高速列車隧道壓力波對周邊設施影響機理分析

唐國梅 吳永深 鞠靜靜 韓運動

摘?要：本文利用計算流體動力學（CFD）方法，建立了列車通過隧道的三維計算模型，采用動網格的方法模擬列車通過隧道的過程，并將數值計算的結果與線路測試結果進行了比對，壓力峰峰值誤差為2.3%，二者吻合較好。研究了列車在通過隧道過程中隧道壓力波對周邊設施的影響，包括隧道壓力波的形成和傳播機理分析，隧道壓力波對隧道壁面的影響分析、隧道壓力波對山體壁面的影響機理分析、隧道出口微氣壓波產生機理分析以及列車通過隧道的列車風現象，研究結論為鐵路沿線隧道的工程設計提供參考。

關鍵詞：高速列車；壓力波；微氣壓波；列車風；數值模擬

中圖分類號：TB?????文獻標識碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2024.04.085

0?前言

高速列車通過隧道是一種重要而典型的運行工況。在列車通過隧道的過程中，隧道內空氣的壓力會在極短的時間內發生劇烈波動，形成壓力波動。壓力波動在隧道內的傳播產生了隧道壓力波、洞口微氣壓力波等隧道空氣動力學現象。在這些壓力波以及隧道壁面的影響下，不僅會對列車的氣動性能產生影響，同時由于相互作用，也會對隧道壁面以及隧道進、出口的山體等周邊建筑產生重要影響。

劉璐等采用實車測試的方法對列車隧道交會壓力波特性進行了研究，得到交會壓力波的時頻特性、主要參數值及其與車速的關系、交會壓力波對車體側壁振動的激勵作用。王磊等對通過模擬單車過隧道工況對國內數值仿真軟件進行了對比驗證研究。駱建軍等對三種洞內緩沖結構形式的長隧道洞內外的氣動效應進行模擬分析。日本學者Ozawa、Yamamoto等分別對隧道微氣壓波現象進行了分析研究，并提出了減緩微氣壓波的工程措施，這可看作微氣壓波的早期研究。李志偉研究了橫通道截面積對微氣壓波的影響。研究表明：豎井截面形狀對微氣壓波并不產生顯著影響。增大豎井截面積有助于降低微氣壓波強度。張竹青分析了豎井數量對微氣壓波的影響。研究表明：對于大斷面豎井，增加豎井數量并不能進一步降低微氣壓波。劉超分析了豎井高度對微氣壓波的影響。研究表明：微氣壓波強度隨豎井高度增加而增加，當豎井高度超過某臨界值，微氣壓波強度不再變化。截面積有助于降低微氣壓波。趙宇分析了豎井形狀和位置對微氣壓波的影響。從以上國內外關于隧道壓力波的調研分析可知，目前國內外對于隧道壓力波的研究多注重對列車本身的影響分析，而對于隧道周邊設施的分析研究較少。

本文利用計算流體動力學（CFD）方法，研究列車在通過隧道過程中的隧道壓力波的相互影響，為鐵路沿線隧道的工程設計提供參考。

1?數值計算方法

1.1?計算模型搭建

列車計算外形如圖1所示。計算模型進行了適當的簡化處理，采用頭車+中間車+尾車三節編組的計算模型，包含中間車體、風擋、轉向架以及轉向架艙等重要結構。

隧道及山體外形的計算模型如圖2所示。隧道長度為200m，隧道橫截面的形狀近似為半圓形，截面積S=70m2。在隧道的入口和出口之外，分別有如圖所示形狀的墻壁（山體）。圖3是整個計算流場的示意圖。

1.2?網格分區劃分

本文的流場計算采用了多塊混合網格分布。整個流場共分為兩部分，分別是包圍列車的近場網格以及隧道內的空間網格（外場網格）。近場網格中，在列車的轉向架和轉向架艙附近采用了非結構網格，其余部分使用結構網格；外場網格則全部是結構網格如圖4所示。全流場的計算網格約3000萬。圖5為隧道內部的表面網格，圖6為頭車的表面網格，圖7為轉向架的表面網格。

1.3?邊界條件設置

數值計算中，將列車前方、后方及頂部等流場邊界設定為壓力遠場邊界條件，列車表面設為移動壁面條件，壁面移動速度的大小和方向與列車行駛速度相同。隧道、隧道兩端壁面以及地面設為靜止壁面條件。流場流動的初始速度為列車行駛速度，初始壓力為101325Pa，溫度為300K。

1.4?測點布置說明

隧道壁面、隧道內部空間以及隧道出口山體壓力測點布置示意圖分別如圖8～10所示。各測點的具體坐標在此不再贅述。

2?數值模擬結果分析

2.1?隧道壓力波對隧道壁面的影響分析

圖11是列車以不同車速通過隧道過程中，高度z=1.75m沿x方向各個測點的最大壓力波強度。圖中x=0m表示隧道進口，x=200m表示隧道的出口。由圖15可知，隧道承受的最大壓力波強度為33kPa/s，發生的位置位于距離隧道出口5m處。另外由不同車速下的計算結果比較可知，隨著車速的增加，壓力波的強度也會明顯增加，當車速達到400km/h，壓力波強度最強的已經超過了40kPa/s。

2.2?隧道壓力波對山體壁面的影響機理分析

高速列車在穿越隧道的過程中，壓力波會對隧道的進口、出口以及隧道內部壁面進行沖擊，損壞隧道建筑的結構。圖12為列車在隧道行駛過程中，位于隧道進口中心正上方7.42m山體表面的一個測點處壓力隨時間變化，其中橫坐標t=0表示為車頭進入隧道進口端的時刻，由車速和列車長度可以得到車尾進入隧道進口端的時刻為t=0.81s。從圖13可以看出，隧道進口端壁面上的壓力會發生劇烈變化，其受到沖擊主要集中在從車頭進入隧道到車尾進入隧道的過程。

圖13為列車在隧道行駛過程中，位于隧道出口中心正上方7.42m山體表面的測點74處壓力隨時間變化。與隧道進口端類似，出口端受到沖擊的過程主要集中在從列車車頭駛出隧道到列車車尾駛出隧道的時間內。與進口端相比，出口端的壓力波幅值更大，強度也更大。

圖14是隧道進口端和出口端山體所受壓力波強度與到隧道中心距離的關系，可以看出在列車通過隧道時，隧道進口和出口都會受到壓力波的極大沖擊，在距離出口中心距離7m左右處，壓力波的強度（即ΔP/Δt，本文將其定義為描述壓力波強弱的量）超過了35kPa/s另外，列車駛出隧道比進入隧道產生的壓力波強度更大。

2.3?隧道出口微氣壓波產生機理分析

高速列車頭部駛入隧道瞬間，在車頭前會產生壓縮波。該壓縮波以當地聲速向隧道出口端方向傳播，到達隧道出口端時，大部分向隧道內反射變成膨脹波，另一小部分自隧道出口端向洞外輻射出去，形成脈沖波，即所謂的微氣壓波。如果出口端的微氣壓力波足夠強，會發出強烈的空氣爆炸聲，引起周圍房屋的門窗的振動，即所謂的聲爆現象。

從微氣壓波產生的過程來看，影響微氣壓波的主要有三個因素，即高速列車車頭駛進隧道進口端瞬間產生的初始壓縮波；初始壓縮波在隧道內傳播過程中的變形；傳播到隧道出口端處的壓縮波的作用。

圖15?列車駛進隧道時車頭前方壓縮波的形成過程（380km/h）

圖15給出了列車駛進隧道時頭車壓縮波的形成過程。由圖20可知，在壓縮波形成的初始階段，在向前傳播的同時，壓縮波的幅值不斷增大，而壓縮波的作用時間變化不大，從波峰到波谷作用時間大約是0.11s，初始階段的壓縮波幅值約1400Pa，表明隧道進口端的初始壓縮波是強度很高的壓力波。

一般來說，在隧道的出口端，壓縮波的波形和隧道進口端初始壓縮波的波形是不同的，這是由于傳播過程受到了各種干擾。除了隧道壁面的摩擦效應和壓縮波的非線性特性之外，隧道內的避車洞、豎井、斜井等輔助坑道造成的干擾，甚至路基也會產生影響。本文沒有涉及后面這些因素，因此隧道長度就成為影響壓縮波波陣面的重要因素。

當壓縮波傳播到隧道中點時，與初始壓縮波相比，壓縮波的幅值已經有了明顯的增大。此時的壓力波在向隧道出口傳播的過程中會逐步衰減（幅值變小），但波形和波的作用時間基本維持不變，將會對隧道出口的微氣壓波產生影響。

3?結論

本文利用計算流體動力學（CFD）方法，研究列車在通過隧道過程中的隧道壓力波的相互影響，可以獲得如下結論：

（1）車頭前方壓縮波和車尾膨脹波形成后，不斷在隧道內傳播反射，影響著隧道壁面和列車表面壓力的變化。這一膨脹波的波陣面，形成過程與車頭壓縮波波陣面的形成過程類似，膨脹波沿環狀空間向車頭及隧道出口方向傳播，當傳播到隧道出口處會產生新的壓縮波向洞內反射，并向隧道進口端方向傳播。該膨脹波和車頭處產生的壓縮波類似，會在隧道內傳播并不斷反射，直至能量被完全消耗。

（2）在列車通過隧道時，隧道進口和出口都會受到壓力波的極大沖擊，在距離出口中心距離7m左右處，壓力波的強度超過了35kPa/s另外，列車駛出隧道比進入隧道產生的壓力波強度更大。

（3）微氣壓波的幅值與距離X成反比；與距離Z的關系，則是先增加，然后迅速減弱。在壓縮波形成的初始階段，在向前傳播的同時，壓縮波的幅值不斷增大，而壓縮波的作用時間變化不大，從波峰到波谷作用時間大約是0.11s，初始階段的壓縮波幅值約1400Pa，表明隧道進口端的初始壓縮波是一個強度很高的壓力波。

（4）列車以380km/h通過隧道時，在距離列車側壁2.8米處列車風的速度可達11級，對隧道內的作業人員和設備構成威脅。

參考文獻

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