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高速列车通过隧道时产生的空气动力学问题 1 主讲老师：张俊儒 ;基本现象 产生的相关空气动力学问题 解决措施（乘客舒适度） ;一 高速列车通过隧道时产生 的现象;（一）基本现象 ; 空气动力学效应;高速列车运行引起的问题有： 1．由于瞬变压力造成旅客及乘务人员耳膜不适，舒适度降低，并对铁路员工和车辆产生危害； 2．高速列车进入隧道时，会在隧道出口产生微压波，发出轰鸣声，使附近房屋门窗嘎嘎啦作响，引起扰民问题； 3．行车阻力增大。它运营能耗增大，并要求机车动力增大； 4．形成空气动力学噪声（与车速的6-8次方成正比）； 5．列车风加剧，影响隧道维修养护人员的正常作业； 6．机车车体的形式与隧道断面间的相关动力学特性等。 ;二 产生的相关空气动力学问题;阻塞比及隧道横断面的概念 从各国的实践看，隧道横断面的决定主要是采用阻塞比，即采用列车断面积与隧道断面积的比值来决定。这里的隧道断面积，通常是指轨道面以上的断面积。也就是，在列车尺寸、形状一定的条件下，如何根据列车速度确定合理的阻塞比，而后根据列车断面积决定合理的隧道横断面积。 0.13左右;瞬变压力;隧道长度对压力波动程度的影响; 隧道内瞬变压力向车辆内传递的规律取决于车辆的密封性和车体的刚度。 当车辆完全不密封，即车内外空气的质量交换无阻尼时，车外压力和车内压力相等。 当车辆完全密封，即车内外空气无质量交换，车体的刚度又较大时，则车外的压力瞬变对车内无影响。 实际上，上面的两种极端情况都是不存在的。 ------密封指数;密封指数;根据泄漏试验来测定车辆的静态密封指数 ;车辆的密封程度 ;图中所示为不同密封程度车辆对气压波动的缓解效果的计算结果 ;三 解决措施（舒适度）; 瞬变压力会造成旅客耳朵不适，必须采取加大净空有效面积，提高车辆密封指数等措施，控制车厢内瞬变压力的程度。因此，需要从旅客乘车舒适度出发，对压力波动程度进行评估并提出相关舒适度准则 。 人耳的感受！; 当外界气压增高时，鼻咽腔随之增高的气压不会自动传到中耳，因此在耳膜的两边产生压力差。在这种情况下，必须通过吞咽、打呵欠或挤捏鼻子等动作来人为地开启耳咽管，以消除耳膜两边的不平衡压力。因此，也有采用特定时间（3s或4s )压力单调变化值作为瞬变压力波动特征参数，其特定时间（3s或4s )正是自动或人为地（通过生理反应）开启耳咽管，建立中耳和外界的压力平衡所需要的时间。;荷兰采用的舒适度准则 ;ERRI（欧洲铁道研究协会） 和UIC（国际铁路联盟）采用的舒适度准则 ;ERRI和UIC采用的舒适度准则 ; 目前，我国在高速铁路隧道设计时，从经济、技术的合理性出发，采用的舒适度准则为3kPa/3s；从而降低对车辆密封性的要求。 ;扩大断面尺寸 ;扩大断面尺寸 ;扩大断面尺寸 ;辅助坑道 ;辅助坑道 ;除了竖井位置外，竖井横断面积也存在最佳值。无端加大竖井横断面积并不能取得理想的效果。 ; 荷兰高速铁路隧道设计中提供了利用辅助坑道缓解瞬变压力的例子。图所示的水下隧道从防灾要求出发，用隔墙将结构分成两个单线隧道空间。为了缓解瞬变压力，不但在隧道两端修建了竖井，而且在隔墙上开设小孔，开孔面积为0.01㎡/m。研究表明，通过这两个措施，在满足同等旅客乘车舒适度的情况下，净空有效面??可以减小(下页表)，这就使工程造价大为降低。 ;辅助坑道 ;5 入口缓冲结构（出口） 为减小高速列车进入隧道产生的空气动力学效应对洞口周围环境的影响，在隧道入口处，设置缓冲结构。 ; 日本新干线由于修建的较早，没有充分认识到高速铁路隧道的空气动力学效应，隧道洞门按传统修建，隧道的横断面积只有64m2。列车突入隧道时形成的压缩波在传播至出口处时，除了发生反射外，还有一部分以脉冲波的形式向外辐射出去（即微压波），引起爆鸣声并可能危及洞口建筑物。为了缓冲这些空气动力学效应，日本的做法就只能是在原有洞口处加设缓冲棚。 ;2 现代的加帽檐切削式洞门缓冲结构——德国、韩国 ; 为证实加帽檐正切式洞门的缓冲效果，对普通端墙式洞门和加帽檐正切式洞门分别进行了计算分析。为具有可比性，两者的隧道横断面净空面积均取为100平方米（隧道断面采用半径R＝6.87m的单心圆形式）。;相对于普通端墙式洞门，帽檐正切式洞门压力开始增大的时间提前了。 ;相对于普通端墙式洞门，帽檐正切式洞门压力梯度明显降低，且速度越高，压力梯度降低的越多。 ;3 台湾缓冲洞门形式