隧道空气动力学-报告课件.ppt

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1、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8/31/20211、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。8/31/2021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

2、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8/31/20212、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8/31/2021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，

3、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8/31/20213、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±0.2

4、6之间。8/31/20214、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

5、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。8/31/2021压缩波与微压波形成机理8/31/2021（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

6、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。8/31/2021（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。8/31/20215、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

7、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8/31/20215.1、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

8、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）8/31/2021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