交通运输工程学报 2012年 computation; model test Author resume: Ma Wei-bin(1977-), male, associate researcher, PhD, +86-10-51874379 dwangfei@163.com. 0引言 微气压波随隧道长度的变化规律和不同速度下的关 系曲线,指出存在一个导致微气压波显著增长的隧 高速铁路是世界铁路客运发展的方向,随着列车道长度范围,得到了不同车速下需要采取缓冲措施 运行速度的提高以及线路中隧道比例的增加,高速列的隧道临界长度、特定车辆密封条件下隧道内与车 车通过隧道引起的气动效应(压力波、空气阻力、列车内瞬变压力的相关关系及其随隧道长度的变化规 风、微气压波等)将直接影响到列车运行的安全性、经律,提出了不同长度隧道内瞬变压力的临界限值,获 济性、乘员舒适性以及隧道周边的环境等,是高速铁得了隧道内辅助设施受到的气动力与列车速度的关 路隧道设计中必须解决的关键技术问题[叮。 系,得到了横通道防护门、水沟盖板升力及其他辅助 自20世纪60年代日本新干线投入运行后,日设施受到的气动力口。 本和欧洲一些国家相继围绕高速铁路隧道气动效应 本文通过理论分析、数值仿真计算以及现场实 问题开展了一系列研究,其研究范围主要集中在压车试验等方法,研究了高速动车组380km·hˉ速 力波的变化梯度及乘客的舒适度、压力波和微压波度通过及350km·h-速度交会条件下动车组车体 的传播和形成机理及其计算方法、削减压缩波和微内外和隧道内瞬变压力的变化规律、洞口微气压波 压波的各种方案以及相关试验方法等方面的研究。影响因素和变化规律、缓冲结构的设置条件、隧道附 其中日本由于对列车空气动力影响行车安全问题估加阻力的试验方法和具体增量、隧道内辅助设施需 计不足,复线间距和隧道断面面积较小(可节约工程要承受的气动荷载要求以及长大隧道远程监测控制 投资),导致只能从改善列车头型和密封性等角度进技术等。 行大量研究,但隧道气动效应仍是影响日本铁路运 行速度提高的主要问题,另外日本对洞口微压波的1隧道气动效应研究方法 测试与研究相对较深人,而英法等国家由于隧道净1.I数值仿真计算 空断面积大于日本且大多采用有砟轨道,因此,对洞 目前国内外通常采用商业和自主开发的软件进 口微气压波的研究较少,相对来说对乘车舒适度以行数值仿真计算,商业软件有CFD、 FLUENT 及海底隧道气动效应方面研究较多[20 STARCD等。在国外,英国、韩国等国家编制了 中国从20世纪90年代开始高速铁路隧道空气维和三维数值模拟程序,对高速列车通过隧道进行 动力学技术的研究。2008年11月至2009年4月,中了数值仿真计算。在国内,中南大学对列车空气 国铁道科学研究院结合合武铁路和石太铁路联调联阻力、表面压力分布及列车交会、列车过隧道和尾流 试,开展了200~250km·h1车速下隧道气动效应等方面的动力学问题进行了研究[7;西南交通大学 的试验研究,是中国铁路首次进行较为系统的隧道气采用一维可压流,编制了计算隧道内瞬变压力的一 动效应试验研究,涉及不同列车通过隧道和隧道内交维数值模拟程序。 会的车内压力变化、车体承受气动荷载、瞬变压力、列 中国铁道科学研究院采用CFX进行仿真计算, 车风、微气压波、辅助设施气动力、隧道附加阻力和货CFX采用了基于有限元的有限体积法,在保证有限体 物列车运行安全等;2009年5月至2011年5月,中国积法守恒特性的基础上,吸收了有限元的数值精确 铁道科学研究院结合武广、郑西、沪宁与京沪高速铁性。隧道与列车模型取实际尺寸的模型,见图 路联调联试,系统地开展了300~380km·h-1车速 设置好速度边界、固定壁面边界、开放出口边 下隧道气动效应的试验研究,主要验证了动车组以界、连接边界,然后进行计算。图2为列车驶入隧道 380km·h-速度通过隧道和隧道内交会时列车运时隧道区域瞬变压力云图。 行安全性、乘坐舒适性以及车内压力的3s变化量 动车组通过隧道时瞬变压力实测与计算对比见 随隧道长度、隧道内位置和速度的变化规律,得到了图3。由图3可知,计算波形与实测波形基本相同 300~380km·h-1速度下隧道内瞬变压力、洞口微测试数据与计算结果误差在6%以内,由此可知计 气压波和列车风随车速的变化规律和经验关系以及算模型合理,能满足隧道内气动效应计算精度要求,ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ；ｍｏｄｅｌｔｅｓｔ 犃狌狋犺狅狉狉犲狊狌犿犲： ＭＡ Ｗｅｉｂｉｎ（１９７７），ｍａｌｅ，ａｓｓｏｃｉａｔｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｒ，ＰｈＤ， ＋８６１０５１８７４３７９， ｄｗａｎｇｆｅｉ＠１６３．ｃｏｍ． ０ 引 言 高速铁路是世界铁路客运发展的方向，随着列车 运行速度的提高以及线路中隧道比例的增加，高速列 车通过隧道引起的气动效应（压力波、空气阻力、列车 风、微气压波等）将直接影响到列车运行的安全性、经 济性、乘员舒适性以及隧道周边的环境等，是高速铁 路隧道设计中必须解决的关键技术问题［１］。 自２０世纪６０年代日本新干线投入运行后，日 本和欧洲一些国家相继围绕高速铁路隧道气动效应 问题开展了一系列研究，其研究范围主要集中在压 力波的变化梯度及乘客的舒适度、压力波和微压波 的传播和形成机理及其计算方法、削减压缩波和微 压波的各种方案以及相关试验方法等方面的研究。 其中日本由于对列车空气动力影响行车安全问题估 计不足，复线间距和隧道断面面积较小（可节约工程 投资），导致只能从改善列车头型和密封性等角度进 行大量研究，但隧道气动效应仍是影响日本铁路运 行速度提高的主要问题，另外日本对洞口微压波的 测试与研究相对较深入，而英法等国家由于隧道净 空断面积大于日本且大多采用有砟轨道，因此，对洞 口微气压波的研究较少，相对来说对乘车舒适度以 及海底隧道气动效应方面研究较多［２４］。 中国从２０世纪９０年代开始高速铁路隧道空气 动力学技术的研究。２００８年１１月至２００９年４月，中 国铁道科学研究院结合合武铁路和石太铁路联调联 试，开展了２００～２５０ｋｍ·ｈ－１车速下隧道气动效应 的试验研究，是中国铁路首次进行较为系统的隧道气 动效应试验研究，涉及不同列车通过隧道和隧道内交 会的车内压力变化、车体承受气动荷载、瞬变压力、列 车风、微气压波、辅助设施气动力、隧道附加阻力和货 物列车运行安全等；２００９年５月至２０１１年５月，中国 铁道科学研究院结合武广、郑西、沪宁与京沪高速铁 路联调联试，系统地开展了３００～３８０ｋｍ·ｈ－１车速 下隧道气动效应的试验研究，主要验证了动车组以 ３８０ｋｍ·ｈ－１速度通过隧道和隧道内交会时列车运 行安全性、乘坐舒适性以及车内压力的３ｓ变化量 随隧道长度、隧道内位置和速度的变化规律，得到了 ３００～３８０ｋｍ·ｈ－１速度下隧道内瞬变压力、洞口微 气压波和列车风随车速的变化规律和经验关系以及 微气压波随隧道长度的变化规律和不同速度下的关 系曲线，指出存在一个导致微气压波显著增长的隧 道长度范围，得到了不同车速下需要采取缓冲措施 的隧道临界长度、特定车辆密封条件下隧道内与车 内瞬变压力的相关关系及其随隧道长度的变化规 律，提出了不同长度隧道内瞬变压力的临界限值，获 得了隧道内辅助设施受到的气动力与列车速度的关 系，得到了横通道防护门、水沟盖板升力及其他辅助 设施受到的气动力［１］。 本文通过理论分析、数值仿真计算以及现场实 车试验等方法，研究了高速动车组３８０ｋｍ·ｈ－１速 度通过及３５０ｋｍ·ｈ－１速度交会条件下动车组车体 内外和隧道内瞬变压力的变化规律、洞口微气压波 影响因素和变化规律、缓冲结构的设置条件、隧道附 加阻力的试验方法和具体增量、隧道内辅助设施需 要承受的气动荷载要求以及长大隧道远程监测控制 技术等。 １ 隧道气动效应研究方法 １．１ 数值仿真计算 目前国内外通常采用商业和自主开发的软件进 行数 值 仿 真 计 算，商 业 软 件 有 ＣＦＤ、ＦＬＵＥＮＴ、 ＳＴＡＲＣＤ等。在国外，英国、韩国等国家编制了一 维和三维数值模拟程序，对高速列车通过隧道进行 了数值仿真计算［５］。在国内，中南大学对列车空气 阻力、表面压力分布及列车交会、列车过隧道和尾流 等方面的动力学问题进行了研究［６７］；西南交通大学 采用一维可压流，编制了计算隧道内瞬变压力的一 维数值模拟程序。 中国铁道科学研究院采用 ＣＦＸ进行仿真计算， ＣＦＸ采用了基于有限元的有限体积法，在保证有限体 积法守恒特性的基础上，吸收了有限元的数值精确 性。隧道与列车模型取实际尺寸的模型，见图１［１，８］。 设置好速度边界、固定壁面边界、开放出口边 界、连接边界，然后进行计算。图２为列车驶入隧道 时隧道区域瞬变压力云图。 动车组通过隧道时瞬变压力实测与计算对比见 图３。由图３可知，计算波形与实测波形基本相同， 测试数据与计算结果误差在６％以内，由此可知计 算模型合理，能满足隧道内气动效应计算精度要求。 ２６ 交 通 运 输 工 程 学 报 ２０１２年