隧道空气动力学-报告.

2019/12/14高速铁路隧道空气动力学北京交通大学隧道及地下工程试验研究中心报告人：骆建军2019/12/141、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。2019/12/14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2019/12/142、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60.5～63.4m2）。隧道空气动力学包括下列几个方面2019/12/14隧道空气动力学相关问题隧道滑流及列车风隧道洞口微气压波（声爆）隧道内热环境，通风运营及防火压力波动，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列车空气阻力、运行速度、运行能耗乘客人体舒适性、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2019/12/143、产生隧道空气动力学问题的根本原因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。2019/12/144、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口。2019/12/14压缩波与微压波形成机理2019/12/14（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。2019/12/14（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。2019/12/145、国内外对高速铁路隧道空气动力学研究现状对于高速铁路隧道空气动力学的研究，我国起步比较晚，日本及许多西方国家对此做了大量研究，其研究范围主要集中在如下四个方面：（1）压力波的变化梯度及乘客的舒适度的研究；（2）压力波和微压波的传播和形成机理及其计算方法的研究；（3）削减压缩波和微压波的各种方案的研究；（4）实验方法的研究2019/12/145.1、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（comfortstandardofpassenger）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力平衡所需要的时间）2019/12/14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/1.7s2019/12/145.2、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。2019/12/14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。rVKptrain/ˆ3max})/(1/{)(21maxtptp2019/12/14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(1212220*TTRMMRUp)3.0tan121()(1*dUtptp2019/12/14随着现代计算机技术和数值计算方法的不断发展，各国学者对高速列车进入隧道所诱发的空气动力学现象已经从一维数值模拟上升到二维和三维数值模拟。S.Aita等人采用三维可压缩等熵欧拉方程进行了隧道单车压力波数值模拟。国内采用了非定常的三维可压缩不等熵的Navier-Stokes方程进行了计算，获得了非常好的结果。2019/12/14列车速度与最大压力变化之间的关系（国内）y=0.0005x2.0026R2=0.99410123456020406080100120Pmax（Kpa）V车（m/s）2019/12/14有缓冲结构时压力波的变化规律（国内）105.0ˆ136.1322321maxtrainatrainVckMVppppmax039166.0max7688.011dtdpeSLdtdphShhh147.1~13.164.0ˆ452.04263321max0trainaatrainVcmMMRVffftp2019/12/14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。2019/12/14移动网格法的原理滑移墙滑移墙内部区域非周期移动所产生的区域单元区域1交接区域1交接区域2单元区域2二维网格交接关系图2019/12/14列车隧道滑移面无限远域列车、隧道初始位置图地面列车刚进隧道位置关系图滑移墙滑移面2019/12/14列车头部流场压力变化分布（国内）列车隧道道床2019/12/14隧道列车道床272m2019/12/14数值计算压力变化曲线（国内）-3000-2000-10000100020003000400050000.511.522.53时间（s）压力（Pa）2019/12/142019/12/145.3、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（microcompressionwave）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。2019/12/14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。2019/12/14线路列车速度(Km/h)隧道横断面积(m2)阻塞比日本东海新干线210640.21日本山阳新干线230640.21日本上越新干线240640.21巴黎-大西洋干线270710.15汉堡-慕尼黑干线250820.13罗马-米兰干线250760.182019/12/14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）。高速铁路隧道断面示意图单位：cm2019/12/14控制措施二对于既有线路上，隧道已经建成，无法扩大断面，所以必须在不改变隧道断面积的情况下，来予以解决。经过多年的研究和探索以及大量的理论和实验研究，人们已经有了许多减小压力波和噪声的方法。解决方法主要分为两种：修建附属构筑物的改造措施：无开口全封闭缓冲结构有窗口的缓冲结构开槽式缓冲结构人为控制车内压力2019/12/14无开口全封闭缓冲结构D缓冲结构的长度分为三种：1：……………..mml70，11.1/dl；2：……………..mml140，22.2/dl；3：……………..mml210，33.3/dl；同时，入口面积又分为三种：1：……………..mmD2.77，5.1)/(2dD；2：……………..mmD0.89，0.2)/(2dD；3：……………..mmD6.99，5.2)/(2dD；2019/12/14缓冲结构降低微气压波的效果00.5100.511.522.533.54缓冲结构长度/直径与微气压波最大值之比L11L21L31L21L22L32L31L32L33第一个标记代表缓冲结构长度选项；第二个标记代表缓冲结构入口面积选项。直线为母线的缓冲结构形式可以将微气压波降低到30%左右。2019/12/14有窗口的缓冲结构开窗式隧道缓冲结构模型6368153132151515321401525窗口单位：mm；比例：1/143列车突入侧洞口对于有窗口的缓冲结构，需确定合适的窗口面积的大小。窗口部分设在缓冲结构的侧面，其长度可以等于或小于缓冲棚全长。同全封闭式的缓冲结构相比，带窗口的缓冲棚具有更好的降压效果。该缓冲结构可以将微气压波降低到无缓冲结构时的0.45。2019/12/14开槽式缓冲结构开槽式缓冲结构的横截面积与隧道截面相同，通过在缓冲结构顶部开槽，起到缓冲作用，可将微压波峰值降至20-30%。2019/12/14人为控制车内压力通风系统通过调节风流的进入和排出，从而实现对车内压力的调节。K.Akutsu等人对此方法进行了研究，用风机来调节压力，消除瞬变压力所造成的危害。它只能消除列车内部的压力变化，不能削减对周围环境的影