的新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定仅作了部分说明,而且行车速度仅为20Okm/h；对于时速在250350公里的高速客运专线没有相关的标准和规范可以借鉴。国外对此方面的研究成果仅应用于3O0km时速以下,其隧道内轮廓和洞内附属设备与国内的情况也不尽相同,而我国京津城际列车、武广客运专线等运行速度已经达到35Okm/h,在此速度之下高速列车进入隧道后的反复冲击力对隧道附属物的力学影响国内外还未进行过系统的研究。三、气动效应的主要研究方法目前国内外对于高速铁路隧道空气动力学的研究方法主要有三种:理论分析、数值计算和试验研究3.1 理论分析 高速列车在隧道中运行时引起的空气流动是不稳定的三维瞬态湍流流动,德国学者Tollmien在早期己经开展对隧道空气动力学问题的研究,其假设列车进入隧道引起的流动是不可压无旋流动,给出了理想列车在隧道中运行时的二维势流解7。研究早期,根据多数情况下隧道长度远大于隧道断面直径的特点,日本学者原朝茂将隧道内复杂的三维瞬态湍流流动简化为一维空气流动,发展和完善了隧道压力波一维流动理论和特征线法求解方法8,山本彬完善了原朝茂的理论,并利用线性声学理论对微压波进行了研究,得到了利用初始压力波求解车壁摩擦系数的方法9,并采用低频远场假设得出了隧道内的压力计算公式10。利用该理论,山本彬、Vardy等研究了喇叭状隧道端口对初始压力波的影响11,Valensi利用不可压缩稳定流模型,提出了地铁会车和双洞双线隧道压力波的理论预测方法12,随后各国学者又提出了定密度有限音速非定常流动模型、可压缩等嫡非定常流动模型、可压缩不等嫡非定常流动模型等一维空气流动计算模型。目前,国内外大多研究者认为,列车在隧道内运行时引起的空气流动是三维、可压缩、非定常湍流流动,目前该方面的研究也已较为完善,建立了相应的控制方程,并采用数值方法进行求解。3.2 数值计算近年来,随着计算机技术的迅速发展,有限体积法,有限差分法,有限元法和面元法等计算方法在高速铁路空气动力学研究方面得到广泛应用,高速铁路隧道压力波的数值模拟研究得到不断的发展和完善。利用一维空气流动模型来研究,即特征线法,Vardy等人采用考虑摩擦的等嫡非定常流动模型,发展了会车压力波数值模拟软件,并利用该软件进行了压力变化的参数研究13,Baron等人采用准一维模型,利用有限体积法模拟了带通风竖井的小截面长隧道14,并且在隧道中设有站台,隧道的截面积发生变化的压力波和运行阻力问题。随着现代计算机技术和数值计算方法的不断发展,对隧道压力波波动规律的理论模型研究从简单到复杂。Steinbeuer采用面元法对列车驶入隧道瞬间压力波动的形成规律做了相应研究15；Gregoire等人利用三维不定常Euler方程研究了列车通过隧道时的压力波问题,并得出了与模型试验较为吻合的结果16,Aita等人采用二维和三维有限元法,模拟了法国TGV高速列车驶入隧道端口时压缩波的形成过程和车头形状的影响17；日本学者坂田雅宣利用TVD计算格式的有限体积法研究了高速列车引起初始压缩波的形成过程和车头形状的影响18,Fuiji等人对两列车在隧道中相会和列车进入隧道时引起的三维流动,采用求解欧拉方程或N-S方程进行了模拟19；韩国学者H-B Kwon等人通过求解三维雷诺平均N-S方程,对列车进入隧道和在隧道中运行时的流动特性进行了模拟20。Suzuki利用MAC(Marker and Cell)方法通过求解三维不稳定不可压缩雷诺平均N-S方程,对高速列车在空旷地面和进入隧道的流场及在隧道中作用在列车上的不稳定空气动力学作用力进行了研究21。国内关于隧道空气动力学的数值模拟研究起步较晚,20世纪90年代才开始。清华大学朱克勤等采用一维非定常流动对高速列车进入隧道的初始压缩波进行了初步模拟22,另外还有工建宇、余南阳、梅元贵等也曾利用一维流动模型对隧道内活塞风及压力波动影响参数进行了研究232425。我国台湾学者宋C.C.曾利用TVD一Maccormack格式、采用无反射边界条件和滑移网格技术对高速列车隧道空气动力学问题进行过三维分析26。西南交大的骆建军,高波等采用二维、三维数值模拟方法对高速列车突入隧道时的压缩波进行了一系列研究2728。近年来,中南大学依托轨道交通安全教育部重点实验室,在列车隧道空气动力学方面也投入了大量的科研力量,对列车过隧道的数值算法及其应用进行了深入系统的研究，取得了一系列的重要成果。3.3 试验研究试验研究包括在线实车试验和模型试验两种。在线实车试验是检验、评价其他研究方法正确性的必要手段。但由于实车试验首先需要己建成高速线路和具备了进行试验的车辆,其次是实车试验费用高、试验的工况有限,试验结果也易受环境因素的影响。因此，模型试验已成为研究隧道空气动力学效应的一种重要手段,近年来得到了很大发展。模型试验方法包括水槽法、小型列车模型试验和发射式列车模型试验三种1。3.3.1 水槽法水槽法就是利用自由表面流体与可压缩气体的相似性,即可压缩气体的无涡等嫡流相似于有自由表面液体的无涡无摩擦流,采用水作为工作介质来模拟隧道压力波动,这种方法使高速运行的列车以较低的速度来实现模拟。水槽法应用在20世纪60年代中期,美国麻省理工学院学者MillS和Wi1Son利用浅水槽定性模拟了高速列车通过隧道时的运动情况29。1993年日本学者森井宣志等采用浅水槽模型试验,研究了超高速列车通过隧道时的压力变化问题30。西南交通大学和中铁西南院从1997年开始开发该试验装置并采用该试验方法对隧道空气动力效应问题进行了分析研究,获得了较好的试验结果31。3.3.2 小型列车模型试验该试验要求模型的速度与全尺寸列车的速度相同。保证模型可靠实用,根据雷诺相似性,要求模型缩尺比不能小于1/36。1991年英国Derby铁路研究中心Pope等研建成功列车气动性能模型试验装置,模型列车试验速度可达2O0km/h，线路长150m，其中48m为试验段,模型几何缩比为1:25。该装置主要用于研究列车与列车、列车与地面以及列车与隧道壁面有相对运动时引起的非定常流动,利用该模型,对短隧道中压力波的传播、隧道入口处压力的升高及交叉隧道的影响等进行了模拟,试验结果与实测数据完全吻合32。但是其模拟速度不高,建造成本也较高。在国内,中南大学轨道交通安全实验室自主研建以空气为介质的隧道压力波试验装置,模型比例可以达到1:16到1:20,列车时速可以达到300km/h，较精确的模拟了高速列车通过隧道时的空气动力学效应,得到了较好试验结果33。3.3.3 发射式列车模型试验发射式列车模型试验装置,主要有压缩空气发射式和旋转轮发射式及橡皮筋弹射式三种。该模型造价较低,发射速度高,因此现在采用较多。日本学者在此方面研究较多,从1962年开始,日本的T Hara,小池智先后利用橡皮筋弹射式装置,发射速度分别达到15m/s和25m/s,研究了高速列车通过时的隧道内压力波的形成与传播,列车形状及隧道入口形式对压力的影响情况3435,随后,日本铁道综合技术研究所研制的旋转轮发射式装置,使得列车速度可达450km/h。荷兰T3F试验平台利用压缩空气发射式试验装置,采用矩形隧道断面,可以简单的改变隧道模型侧壁的位置以此来改变隧道断面积,来研究不同隧道断面情况下的空气动力学效应36。此外,法国学者De Wolf37,美国GASL试验室,英格兰学者B.Dayman38等都研制过此类装置。国内方面,西南交通大学建立了以压缩空气为动力的发射式高速列车模型实验装置,发射速度可以达到100m/s以上,能够对高速列车进出隧道时的压力波、微气压波、噪声等问题进行分析,并研究了缓冲结构对气动效应的缓解效果39。四、高速铁路隧道气动效应对隧道内附属设施影响的研究4.1 概述由上述可知，目前国内外对高速铁路隧道空气动力学进行了一定程度的研究,但是对于隧道内附属设施影响的研究则关注不够。因此有必要就此问题展开更深一步的调研。此外，国内外对隧道内附属设施的研究主要集中在气动阻力、静态抬升力、振动特性和列车风等方面,所采用的研究方法主要包括数值模拟计算和风洞模型试验研究等。4.2 数值模拟对此，中南大学的王照伟40针对我国高速铁路隧道尺寸及列车实际情况建立三维数值模型,探讨不同工况下列车运行时隧道内压力分布特征及列车风冲击特性,对隧道内不同位置的压力峰值、列车风速度峰值进行研究,得出了不同工况下隧道内的最大冲击压力，并且根据数值计算结果,按照我国现行的修建技术标准,对隧道内附属设施进行安全性分析,着重研究了隧道内接触网及水沟盖板的受力情况及其稳定性,以此指导日后高速铁路隧道内附属设施的设计施工。他的研究得出的结论主要有：（1）隧道内列车运行产生的列车风会对隧道内接触网、风机等悬挂类附属设施产生一定的影响,在进行此类附属设施的设计时应考虑列车风引起的附加动压；（2）隧道内列车运行引起的压力的急剧变化会对水沟盖板、洞室门、防护门以及其它空心结构产生一定的影响,在进行此类附属设施的设计时应考虑空气压力的急剧变化在结构上产生的附加作用力；（3）在高速列车运行产生的列车风作用下,对于螺栓锚固型接触网悬挂件和滑道槽式接触网悬挂件,各工况条件作用在隧道衬砌混凝土中的附加拉应力均满足规范要求,但是对于双洞单线隧道(70m2)350km/h（图4-1）行车工况的螺栓锚固型接触网,在隧道拱顶混凝土中产生的最大附加拉应力为1.35MPa,建议采取加长锚固螺栓的长度或在衬砌混凝土中进行配筋等补强措施进行适当加固；（4）高速列车运行空气冲击波所产生的负压会使水沟盖板提升,影响其稳定性,但水沟盖板的提升量随着盖板漏气面积的增大而减小,在盖板厚度为8cm的条件下,当漏气面积不小于15cm2时,目前我国新建的高速铁路隧道盖板在隧道内气压作用下的稳定性均可得到保证。图 4-1 时速350km的单线隧道建筑限界及内轮廓图但由于研究时间有限,对于列车在隧道内交会的研究工况较少,对列车长度、隧道长度、列车进出隧道的时间差以及线间距等参数研究未系统对比计算。且本研究只是采用理论计算方法对作用于附属结构上的冲击压强进行了计算,然后与国内外己有的一些理论分析和现场实测结果进行了对比分析,研究成果还需要进行进一步的试验验证。此外，中南大学的施成华等人41也采用数值模拟方法，对高速列车在隧道内运行过程中所产生的列车风速度的变化过程进行了分析，计算隧道内不同位置在列车运行过程中的最大风速和最大风压，进一步研究隧道内预留滑道槽型（图4-2）和螺栓锚固型接触网（图4-3）在列车反复冲击压力作用下的安全性。研究结果表明：隧道内不同断面的接触网设施只在列车车身运行至该断面的一段时间内才承受负向列车风(与列车运行方向相反)；离列车表面越近的位置，列车风的速度越大；对于螺栓锚固型接触网悬挂件，在单线隧道 350 km/h 行车条件下，隧道衬砌混凝土中的最大拉应力已接近混凝土的疲劳抗拉强度，应采取适当的加强措施；对于滑道槽式接触网悬挂件，在列车风的反复作用下是安全的。图 4-2 预埋滑道槽形式接触网布置示意图（单位：mm）图 4-3 螺栓锚固形式接触网布置示意图（单位：mm）4.3 试验研究对于气动效应对隧道内附属结构影响的相关试验研究，在国外,许多研究组织和学者进行了一系列的实车试验,对列车通过隧道时诱发的隧道压力瞬变和速度变化等进行了现场测试。日本在新干线进行了大量的实车试验；Pope在英国patchway隧道进行现场测试,得到列车过隧道时的压力场实测数据、距洞口不同距离隧道壁上各点压力变化曲线以及车头前端、尾部环状空间压力变化曲线42。国内方面,1995年由铁道部科学研究院铁道建筑研究所主持,首次对列车通过隧道的气动压力波进行全过程量测,并初步总结出普通列车通过隧道时压力波的一般规律43。此外，为了指导既有线200km/h提速技术改造,为第六次大提速的顺利实施提供经验。2005年5月至6月在遂渝线的太和至北碚北路段进行了200km/h提速综合试验,隧道空气动力学是其中的重要测试内容之一。对此，中南大学的刘堂红等人44利用车载测试系统（图4-4）和地面测试系统（图4-5）,对列车车体表面、车厢内部、隧道壁面空气压力变化和隧道壁面振动加速度等参数进行测试。图 4-4 车载测试系统框图 图 4-5 地面测试系统框图他的研究得出的相关结论主要有：测点压力变化幅值与列车运行速度的1.72.4次方成正比,并且随列车运行速度增加,测点压力变化幅值迅速增加。隧道口三维效应明显,所以对于隧道空气动力学的数值模拟研究,隧道口的模拟不能简单的以一维问题处理。此外，隧道内列车风风速与列车运行速度成线性关系；隧道口微气压波幅值近似与列车运行速度的三次方成正比、与测点距隧道口距离成反比。4.4 总结综上所述，目前国内外关于气动效应对隧道内附属设施影响的研究无论是数值模拟计算亦或试验研究仍然不够系统全面。对于隧道内的附属设施，仅仅局限于接触网悬挂件、水沟盖板等的影响研究，至于隧道内其它附属设施（如通信电缆支架(边墙)、设备洞室门(边墙)、风机(边墙)、联络通道防护门等）影响的相关试验研究也还未曾涉及到。因此，下一步有必要对此进行更深入的研究。参考文献1 关永久.高速列车在隧道内会车过程的气动特性研究硕士学位论文.成都:西南交通大学,2010.2 小汉智.隧道出口微气压波的研究.日本国有铁路铁道技术研究所.1979.3 BRITISH STANDARD.Railway applications-Aerodynamics-Part5: Requirements and test Procedures for aerodynamics in tunnels.BS EN.14067-5 2006.4 王韦,王建宇,陈正林.高速铁路隧道内人员安全退避距离的研究.四川联合大学学报.Vol.2,No.6,Nov.1998.5 何德昭,徐鹤寿,王厚雄.列车通过隧道诱发的气动变化规律的试验研究.中国铁道科学.第18卷第4期,1997年12月.6 卫永斌.三维侧式压进气道的减阻研究航空动力学报.Vo1.24.No.12.Dec. 2009.7 蒲佳.竖井、横通道对高速铁路隧道出口微气压波影响分析硕士学位论文.成都:西南交通大学,2009.8 Hara T.Method of measuring the aerodynamic drag of trains.QS of RTRI.1965.9 Yamamoto A.Pressure rise to the friction of a train at the entrance of a tunnelJ.QR of 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