第12卷第4期 交通运输工程学报 Vol 12 No 4 2012年8月 Journal of Traffic and Transportation Engineering Aug. 201 文章编号:1671-1637(2012)04-0025-08 中国高速铁路隧道气动效应研究进展 马伟斌1,张千里1,刘艳青2 (1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所,北京100081;2.铁科院(北京)工程咨询有限公司,北京100081) 摘要:论述了现场实车试验、数值仿真计算和室内模型试验等髙速铁路隧道气动效应的研究方 法,分析了隧道气动效应的影响因素,系统研究了动车组通过隧道及交会条件下车体内和隧道内瞬 变压力与洞口微气压波随速度的变化规律、缓冲结构的设置条件、隧道附加阻力的计算方法、隧道 内辅助设施所承受的气动荷载要求以及长大隧道远程测试控制技术和隧道内精确交会控制方法。 研究结果表明:高速列车通过隧道引起的气动效应直接影响到列车运行的安全性、乘员舒适性以及 隧道周边的环境,是高速铁路隧道设计中必须解决的关键技术冋题;建议提岀适合中囯囯情的隧道 内复合型舒适度、微气压波标准,开展多孔吸能材料、洞口缓冲结枃、减压竖井、横通道设计等减缓 葹研究。 关键词:高速铁路隧道;气动效应;实车试验;教值计算;模型试验 中图分类号:U459.1 文献标志码:A Study evolvement of high-speed railway tunnel aerodynamic effect in china MA Wei-bin, ZHANG Qian-li, LiU Yan-qing (1. Railway Engineering Research Institue, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China: 2. Beijing Engineering Consulting Co. Ltd. of CARS, Beijing 100081, China) Abstract: The research methods of high-speed railway tunnel aerodynamic effect, such as field test,numerical simulation computation and indoor model test, were dissertated. The influence factors of tunnel aerodynamic effect were analyzed. The variation laws of transient pressures in train and tunnel and micro-pressure waves outside tunnel with different velocities, buffer structure setting conditions, the calculating method of additional air resistance in tunnel, the aerodynamic load requirements of tunnel subsidiary facilities, remote testing and control technology in large-scale tunnel, the accurate control method of train passing in tunnel were systematically studied when high-speed train set went through tunnel and rendezvoused in tunnel Analysis result shows that the aerodynamic effect produced by high-speed train set through tunnel directly affects train security, passenger comfort and tunnel surrounding environment, it is the key technical problem that must be solved in the design of high-speed railway tunnel. omposite comfort and micro-pressure wave standards that are suitable for China are suggested the researches on micro-pressure wave mitigative measures such as porous energy-absorbing materials, the buffer structure of tunnel hole, decompression shaft, cross-channel design should I tab,& figs, 12 ref: Key words: high-speed railway tunnel; aerodynamic effect; real train test; numerical 收稿日期:2012-02-12 基金项目:铁道部科技研究开发计划项目(Z2009-073,2012(013-D) 作者简介:马伟斌(1977-),男,山东无棣人,中国铁道科学研究院副研究员,工学博土,从事高速铁路隧道气动效应研究
第１２卷 第４期 ２０１２年８月 交 通 运 输 工 程 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｒａｆｆｉｃａｎｄＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｌ．１２ Ｎｏ．４ Ａｕｇ．２０１２ 收稿日期：２０１２０２１２ 基金项目：铁道部科技研究开发计划项目（Ｚ２００９０７３，２０１２Ｇ０１３Ｄ） 作者简介：马伟斌（１９７７），男，山东无棣人，中国铁道科学研究院副研究员，工学博士，从事高速铁路隧道气动效应研究。 文章编号：１６７１１６３７（２０１２）０４００２５０８ 中国高速铁路隧道气动效应研究进展 马伟斌１，张千里１，刘艳青２ （１． 中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 １０００８１；２． 铁科院（北京）工程咨询有限公司，北京 １０００８１） 摘 要：论述了现场实车试验、数值仿真计算和室内模型试验等高速铁路隧道气动效应的研究方 法，分析了隧道气动效应的影响因素，系统研究了动车组通过隧道及交会条件下车体内和隧道内瞬 变压力与洞口微气压波随速度的变化规律、缓冲结构的设置条件、隧道附加阻力的计算方法、隧道 内辅助设施所承受的气动荷载要求以及长大隧道远程测试控制技术和隧道内精确交会控制方法。 研究结果表明：高速列车通过隧道引起的气动效应直接影响到列车运行的安全性、乘员舒适性以及 隧道周边的环境，是高速铁路隧道设计中必须解决的关键技术问题；建议提出适合中国国情的隧道 内复合型舒适度、微气压波标准，开展多孔吸能材料、洞口缓冲结构、减压竖井、横通道设计等减缓 措施研究。 关键词：高速铁路隧道；气动效应；实车试验；数值计算；模型试验 中图分类号：Ｕ４５９．１ 文献标志码：Ａ 犛狋狌犱狔犲狏狅犾狏犲犿犲狀狋狅犳犺犻犵犺狊狆犲犲犱狉犪犻犾狑犪狔狋狌狀狀犲犾犪犲狉狅犱狔狀犪犿犻犮 犲犳犳犲犮狋犻狀犆犺犻狀犪 ＭＡ Ｗｅｉｂｉｎ１，ＺＨＡＮＧ Ｑｉａｎｌｉ１，ＬＩＵ Ｙａｎｑｉｎｇ２ （１．ＲａｉｌｗａｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｅ，ＣｈｉｎａＡｃａｄｅｍｙｏｆＲａｉｌｗａｙＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８１，Ｃｈｉｎａ； ２．ＢｅｉｊｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｎｓｕｌｔｉｎｇＣｏ．Ｌｔｄ．ｏｆＣＡＲＳ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８１，Ｃｈｉｎａ） 犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈ ｍｅｔｈｏｄｓｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙｔｕｎｎｅｌａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｅｆｆｅｃｔ，ｓｕｃｈａｓｆｉｅｌｄ ｔｅｓｔ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｎｄｉｎｄｏｏｒｍｏｄｅｌｔｅｓｔ，ｗｅｒｅｄｉｓｓｅｒｔａｔｅｄ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｆａｃｔｏｒｓｏｆｔｕｎｎｅｌａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｅｆｆｅｃｔｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｌａｗｓｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔｐｒｅｓｓｕｒｅｓｉｎ ｔｒａｉｎａｎｄｔｕｎｎｅｌａｎｄ ｍｉｃｒｏｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｖｅｓ ｏｕｔｓｉｄｅｔｕｎｎｅｌ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ，ｂｕｆｆｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｅｔｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｏｆａｄｄｉｔｉｏｎａｌａｉｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｉｎｔｕｎｎｅｌ，ｔｈｅ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆｔｕｎｎｅｌｓｕｂｓｉｄｉａｒｙ ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ，ｒｅｍｏｔｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｌａｒｇｅｓｃａｌｅｔｕｎｎｅｌ，ｔｈｅａｃｃｕｒａｔｅｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｏｆｔｒａｉｎｐａｓｓｉｎｇｉｎｔｕｎｎｅｌｗｅｒｅ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙｓｔｕｄｉｅｄｗｈｅｎｈｉｇｈｓｐｅｅｄｔｒａｉｎｓｅｔｗｅｎｔｔｈｒｏｕｇｈｔｕｎｎｅｌａｎｄｒｅｎｄｅｚｖｏｕｓｅｄｉｎｔｕｎｎｅｌ． Ａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｅｆｆｅｃｔｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｈｉｇｈｓｐｅｅｄｔｒａｉｎｓｅｔｔｈｒｏｕｇｈ ｔｕｎｎｅｌｄｉｒｅｃｔｌｙａｆｆｅｃｔｓｔｒａｉｎｓｅｃｕｒｉｔｙ，ｐａｓｓｅｎｇｅｒｃｏｍｆｏｒｔａｎｄｔｕｎｎｅｌｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｉｔｉｓ ｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｉｃａｌｐｒｏｂｌｅｍ ｔｈａｔ ｍｕｓｔｂｅｓｏｌｖｅｄｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎ ｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙｔｕｎｎｅｌ． ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｃｏｍｆｏｒｔａｎｄｍｉｃｒｏｐｒｅｓｓｕｒｅｗａｖｅｓｔａｎｄａｒｄｓｔｈａｔａｒｅｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒＣｈｉｎａａｒｅｓｕｇｇｅｓｔｅｄ， ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｏｎ ｍｉｃｒｏｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｖｅ ｍｉｔｉｇａｔｉｖｅ ｍｅａｓｕｒｅｓｓｕｃｈａｓｐｏｒｏｕｓｅｎｅｒｇｙａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｔｈｅｂｕｆｆｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｕｎｎｅｌｈｏｌｅ，ｄｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｓｈａｆｔ，ｃｒｏｓｓｃｈａｎｎｅｌｄｅｓｉｇｎｓｈｏｕｌｄ ｂｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．１ｔａｂ，８ｆｉｇｓ，１２ｒｅｆｓ． 犓犲狔 狑狅狉犱狊： ｈｉｇｈｓｐｅｅｄ ｒａｉｌｗａｙ ｔｕｎｎｅｌ； ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｅｆｆｅｃｔ； ｒｅａｌ ｔｒａｉｎ ｔｅｓｔ； ｎｕｍｅｒｉｃａｌ
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 Ｗｅｉｂｉｎ（１９７７），ｍａｌｅ，ａｓｓｏｃｉａｔｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｒ，ＰｈＤ， ＋８６１０５１８７４３７９， 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［２４］。 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［６７］；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
第2期 马伟斌,等:中国高速铁路隧道气动效应研究进展 隧道外围 试系统主要由传感器、IMC集成测控数采系统、无 线远程监控系统、无线远程数据传输系统和接收终 隧道 隧道外围 端等部分组成,见图4 气压传感器 无线远程传输系 图1隧道计算模型网格 无线远程控制终端 无线远程控制系统 图4测试系统 Fig 4 Test system 长大隧道内无GSMR、GPS信号,地形与环境 等条件恶劣,要求同步测试时间精确,测试难度较 大。基于先进的数据采集技术、无线传输技术、远程 控制技术以及线号同步技术,中国铁道科学研究院 自主研制成功高速铁路隧道气动效应集成测控系 统。该系统采用全功能的数采模块,可满足数据采 图2列车驶入隧道瞬变压力 集多路信号全面监测的需要,并可分散可集中,系统 Fig 2 Transient pressure when train enters tunnel 组合灵活多变,在分布式系统中,可将多台数采仪置 计算 实测 于铁路线路不同位置,满足多点采集的需要,同时接 210 入多种信号,也可将多台数采仪分开使用,同时拥有 多套独立的通用信号数采系统,满足多个测量任务 的需要。系统大幅度减少了信号长距离传输以及外 来干扰产生的影响,通过无线网络通讯突破距离、地 形等空间条件的限制,为特殊应用环境下的测量工 作提供便利。不同系统间可实现同步连接,保证所有 图3瞬变压力对比 数采仪的所有通道实时同步,同步精度达到ns级 Fig 3 Comparison of transient pressures 计算表明,隧道内各压力波的传递与叠加时刻与隧此外,系统有较好地适应高低温、高湿、强振动和冲 道长度、列车速度紧密相关 击等恶劣环境的能力,可广泛用于无信号的野外无 1.2现场实车试验 线采集、传输及控制中。为获得长大隧道内瞬变压 中国铁道科学研究院结合多条高速铁路的联调力随长度方向变化规律,本文在武广线大瑶山1号 联式,进行了隧道气动效应现场实车试验。通过测隧道(10081m)内分别距洞口230.700.8001000 试动车组高速通过隧道或隧道内交会时的瞬变压00050007500,9850m布置了8个断面,成功 力、微气压波、列车风以及行车阻力的特性及变化规实现了数据同步采集、传输与远程监控 律,验证了数值模拟计算结果,得到了气动荷载交变1.2.2动车组隧道内高速交会试验 作用对车体强度、车内舒适度、隧道内辅助设施以及 通过现场试验,本文提出了基于标尺试验与交 周围环境的影响及规律,为系统开展高速铁路车隧会时间差计算的高速动车组交会试验方法,成功进 耦合空气动力效应研究奠定基础。 行了高速铁路动车组350km·h-隧道内交会试 1.2.1高速铁路隧道气动效应测试系统 验,并在京沪线成功实现了动车组380km·h-隧 中国铁道科学研究院创造性地建立了高速铁路道中点位置交会试验,交会误差小于50m。 隧道空气动力学测试系统,解决了长大隧道全长范1.2.3惰行试验方法 围内空气动力学测试难点,实现车上车下与隧道各 在理论分析的基础上,本文提出采用在隧道内 个测点同步、无线、远程测试技术的突破,其采用了进行惰行试验时的“特定有限区间”采样方法。试验 自行研发的无线远程控制与集中监控技术,试验测数据的采样选择列车进入隧道后的一个特定区间
图１ 隧道计算模型网格 Ｆｉｇ．１ Ｍｅｓｈｏｆｔｕｎｎｅｌｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｍｏｄｅｌ 图２ 列车驶入隧道瞬变压力 Ｆｉｇ．２ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔｐｒｅｓｓｕｒｅｗｈｅｎｔｒａｉｎｅｎｔｅｒｓｔｕｎｎｅｌ 图３ 瞬变压力对比 Ｆｉｇ．３ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔｐｒｅｓｓｕｒｅｓ 计算表明，隧道内各压力波的传递与叠加时刻与隧 道长度、列车速度紧密相关。 １．２ 现场实车试验 中国铁道科学研究院结合多条高速铁路的联调 联式，进行了隧道气动效应现场实车试验。通过测 试动车组高速通过隧道或隧道内交会时的瞬变压 力、微气压波、列车风以及行车阻力的特性及变化规 律，验证了数值模拟计算结果，得到了气动荷载交变 作用对车体强度、车内舒适度、隧道内辅助设施以及 周围环境的影响及规律，为系统开展高速铁路车隧 耦合空气动力效应研究奠定基础。 １．２．１ 高速铁路隧道气动效应测试系统 中国铁道科学研究院创造性地建立了高速铁路 隧道空气动力学测试系统，解决了长大隧道全长范 围内空气动力学测试难点，实现车上车下与隧道各 个测点同步、无线、远程测试技术的突破，其采用了 自行研发的无线远程控制与集中监控技术，试验测 试系统主要由传感器、ＩＭＣ 集成测控数采系统、无 线远程监控系统、无线远程数据传输系统和接收终 端等部分组成，见图４。 图４ 测试系统 Ｆｉｇ．４ Ｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍ 长大隧道内无 ＧＳＭＲ、ＧＰＳ信号，地形与环境 等条件恶劣，要求同步测试时间精确，测试难度较 大。基于先进的数据采集技术、无线传输技术、远程 控制技术以及线号同步技术，中国铁道科学研究院 自主研制成功高速铁路隧道气动效应集成测控系 统。该系统采用全功能的数采模块，可满足数据采 集多路信号全面监测的需要，并可分散可集中，系统 组合灵活多变，在分布式系统中，可将多台数采仪置 于铁路线路不同位置，满足多点采集的需要，同时接 入多种信号，也可将多台数采仪分开使用，同时拥有 多套独立的通用信号数采系统，满足多个测量任务 的需要。系统大幅度减少了信号长距离传输以及外 来干扰产生的影响，通过无线网络通讯突破距离、地 形等空间条件的限制，为特殊应用环境下的测量工 作提供便利。不同系统间可实现同步连接，保证所有 数采仪的所有通道实时同步，同步精度达到 ｎｓ级。 此外，系统有较好地适应高低温、高湿、强振动和冲 击等恶劣环境的能力，可广泛用于无信号的野外无 线采集、传输及控制中。为获得长大隧道内瞬变压 力随长度方向变化规律，本文在武广线大瑶山１号 隧道（１００８１ｍ）内分别距洞口２３０、７００、８００、１０００、 ３０００、５０００、７５００、９８５０ｍ 布置了８个断面，成功 实现了数据同步采集、传输与远程监控。 １．２．２ 动车组隧道内高速交会试验 通过现场试验，本文提出了基于标尺试验与交 会时间差计算的高速动车组交会试验方法，成功进 行了高速铁路动车组３５０ｋｍ·ｈ－１ 隧道内交会试 验，并在京沪线成功实现了动车组３８０ｋｍ·ｈ－１ 隧 道中点位置交会试验，交会误差小于５０ｍ。 １．２．３ 惰行试验方法 在理论分析的基础上，本文提出采用在隧道内 进行惰行试验时的“特定有限区间”采样方法。试验 数据的采样选择列车进入隧道后的一个特定区间， 第２期 马伟斌，等：中国高速铁路隧道气动效应研究进展 ２７
交通运输工程学报 2012年 使得V≈V≈V,V为进洞速度,V为采样起点杂,但测试数据相对可靠。 车速,Vm为采样终点车速。忽略机械阻力在隧道和2隧道气动效应影响因素及涉及的科 明线的差别,可得检验式为 F:-F。=D-D 学问题 式中:F为隧道内运行总阻力,由“特定有限区间”2.1影响因素分析 惰行试验得出;F。为明线运行总阻力;D4为隧道内 高速动车组通过隧道时,隧道气动效应的影响 运行空气阻力,由非恒定流模型计算得出;Do为明因素主要从3个方面考虑:列车方面,列车的运行速 线运行空气阻力,由计算得出。通过非恒定流模型度、横截面积、车头和车尾形状、编组长度及车辆的 得到长度10.8km隧道在相应位置附加阻力计算气密性等;隧道方面,隧道有效净空面积、隧道断面 值同试验值基本一致 形状、隧道长度、复线间距、隧道坡度、线路曲线半 1.3室内模型试验 径、隧道壁面粗糙度及辅助结构物形式(隧道口缓冲 模型试验主要有浅水槽和发射式列车模型两结构、通风通道、隔墙、道床类型)等;其他方面,如列 种。水槽法是根据流体力学的性质,采用相同马赫车在复线隧道中交会及相对运行列车各自进入隧道 数的流体来模拟空气,通过改变浅水波的传播速度,口的时间差等。多种因素交织在一起,使隧道气动 模型以较低的列车速度得到与实际运行列车相同的效应的研究远比明线空气动力问题复杂 马赫数,从而达到模拟实际运行高速列车的目的。2.2涉及的科学问题 发射式列车模型可模拟高速列车进出隧道的运行状 列车高速运行条件下,进出隧道的瞬间以及在隧 态,以便测定不同工况下的压力波动、低频噪音及其道中会车和运行过程中,列车气动效应较低速时剧烈 他空气动力学现象。进行模型试验时,根据相似原得多,会带来新的空气动力学和环境学问题。如列车 理来确定模拟系统,主要是马赫数和雷诺数,增加了在进人隧道时会引起车内的压力波动,给乘客的听觉 测试数据的可比性和使用性,模型列车与实际列车造成不适;隧道出口处会形成微气压波,产生爆炸声 速度相同时可保证马赫数相同。 和门窗的震动等不良效果,影响周围的环境。高速铁 水槽法试验装置简单,易操作,但测试数据及试路隧道气动效应主要涉及的科学问题见表1。表1 验效果不理想。发射式列车模型试验装置相对复中,pmx、pm为正负峰值;Pmx为洞口微气压波 表1高速铁路隧道空气动力学效应涉及的科学问题 Tab. 1 Scientific issues involved in aerodynamic effect of high-speed railway tunnel 待征值 意 研究方法 车内气压变化特定时间内的气压单调变化 乘车舒适性 3s瞬变压力变化率为1.25kPa 遂道内压力 衬砌和设施气动荷载 车内外压差 密封性有关 车辆结构气动荷载 洞口外20m时P=x≤50Pa, 微气压波 P 隧道洞口环境 有建筑物时P=≤20Pa 隧道空气阻力与 行车平均阻力T 牵引计算 明线空气阻力之比 计算 阻力 阻力过程 空气阻力最大值 隧道内活塞风 最大风速 14m·s 隧道内人员与设施安全性 附属设施气动力 pmx→pm 《高速铁路设计规范(试行)》(TB10621—2009 3理论研究成果 3.1动车组车外最大负压出现位置及其与隧道长 度的关系 中国铁道科学研究院通过合武、石太、武广、郑西 本文根据动车组通过隧道时车外压力波动及叠 等高速铁路隧道气动效应的研究,在列车内外瞬变压加原理,提出动车组以速度v通过隧道的过程中,列 力、隧道内瞬变压力与洞口微气压波关系以及实现隧车表面与车头纵向距离为x的任意一点在隧道内 道内精确交会控制方法等方面取得重大进展。 出现最大负压位置s以及动车组车外最大负压与隧
使得犞０≈犞ｓｔ≈犞ｅｎ，犞０ 为进洞速度，犞ｓｔ为采样起点 车速，犞ｅｎ为采样终点车速。忽略机械阻力在隧道和 明线的差别，可得检验式为 犉ｔ －犉０ ＝ 犇ｔ －犇０ 式中：犉ｔ 为隧道内运行总阻力，由“特定有限区间” 惰行试验得出；犉０ 为明线运行总阻力；犇ｔ 为隧道内 运行空气阻力，由非恒定流模型计算得出；犇０ 为明 线运行空气阻力，由计算得出。通过非恒定流模型 得到长度１０．８ｋｍ 隧道在相应位置附加阻力计算 值同试验值基本一致。 １．３ 室内模型试验 模型试验主要有浅水槽和发射式列车模型两 种。水槽法是根据流体力学的性质，采用相同马赫 数的流体来模拟空气，通过改变浅水波的传播速度， 模型以较低的列车速度得到与实际运行列车相同的 马赫数，从而达到模拟实际运行高速列车的目的［９］。 发射式列车模型可模拟高速列车进出隧道的运行状 态，以便测定不同工况下的压力波动、低频噪音及其 他空气动力学现象。进行模型试验时，根据相似原 理来确定模拟系统，主要是马赫数和雷诺数，增加了 测试数据的可比性和使用性，模型列车与实际列车 速度相同时可保证马赫数相同。 水槽法试验装置简单，易操作，但测试数据及试 验效果不理 想 。发 射 式 列 车 模 型 试 验 装 置 相 对 复 杂，但测试数据相对可靠。 ２ 隧道气动效应影响因素及涉及的科 学问题 ２．１ 影响因素分析 高速动车组通过隧道时，隧道气动效应的影响 因素主要从３个方面考虑：列车方面，列车的运行速 度、横截面积、车头和车尾形状、编组长度及车辆的 气密性等；隧道方面，隧道有效净空面积、隧道断面 形状、隧道长度、复线间距、隧道坡度、线路曲线半 径、隧道壁面粗糙度及辅助结构物形式（隧道口缓冲 结构、通风通道、隔墙、道床类型）等；其他方面，如列 车在复线隧道中交会及相对运行列车各自进入隧道 口的时间差等。多种因素交织在一起，使隧道气动 效应的研究远比明线空气动力问题复杂。 ２．２ 涉及的科学问题 列车高速运行条件下，进出隧道的瞬间以及在隧 道中会车和运行过程中，列车气动效应较低速时剧烈 得多，会带来新的空气动力学和环境学问题。如列车 在进入隧道时会引起车内的压力波动，给乘客的听觉 造成不适；隧道出口处会形成微气压波，产生爆炸声 和门窗的震动等不良效果，影响周围的环境。高速铁 路隧道气动效应主要涉及的科学问题见表１。表１ 中，狆ｍａｘ、狆ｍｉｎ为正负峰值；犘ｍａｘ为洞口微气压波。 表１ 高速铁路隧道空气动力学效应涉及的科学问题 犜犪犫．１ 犛犮犻犲狀狋犻犳犻犮犻狊狊狌犲狊犻狀狏狅犾狏犲犱犻狀犪犲狉狅犱狔狀犪犿犻犮犲犳犳犲犮狋狅犳犺犻犵犺狊狆犲犲犱狉犪犻犾狑犪狔狋狌狀狀犲犾 项目 特征值 意义 阀值 研究方法 瞬变 压力 车内气压变化 隧道内压力 车内外压差 微气压波 行车 阻力 平均阻力犜ｆ 阻力过程 隧道内活塞风 附属设施气动力 特定时间内的气压单调变化 狆ｍａｘ，狆ｍｉｎ 密封性有关 犘ｍａｘ 隧道空气阻力与 明线空气阻力之比 空气阻力最大值 最大风速 狆ｍａｘ，狆ｍｉｎ 乘车舒适性 衬砌和设施气动荷载 车辆结构气动荷载 隧道洞口环境 牵引计算 限坡 隧道内人员与设施安全性 ３ｓ瞬变压力变化率为１．２５ｋＰａ ４０００，６０００Ｐａ 洞口外２０ｍ 时犘ｍａｘ≤５０Ｐａ， 有建筑物时犘ｍａｘ≤２０Ｐａ １４ｍ·ｓ－１ 《高速铁路设计规范（试行）》（ＴＢ１０６２１—２００９） 现场 试验 数值 计算 ３ 理论研究成果 中国铁道科学研究院通过合武、石太、武广、郑西 等高速铁路隧道气动效应的研究，在列车内外瞬变压 力、隧道内瞬变压力与洞口微气压波关系以及实现隧 道内精确交会控制方法等方面取得重大进展。 ３．１ 动车组车外最大负压出现位置及其与隧道长 度的关系 本文根据动车组通过隧道时车外压力波动及叠 加原理，提出动车组以速度狏通过隧道的过程中，列 车表面与车头纵向距离为狓 的任意一点在隧道内 出现最大负压位置狊以及动车组车外最大负压与隧 ２８ 交 通 运 输 工 程 学 报 ２０１２年
第2期 马伟斌,等:中国高速铁路隧道气动效应研究进展 道长度关系的理论计算式为 xtc'lr/v-cl -c+(2n+x+)+x 当l<2cx+c2ln/-cl2 0 (2l-x)+ L/km a)a与L关系 (1+M)l 式中:Lc为车外最大负压临界隧道长度;l为隧道 长度;l为列车长度;c为当地声速;M为马赫数 通过现场实测数据的验证分析,指导动车组采 取保护机制以保证动车组风冷设备以及需要风冷的 设备的正常运行。车外最大负压临界隧道长度与车 速关系见图5。 )b与L关系 图6a、b与L的关系 h and l 的隧道,车内舒适度评价指标(压力3s变化极值小 于1.25kPa)对应的隧道内瞬变压力3s变化极值 的临界限值分别为6.8、5.9、5.3、4.8、4.2kPa 3.4动车组隧道内交会试验理论计算方法 通过理论计算与分析,本文提出了动车组隧道 内交会理论计算方法,为实现隧道内精确交会试验 提供了理论基础。通过标尺试验精确记录动车组A Lcm与v关系 Fig 5 Relationship between Lertu and 与B加速至350km·h-时,下行线动车组里程 3.2隧道内瞬变压力与洞口微气压波的关系 KxA350、KxBo及相应时间TxAs、Txs5,列车速度达到 通过现场海量数据的统计与归一化分析,本文 0km·h-后,恒速运行,记录动车组通过交会点 提出了隧道内瞬变压力(P)与洞口微气压波(Psx) 时的时刻TxA、T。然后动车组A与B同向 关系的理论式为 分别经下行线、上行线行驶,加速至350km·h-1。 精确记录动车组A与B加速至350km·h1时 0.9963ln(L)+9.1699 上行线动车组里程Ks30、Ks350及相应的时间 b=1.5475e TsA50、Tss0,列车速度达到350km·h-1后,恒速 式中:L为隧道长度;a、b为相关参数,a与L成对数运行,记录动车组通过交会点K时的时刻TsN 关系,b与L成指数关系。车速高于310km·h-1Ts。动车组A与B上下行方向运行交会时间差 时,a、b与L关系见图6 分别为 3.3车内和隧道内瞬变压力3s变化极值比例因 TxA35o+ 3600(K1-KxA50) A350 子与隧道长度的关系 350 通过统计分析隧道内瞬变压力与车内压力变 3600(K K 化,本文提出了特定密封条件下,车内和隧道内瞬变 压力3s变化极值比例因子(k)与隧道长度(L)理论 △TB50=T 600(K1-K 式为 3600(KsA5o-K1) k=0.0392ln(L)-0.062 SA350 并推出了长度分别为0.5、1.0、2.0、4.0、10.0km 交会位置产生偏差,调整时间为
道长度关系的理论计算式为 当犾ｔｕ≥２犮狓＋犮２ 犾ｔｒ／狏－犮犾ｔｒ ４狏 时 狊＝ 狏 犮＋狏２犾ｔｕ ＋狓＋犮 狏 （ 犾ｔｒ）＋狓 当犾ｔｕ＜ ２犮狓＋犮２ 犾ｔｒ ／狏－犮犾ｔｒ ４狏 时 狊＝ 狏 犮－狏 （２犾ｔｕ －狓）＋狓 犔ｃｒｔｕ ＝ （１＋犕）犾ｔｒ ４犕２ 式中：犔ｃｒｔｕ为车外最大负压临界隧道长度；犾ｔｕ为隧道 长度；犾ｔｒ为列车长度；犮为当地声速；犕 为马赫数。 通过现场实测数据的验证分析，指导动车组采 取保护机制以保证动车组风冷设备以及需要风冷的 设备的正常运行。车外最大负压临界隧道长度与车 速关系见图５。 图５ 犔ｃｒｔｕ与狏关系 Ｆｉｇ．５ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎ犔ｃｒｔｕａｎｄ狏 ３．２ 隧道内瞬变压力与洞口微气压波的关系 通过现场海量数据的统计与归一化分析，本文 提出了隧道内瞬变压力（犘）与洞口微气压波（犘ＥＸ） 关系的理论式为 犘ＥＸ ＝犪犘犫 犪 ＝－０．９９６３ｌｎ（犔）＋９．１６９９ 犫＝１．５４７５ｅ０．０００２犔 式中：犔 为隧道长度；犪、犫为相关参数，犪与犔 成对数 关系，犫与犔 成指数关系。车速高于３１０ｋｍ·ｈ－１ 时，犪、犫与犔 关系见图６。 ３．３ 车内和隧道内瞬变压力３狊变化极值比例因 子与隧道长度的关系 通过统计分析隧道内瞬变压力与车内压力变 化，本文提出了特定密封条件下，车内和隧道内瞬变 压力３ｓ变化极值比例因子（犽）与隧道长度（犔）理论 式为 犽＝０．０３９２ｌｎ（犔）－０．０６２３ 并推出了长度分别为 ０．５、１．０、２．０、４．０、１０．０ｋｍ 图６ 犪、犫与犔 的关系 Ｆｉｇ．６ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｍｏｎｇ犪，犫ａｎｄ犔 的隧道，车内舒适度评价指标（压力３ｓ变化极值小 于１．２５ｋＰａ）对应的隧道内瞬变压力３ｓ变化极值 的临界限值分别为６．８、５．９、５．３、４．８、４．２ｋＰａ。 ３．４ 动车组隧道内交会试验理论计算方法 通过理论计算与分析，本文提出了动车组隧道 内交会理论计算方法，为实现隧道内精确交会试验 提供了理论基础。通过标尺试验精确记录动车组 Ａ 与 Ｂ 加速至 ３５０ｋｍ·ｈ－１ 时，下行线动车组 里 程 犓ＸＡ３５０、犓ＸＢ３５０及相应时间犜ＸＡ３５０、犜ＸＢ３５０，列车速度达到 ３５０ｋｍ·ｈ－１后，恒速运行，记录动车组通过交会点 犓Ｊ 时的时刻 犜ＸＡＪ、犜ＸＢＪ。然后动车组 Ａ 与 Ｂ同向 分别经下行线、上行线行驶，加速至３５０ｋｍ·ｈ－１。 精确记录动车 组 Ａ 与 Ｂ 加 速 至 ３５０ｋｍ·ｈ－１ 时， 上行 线 动 车 组 里 程 犓ＳＡ３５０、犓ＳＢ３５０ 及 相 应 的 时 间 犜ＳＡ３５０、犜ＳＢ３５０，列车速度达到３５０ｋｍ·ｈ－１后，恒速 运行，记录 动 车 组 通 过 交 会 点 犓Ｊ 时 的 时 刻 犜ＳＡＪ、 犜ＳＢＪ。动车组 Ａ 与 Ｂ上下行方向运行交会时间差 分别为 Δ犜Ａ３５０ ＝犜ＸＡ３５０ ＋３６００（犓Ｊ －犓ＸＡ３５０） ３５０ － 犜ＳＢ３５０ ＋３６００（犓ＳＢ３５０ －犓Ｊ） ３５０ Δ犜Ｂ３５０ ＝犜ＸＢ３５０ ＋３６００（犓Ｊ －犓ＸＢ３５０） ３５０ － 犜ＳＡ３５０ ＋３６００（犓ＳＡ３５０ －犓Ｊ） ３５０ 交会位置产生偏差，调整时间为 第２期 马伟斌，等：中国高速铁路隧道气动效应研究进展 ２９