地鐵列車瞬態壓力與乘客舒適度研究

陳建樂 吳睿

摘 要：近年來國內各大城市地鐵建設高速發展，地鐵隧道內空氣壓力波控制成為我國地鐵快線設計的關鍵技術之一。本文以成都地鐵18號線為例，借助CFD仿真計算，對地鐵隧道內瞬態壓力進行分析研究，以提出提高乘客舒適度的可行建議，同時為其他新建快速地鐵線路的設計優化提供參考。

關鍵詞：地鐵;隧道;瞬態壓力;舒適度;CFD;仿真模擬

中圖分類號：U451.3;U270.1 文獻標識碼：A

0 引言

隨著我國城鎮化建設的推進，城市軌道交通也得到快速發展。與此同時，隧道的空氣動力學效應隨著列車設計時速的提高愈加明顯，列車通過隧道時產生的空氣動力學效應對列車運行安全性、乘客舒適性造成了不良影響[1]。地鐵速度提升到120 km/h后，設計上保證了牽引和制動等性能，也充分考慮轉向架和車體等結構件的安全和可靠，但是有一些地鐵行業內未識別的問題也伴隨而來，其中之一就是，在某些條件下司乘人員會有短時間耳鳴、耳壓感覺，身體感覺不舒服。地鐵作為軌道交通主要的實現方式，其建設要求已經逐漸從節能、環保、安全的層面提高到滿足乘客舒適度、提供更優質服務的層面，隨著乘客對服務質量要求的提高，提高乘客舒適度迫在眉睫[2-3]。

1 瞬態壓力概述

當高速列車進入隧道時，會在列車前方形成壓縮波，以接近音速沿隧道傳播，當該壓力波到達隧道出口時，部分壓力波被反射回隧道。由于壓力波的連續反射，隧道內部會產生復雜的壓力波相互作用，最終形成交變壓力波[4]。列車和隧道設備上的空氣動力學載荷很大程度上取決于隧道內這些壓力波的大小和隨時間的變化率。由于列車在隧道中通過時多次遇到壓力波，它們會對隧道結構和列車本身產生相應的正負氣動載荷。列車內外壓力的變化是時間的函數（強度取決于復雜的反射波現象），并被乘客感知為聽覺不適[5]。

與其他地鐵系統相比，成都地鐵18號線設計的超高列車速度（140 km/h）將會在整個地下系統內產生高瞬態壓力。壓力載荷不僅影響阻尼器、站臺屏蔽門等各種設備的結構強度和安裝要求，而且會嚴重影響乘客的聽覺舒適度[6]。因此，必須在設計初期通過有效的手段來減少瞬態壓力波的產生和傳播。

2 瞬態壓力研究

2.1 研究方法

參考國內外地鐵設計的已有經驗，影響壓力波及其在隧道內傳播的主要因素包括列車速度、列車頭尾阻力系數、列車和隧道的橫截面積、列車長度、通風井的數量和隧道內的交叉通道等[7]。本文根據成都地鐵18號線的實際情況，借助CFD仿真模擬，研究列車的運行速度和阻力系數對瞬態壓力的影響。

2.2 研究內容

基于成都地鐵18號線前期設計確定的線路、隧道、列車、行車及通風系統的設計參數，利用CFD軟件進行數值建模，采用通用的一維簡化模型，模擬得出成都地鐵18號線隧道段內距離入口1 500 m處的瞬態壓力時變曲線，模擬的車體分別為壓力密封系數[8]為0.1的流線型列車和貨運列車。

因為本次試驗主要研究列車運行速度和阻力系數對瞬態壓力的影響，故采取對比試驗方法，具體的試驗參數如表1所示：

除了上表給出的可變參數外，還采用了以下邊界條件（對于所有對照組都是恒定的）：

環境條件：氣溫16.8[℃]，大氣壓力95[kPa];

隧道幾何參數：橫截面積40.6[m2]，阻力系數0.025[-]，長度3 000[m];

車站幾何參數：面積31[m2]（4.7[m]x6.6[m]），長度200[m];

列車參數：長度185[m]，面積11.4[m2]（3[m]x3.8[m]），

密封系數0.1[s]。

本文模擬的是地鐵列車進入沒有任何泄壓井的隧道段的情況（最不利的情況），這種情況的示意如圖1所示。

2.3 試驗結果

根據建立好的參數模型進行仿真試驗，為了方便后續的對比分析，將試驗結果以曲線的形式呈現。流線型列車和貨運非流線型列車以90 km/h和140 km/h的速度行駛時隧道內瞬態壓力隨時間的變化情況如圖2、圖3所示。

1 500 m處的瞬態壓力曲線

模擬結果初步顯示：當列車駛入隧道時，隧道內的瞬態壓力最高，同時可以看出，與阻力系數相比，列車速度對瞬態壓力的影響要大得多（見表2）。試驗結果也驗證了列車運行速度和阻力系數這兩個因素出發，探求提升乘客舒適度方案的可行性。

2.4 結果分析

對比上述試驗結果可以看出，列車速度從140 km/h降低到90 km/h，會導致瞬態壓力較為明顯的降低，壓力降低了約700 Pa。除此之外，列車以140 km/h的速度行駛時，隧道中由于列車類型不同（即阻力系數變化）而導致的壓力降低約為300 Pa;以90 km/h的速度行駛時，隧道中由于列車類型（流線型或非流線型）的變化而導致的壓力降低約為100 Pa。

分析結果表明，在最壞的情況下，即在沒有任何泄壓井和泄壓旁路的情況下，列車以140 km/h的速度通過成都地鐵18號線地鐵站時產生的瞬態壓力會對相關設備（屏蔽門、風門、OTE管道和風機等）和性能要求（電機功率、最佳風機曲線等）產生較大的影響[9]，對司乘人員的舒適度的影響更是不言而喻。

因此，必須考慮合理的措施來降低瞬態壓力，以達到提升乘客舒適度的目的，通過參考相關標準[10]和仿真結果可知，降低瞬態壓力的可行性方法如下：

（1）加大隧道面積（會增加建設成本，但是減少了車輛投資與運營成本）;

（2）增加車輛密封指數（可減小隧道面積，降低建設成本，但是空氣阻力增加，運營成本增加）;

（3）局部降低速度（可降低列車進入隧道時的車速，同時浪費不了多少時間）;

（4）結構局部處理（隧道入口的結構可以處理，減小隧道面積）;

（5）利用好豎井、橫通道、岔道降低瞬態壓力[11]（可減小隧道面積）。

3 結論

借助CFD仿真模擬，對成都地鐵18號線地鐵隧道內瞬態壓力進行分析研究，發現瞬態壓力隨列車速度的降低和阻力系數的減小而降低，并且從國內外應用實例和仿真結果出發，提出了降低瞬態壓力、提高乘客舒適度的可行建議，地鐵工程設計者在設計初期可以根據工程實況，選擇最具經濟和社會效益的解決方案，同時為進一步推動線路規劃和車輛設計提供參考，為乘客舒適出行提供保障。

參考文獻：

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[5]張海天，陳健.深圳地鐵11號線隧道空氣壓力波研究[J].都市快軌交通，2011（5）：62-65.

[6]許利深.深圳地鐵11號線地鐵列車客室壓力變化率超標分析及改進[J].現代城市軌道交通，2019（5）：32-34.

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[8]車輪飛.城市地鐵隧道中間風井處車箱內瞬變壓力模擬分析[J].建筑熱能通風空調，20110（3）：89-91.

[9]徐世南，張繼業，熊駿，等.地鐵列車通過隧道時的氣動性能研究[J].城市軌道交通研究，2016（9）：99-104.

[10]Song Pan，Li Fan，Jiaping Liu et al.A Review of the Piston Effect in Subway Stations[J].Advances in Mechanical Engineering，2013.

[11]楊寧.地鐵快線隧道內空氣壓力波控制技術方案與效果[J].城市軌道交通研究，2018（7）：54-57.