滑移面
地面
隧道
列车、隧道初始位臵图
滑移墙
滑移面
列车刚进隧道位臵关系图 2016/10/22
列车头部流场压力变化分布（国内）
隧道 列车
道床
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272m 列车
隧道
道床
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数值计算压力变化曲线（国内）
5000 4000 3000
压力（Pa）
2000 1000 0 -10000.5 -2000 -3000 时间（s） 1 1.5 2 2.5 3
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线路
日本东海新干线
列车速度(Km/h)
隧道横断面积(m2)
阻塞比
210
64
0.21
日本山阳新干线
230
64
0.21
日本上越新干线
240
64
0.21
巴黎-大西洋干线
270
71
0.15
汉堡-慕尼黑干线
250
82
0.13
罗马-米兰干线
250760.来自82016/10/22
综合各国的隧道断面图，高速铁路隧道断面由下列空间构成：隧 道建筑界限、轨道数量、线间距、预留空间、减小空气动力学效 应的空间、设备安装空间等。根据各国高速铁路隧道断面经验和 我国具体情况的要求，我国初步确定京沪高速铁路隧道断面参数 如下图（100m2）。
高速铁路隧道空气动力学
报 告 人：骆建军
北京交通大学隧道及地下工程试验研究中心
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1、定义
高速铁路：一般定义为列车运行速度在200km/h及以上 的铁路干线。 高速铁路是一项十分复杂的系统工程，需要多种学科的 技术支持。许多在低速时可以忽略的现象，在高速时却 变得非常重要。例如高速列车与空气的相互作用就是一 个突出的例子。
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（3）由于壁面摩擦不断消耗波的能量，以及波在隧道两 端和列车两端处多次反射和传递使得压缩波和膨胀波相 互重叠，所以压缩波和膨胀波的强度逐渐衰减。同时， 各种传递波和反射波的叠加，形成了隧道内空气压力随 时间变化而波动。 （4）对于一系列前后相继的隧道空气压缩波，后面的波 速比前面的波速快，最终可能叠加在一起而形成激波。
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在小沢智通过对列车冲出隧道形成微气压波的大量测试 表明，微压波与列车移动速度的三次方成比例，并建立 了微气压波变化的曲线方程。微气压波的最大值和微气 压波曲线方程。
pmax
3 ˆ KVtrain / r
p(t ) pmax /{1 (t / 1 ) }
2
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5.1、压力波的变化梯度及乘客的舒适度的研究
列车提速是为了满足乘客快捷、舒适、安全的需要，必 须将乘客的感受和要求放在第一位。列车车速的提高， 会使列车在进出隧道时引起车内的较大压力变化，造成 乘客耳膜的疼痛不适，因此在车速提高的同时，必须采 用一定的标准，保证列车在进入隧道时车厢内压力的变 化不能超过一定的限度。 乘客舒适度（comfort standard of passenger） 指隧道内产生的压力波动，在极短的时间内传到人体时， 使人体产生生理上的不适 - 即耳膜压感不适时的最大压 力变化值。通常采用特定时间（3s或4s）内压力单调变 化值作为乘客舒适度的特征参数。（3s或4s，正是人体 自动或人为地完成一次吞咽动作，建立中耳和外界的压 2016/10/22 力平衡所需要的时间）
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， ， ，
( D / d ) 2 1 .5
2
( D / d ) 2 .0
； ； ；
3：…………….. D 99.6m m
( D / d ) 2 2 .5
缓冲结构降低微气压波的效果
1
与微气压波最大值之比
L11
L21 L32
L31
L33
0.5
L21 L31 L22 L32
产生空气动力学问题的原因比较多，但最根本的 原因就是列车速度过高，隧道净空断面面积比较 小造成的。 国内外的研究表明：隧道内最大压力变化值与列 车的速度的平方成正比，与阻塞比的幂指数成正 比，这个幂指数的取值范围在1.3±0.26之间。
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4、隧道空气动力学的特性
隧道内空气流动物理特征 （1）当列车驶入隧道瞬间，由于空气的压缩性及列车壁 和隧道壁限制了空气侧向流和向上流的空间，使紧贴车 头前的空气受到压缩并随列车向前流动，造成列车前方 的空气压力突然升高，产生压缩波。被列车排挤的另一 部分空气则通过环状空间向列车后方流动。随着列车的 进一步驶入隧道，环状空间长度逐步增大，使车前隧道 空间的空气压力继续升高，即压缩波的强度继续增大， 直到列车全部进入隧道为止。该波以声速向前传播。波 前方的空气流速为零，而波后方的空气以一定的流速随 着列车向前流动。压缩波传播到出口后，一部分以膨胀 波形式反射回来，另一部分以微气压波形式传出隧道出 2016/10/22 口。
压力波动，隧道内人体舒适性，隧道净空断面设计参数的确定
隧道列车“活塞风”对隧道内工作人员及设备安全性的影响 空气阻力、运行速度、运行能耗 列车 乘客人体舒适性、列车内环境（压力变化及空调通风）、列车外表面 压力变化 气动噪音
车头、车尾的空气动力特性
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3、产生隧道空气动力学问题的根本原因
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无开口全封闭缓冲结构
D
缓冲结构的长度分为三种： 1：…………….. l 70 mm 2：…………….. l 140 mm ，l / d 1.11 ； ，l / d 2.22 ；
3：…………….. l 210 mm ，l / d 3.33 ； 同时，入口面积又分为三种： 1：…………….. D 77.2m m 2：…………….. D 89.0m m
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隧道空气动力学：是指高速列车通过隧道时，所诱发的 一系列与空气动力学相关的物理现象而逐步形成的一门 分支学科。高速铁路空气动力学问题可以分为明线空气 动力学和隧道空气动力学问题两大部分 。 两者的区别： 明线：列车气动阻力；横向风下列车气动特性；列车表 面压力分布；列车空气绕流。 隧道： 与隧道通风问题的区别
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2、问题的提出
什么是隧道空气动力学问题？ 最常见的最容易感觉的：耳膜不适；列车风 最早出现： 出现在1964年10月1日日本东海道新干线高速铁路隧道 （速度为210km/h，阻塞比为60.5～63.4 m2）。 隧道空气动力学包括下列几个方面
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隧道空气动力学相关问题 滑流及列车风 隧道洞口微气压波（声爆） 隧道 隧道内热环境，通风运营及防火
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控制措施一
增大隧道断面积
削减压缩波及噪声的最主要的解决方案是选取较大的隧 道断面，减低阻塞比。 根据各国高速铁路的分析可以得到这样的结论，当阻塞 比小于0.15（德、法等国）时，高速列车进洞诱发的空 气动力学问题基本上可以缓解。由此得出满足压力变动 的临界值（3.0kPa/3s）的阻塞比：车速为250km/h，阻 塞比为0.14；车速为350km/h，阻塞比为0.11。
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隧道压缩波的最大值与列车移动速度的二次方成比例。 并确定了波形变化的曲线。
1 1 (1 RT ) 2 p 0U 2 (1 M ){M (1 RT ) 2 }
2 *
1 1 1 Ut p (t ) p ( tan ) 2 0.3d
*
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0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 缓冲结构长度/直径 3 3.5 4
压缩波与微压波形成机理
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（2）当列车尾端进入隧道后，由于车尾产生的负压低 于大气压力，原先经过环状空间流到隧道入口外的空气 改变流向，流入列车后方的隧道空间，而且隧道外的空 气也流入该空间。由于经环状空间流入车后隧道空间的 空气流量小于列车所排挤开的空气流量，于是在列车尾 端形成了低于洞口外大气压的压力，即产生膨胀波，该 波沿隧道以声速向出口方向传播。传播到出口端后，大 部分以压缩波形式反射回来，沿隧道长度方向向进口端 传播。
影响旅客舒适度的压力指标有两个：一是压力变 化的最大值，另一个是压力变化率的最大值。 日本:1000Pa，300Pa/1.0s。 美国：800Pa, 410Pa/1.7s
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5.2、压力波传播和形成机理及其计算方法的研究
初期，采用一维流。采用特征线理论来得到隧道 轴线方向压力、速度等指标。 M.Schultz等人对短隧道进行研究，指出：在隧 道直径与隧道长度的比值不是很小时，隧道断面 上的压力几乎为常数，可用一维理论分析，但在 车头和车尾处要考虑三维效应，并提出了改进措 施。
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5.3、削减压缩波及噪声的各种方案的研究
微压波问题主要发生在日本的新干线隧道上，在七十年代末，由 于最初的隧道断面较小（60.5-63.4m2），阻塞比（列车断面与 隧道断面的比值）大于0.2，在列车提速到200km/h后，出现了较 明显的空气噪声问题，由于隧道已经建成，无法扩大断面，于是 就提出了多种修建附属构筑物的改造措施。 微气压波（micro compression wave） 高速列车进入隧道产生的压缩波以声速传播到隧道出口时，一部 分压缩波以膨胀波的形式反射回隧道，另一部分压缩波以球面波 的形式向隧道外空间辐射出去，并伴有爆炸声，造成对周围环境 的污染。辐射出去的压力脉冲波形状为尖三角形，三角形的高度 （压力脉冲的最大值）与列车速度的三次方成正比，与距离隧道 出口处的外部距离成反比。
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列车进出隧道过程的实现
要很好地模拟列车进出隧道的过程可以采取两种方法： 移动网格法和网格重划分法。