高速磁浮單線隧道車體壓力載荷特征

張志超，杜健，趙汗冰，梅元貴

高速磁浮單線隧道車體壓力載荷特征

張志超1，杜健2，趙汗冰1，梅元貴1

(1. 蘭州交通大學 甘肅省軌道交通力學應用工程實驗室，甘肅 蘭州 730070；2. 中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

高速磁浮列車通過隧道過程中將引起劇烈的壓力波動，造成司乘人員耳感舒適性、車體及其零部件、隧道襯砌及輔助設施的氣動疲勞壽命問題，有必要對磁浮列車高速通過隧道時壓力波效應進行研究。采用一維可壓縮非定常不等熵流動模型和廣義黎曼變量特征線法對單列車通過隧道時車體壓力載荷進行數值模擬研究，初步揭示隧道長度、列車速度、阻塞比對車外壓力波的影響規律；得出時速500～600 km/h速度下基于最大正負值和最大壓力峰峰值的最不利隧道長度；論證了列車通過隧道產生的壓力波幅值與列車速度平方成正比的適用范圍，總結了壓力最值與速度的擬合關系式。本文研究方法和結果可為車體設計選用氣動載荷提供參考依據。

高速磁浮列車；隧道；壓力波；車體氣動載荷；一維流動模型特征線法

近20年來，國外磁懸浮技術應用于現代交通，并成為高科技的現代地面交通運輸方式，已取得突破性進展，進入到了商業性的綜合技術運行。德國的常導高速磁浮列車和日本的超導高速磁浮列車，都以超過500 km/h的試驗速度向世人展示了磁浮列車技術的成熟[1]。目前，我國正在積極大力研究時速600 km高速磁浮交通關鍵技術，時速600 km高速磁浮試驗樣車在青島已下線[2]。與輪軌高速一樣，空氣動力學問題也是磁浮交通研發過程中的關鍵技術之一。隨著列車運行速度的不斷提高，其空氣動力學問題將會越來越顯著。一般而言，列車通過隧道誘發的壓力波變化幅值與列車運行速度的平方成正比[3]，劇烈的壓力波動會造成司乘人員耳感舒適性、列車車體及其零部件、隧道襯砌及洞內輔助設施的氣動疲勞壽命等一系列問題[4?5]。就高速磁浮列車空氣動力學問題而言，研究方法主要包括實車試驗、風洞試驗、數值模擬。以德國的常導高速磁浮列車為研究對象，Ravn等[6]采用基于一維可壓縮流動模型特征線數值方法的Thermotun軟件，重點研究了慕尼黑最高時速350 km的機場磁浮線可行方案中隧道壓力波效應等問題；Howell[7]采用動模型試驗方法研究了橫風對磁浮列車的影響特性；Tielkes[8]較為系統分析得出對德國磁浮交通系統隧道空氣動力學問題中也應重點關注列車及隧道方面的氣動載荷和氣動阻力；自1997年日本山梨試驗線投入使用以來，進行了多次全尺寸實車試驗[9]，得到了包含空氣動力學在內大量的磁浮列車試驗數據，為今后對于磁浮列車在空氣動力學方面的研究提供了數據支撐；針對磁浮列車高速運行帶來的司乘人員舒適性、氣動載荷、隧道凈空面積選取等一系列問題，日本學者在頭型優化、車內壓力保護技術、隧道洞口微氣壓波的緩沖結構方面采用數值模擬方法做了大量的研究[10?12]；考慮到更高速度下列車通過隧道特點，Saito等發展了一維可壓縮非定常不等熵流動模型特征線法模擬隧道壓力波的計算方法和源代碼程序，并通過了500 km/h旋成體動模型試驗結果的驗證，提高了原有日本輪軌高速隧道壓力波常用的定密度有限聲速一維非定常流動特征線法的計算精度[13, 23]，為日本研究超高速軌道交通隧道壓力波問題提供了有效工具。國內對高速磁浮交通空氣動力學問題的系統性深入研究，主要是以引進德國TR08磁浮交通技術為契機開始的。劉堂紅等[14]對不同外形磁浮列車的氣動性能進行了比較；李顥豪等[15]采用三維數值模擬方法研究了磁浮列車在不同的聲屏障內交會時，列車、聲屏障及電纜的氣動效應。黃尊地 等[16]對真空管道交通列車氣動阻力進行數值模擬，研究成果為克努森數特征長度的取值、真空管道內流體流動狀態的判斷、真空空氣動力學數值計算的開展提供理論依據。近期，HUANG等[17?18]采用CFD軟件研究了時速400 km磁浮列車在交會過程中壓力波及效應問題、以及列車編組長度對車外邊界層和尾流的影響規律。王國靜等[19]采用有限元分析軟件對160 km/h新型中速磁浮交通列車的車體強度進行分析。圍繞磁浮列車隧道壓力波問題，王兆祺 等[20]從空氣動力學基本原理出發，推導了按非恒定流計算磁懸浮列車在駛入、通過和駛出隧道3種不同工況下空氣阻力的表達式，張光鵬等[21]采用一維可壓縮非定常不等熵流動模型特征線法研究了氣密性對車內壓力和乘客舒適性的影響特征，提出了時速200～400 km隧道凈空面積建議值。綜上所述，國內外對磁浮列車空氣動力學問題的研究主要采用實車試驗、風洞試驗、CFD數值模擬來研究列車通過隧道時氣動阻力、流場分布、交會壓力波、隧道凈空面積、橫向振動、列車風等方面的問題，對于磁浮列車高速通過中長、特長隧道時車體壓力載荷問題并未做深入研究，目前還未見到公開發表的報道。本文以我國高速磁浮列車為研究對象，在與日本時速500 km動模型試驗結果驗證基礎上，利用一維可壓縮非定常不等熵流動模型研究單列車通過隧道時壓力波變化特征。研究了列車速度、隧道長度和阻塞比對壓力波的影響特性，得出在時速500～600 km/h速度下基于最大正負值和最大壓力峰峰值的最不利隧道長度，論證了列車通過隧道產生的壓力波變化幅值與列車速度平方成正比的適用范圍，總結了壓力最值與速度的擬合關系式，并根據國內近期頒布的磁浮鐵路技術標準[22]建議的隧道凈空面積，得出了阻塞比的影響規律。本文研究結果可為磁浮列車車體強度設計提供數據參考。

1 隧道壓力波計算模型

磁浮列車在隧道內運行時引起的空氣流動是三維可壓縮非定常紊流流動；當隧道長度遠大于隧道的水力直徑時，同一截面上的流動可認為是均勻的，即同一截面上的壓強近似相等。根據上述假定，磁浮列車通過隧道時產生的壓力波動問題，可采用一維、可壓縮、非定常流動模型來處理。根據連續性、動量、能量方程建立隧道內一維可壓縮非定常不等熵流動模型控制方程[23]。

連續性方程：

動量方程：

能量方程：

式中：，，，，，和分別為氣體壓力、空氣流速、空氣密度、當地聲速、氣體比熱比、傳熱項和摩擦項。

上述隧道內一維可壓縮非定常不等熵流動控制方程組為一階擬線性雙曲型偏微分方程組，可采用特征線方法求解[23]，本文在此不做贅述。

2 方法驗證

采用日本旋成體動模型試驗來驗證本文上述計算方法在更高速度條件下數值模擬的精度和合理性[13]。其中，旋成體列車與隧道模型，試驗列車采用橢圓旋成體模型(長細比=3)，車長1 300 mm，列車直徑34.6 mm，鼻長51.9 mm，隧道為圓管式結構，隧道長14 700 mm，直徑100 mm，橫截面積為7 850 mm2。模型的縮尺比為1/97，車速為500 km/h。

在日本旋成體動模型試驗中，壓力測點布置在距隧道入口端2.35 m處的隧道壁面上。圖1表示一維程序計算結果與日本旋成體動模型試驗數據對比，本文一維程序計算結果和動模型試驗數據吻合良好，其最大誤差為8.5%，從而驗證了本文一維流動模型假設及計算方法在更高速度條件下的準 確性。

圖1 隧道內距進口端2.35 m處靜壓隨時間變化歷程

3 計算結果分析

3.1 計算參數

本文以我國某型高速磁浮列車為研究對象，進行單列車通過隧道時車外壓力波數值模擬研究，表1表示一維計算程序主要輸入參數。

在一維流動模型中采用壓力損失系數來表示車頭、車尾流線型外形對流動的影響[24]。車頭壓力損失系數通過采用初始壓縮波的求解公式反求得到；車尾壓力損失系數采用流體力學突擴公式進行求解。列車壁面摩擦因數通過采用計算車體壓力損失的公式來反求得到。當列車駛出隧道后，隧道內的介質仍然有速度，而且速度會不斷衰減，直到變為零，因此，根據介質速度在隧道內的衰減來確定隧道壁面摩擦因數。

3.2 隧道內壓力波一維平面波特征

圖2表示磁浮列車駛入隧道過程中初始壓縮波形成階段隧道壁面和車體表面的壓力分布，其中，隧道長度TU=500 m，隧道凈空面積TU=140 m2，隧道橫截面當量水力半徑=6.68 m，鼻長=16.5 m，車高4.2 m，長細比λ=7.9。=0.096 s，0.192 s分別表示列車駛入隧道1個鼻長的距離、駛入隧道2個鼻長的距離。可以發現，在初始壓縮波形成階段，由于磁浮列車流線型外形及變截面的影響，隧道壁面及列車表面壓力分布具有三維特征，但是研究表明，隨著列車的逐漸駛入，初始壓縮波形成，且逐漸脫離車體影響，壓力波由三維特征變為一維特征，此時，壓力波在隧道內具有一維特性[25]。圖2中磁浮列車駛入隧道內約36 m(5.39)后，初始壓縮波脫離車體影響，由三維波變成一維平面波。

表1 一維計算程序主要輸入參數

圖3(a)表示距隧道入口端300 m處測點壓力及壓力梯度的變化。對于測點處壓力時間歷程曲線而言，一維數值計算與三維數值計算結果整體趨勢吻合良好，對于初始壓縮波最大值的計算兩者差異較小，在1.43 s初始壓縮波達到最大值，兩者相差4.2%。對于測點的壓力梯度而言，由于一維流動模型采用壓力損失系數來近似處理車頭流線型變橫截面積部分對流動的影響；在車頭頭部進入隧道過程中，一維和三維得到的壓力梯度存在較大的差異，在0.88 s取得最大壓力梯度，兩者最大差異為39.2%。但圖3(b)表示第3節車廂車身中部測點壓力變化，兩者數值計算結果最大相差為5.3%。綜上分析，再結合日本動模型試驗驗證，本文采用一維可壓縮非定常不等熵流動模型來進行車體壓力載荷數值計算是準確、經濟、合理可行的。

(a) t=0.096 s；(b) t=0.192 s

(a)距隧道入口端300 m處測點壓力時間歷程曲線；(b)車身中部測點壓力變化

3.3 隧道壓力波特征

磁浮列車通過隧的過程中引起了隧道內復雜的壓力場。列車車頭駛入或駛出隧道端口會產生壓縮波。類似地，列車車尾駛入或駛出隧道將產生膨脹波。壓縮波與膨脹波在隧道內相互疊加，形成了復雜的隧道壓力波，且以聲速在隧道內傳播。對于同類性質的波，波疊加將會強化波的變化幅值，在極短的時間內引起了劇烈的壓力梯度。圖4表示單列車以200，450和600 km/h的速度通過3 000 m隧道時頭車、中間車及尾車車體中部測點的壓力波變化特征。可以發現，列車低速通過隧道時，由于壓縮波與膨脹波在隧道端口反射次數較多，導致車外壓力波動較為劇烈，但是壓力波變化幅值遠遠小于高速通過時的情形。圖5給出了不同速度等級下車外壓力幅值。列車以600 km/h的速度通過隧道時，車外壓力遠大于低速通過時的情形，最大壓力峰峰值出現在中間車，其值為13.93 kPa；且列車通過隧道的全過程階段車外壓力幾乎處于負壓區域，最大負壓值遠大于最大正壓值，車體受“膨脹狀態”的時間歷程遠長于車體受“壓縮狀態”的時間歷程。

(a) 頭車；(b) 中間車；(c) 尾車

(a) 最大正壓值；(b) 最大負壓值；(c) 最大壓力峰峰值

3.4 隧道長度對車外壓力波的影響特性

本小節主要以頭尾車車體中部測點為研究對象，研究隧道長度對車外壓力波的影響特性，歸納出時速500～600 km/h速度下基于最大正負值和最大壓力峰峰值的最不利隧道長度。

圖6和圖7表示隧道長度對頭尾車車體中部測點壓力變化幅值的影響特性，TU表示隧道長度?？梢园l現，當隧道長度在一定范圍內時，隨著隧道長度的增加，頭車最大正壓值逐漸增加，之后，隨著隧道長度的增加，頭車最大正壓值保持不變；對頭車最大負壓值和最大壓力峰峰值而言，隨著隧道長度的增加，兩者的值呈現出先增大，之后逐漸減小的變化趨勢。尾車最大正壓值和頭車相比，變化規律有較大差異，當隧道長度在一定范圍內時，隨著隧道長度的增加，尾車最大正壓值先增大后減小，在此之后，隨著隧道長度的增加，尾車最大正壓值保持不變；尾車最大負壓值和最大壓力峰峰值呈現出和頭車相同的變化趨勢?；趫D6和圖7中隧道長度對車外壓力的影響特性分析，表2統計給出了頭尾車分別基于最大正負壓值和最大壓力峰峰值所對應的最不利隧道長度及車外壓力載荷，可為車體強度設計提供一定的數據參考。

(a) 頭車最大正壓值；(b) 頭車最大負壓值；(c) 頭車最大壓力峰峰壓值

(a) 尾車最大正壓值；(b) 尾車最大負壓值；(c) 尾車最大壓力峰峰壓值

3.5 速度對車外壓力的影響特性

本小節研究磁浮列車以500，550和600 km/h的速度通過3 000 m隧道時車外壓力波變化特征。圖8表示列車以3種速度通過3 000 m隧道時頭尾車車體中部測點壓力變化特征，隨著列車運行速度的增加，最大正壓值、最大負壓值均增大；相比之下，速度對車外最大負壓值影響更為明顯。

圖9表示以頭車車體中部測點為研究對象，進一步分析不同隧道長度下車外壓力變化幅值與運行速度之間的關系，限于篇幅原因，僅展示了頭車最大正壓值與運行速度之間的關系。根據圖9能夠擬合出頭車最大壓力幅值和速度之間的關系(如表所示)形如：

表2 時速500～600 km/h速度下基于最大正負值和最大壓力峰峰值的最不利隧道長度統計

(a) 頭車；(b) 尾車

圖8 不同速度下車外壓力時間歷程曲線

Fig. 8 Time history curves of external pressure at different speed levels

根據表3可以發現：對于頭車最大正壓值，的變化范圍為0.757～1.986，且隨著隧道長度的逐漸增加，的值逐漸增加，最后的值穩定在2左右；對于頭車最大負壓值，的變化范圍為1.083～2.112，且隨著隧道長度的逐漸增加，的值逐漸增加，最后的值同樣穩定在2左右；同時也可以發現，頭車最大正壓值與速度的平方成正比的必要性前提是隧道長度與列車長度之比大于5.18，即TU/TR≥5.18；頭車最大負壓值與速度的平方成正比的必要性前提是隧道長度與列車車長之比大于2.53，即TU/TR≥2.53；因此，可以推測出：全列車車外壓力變化幅值和速度的平方成正比這種變化規律和隧道長度及車長密切相關。

3.6 阻塞比對車外壓力的影響特性

阻塞比同隧道長度、列車運行速度一樣，也是影響車外壓力波的主要參數，分別研究列車速度為500，550和600 km/h，隧道凈空面積為80，100和140 m2，隧道長度3 000 m。

基于以上工況，將頭車車體中部測點作為研究對象，圖8表示不同阻塞比下車外壓力最值變化特征，TU表示隧道長度?？梢园l現：阻塞比越大，車外壓力最值越大，且對于最大負壓值、最大壓力峰峰值而言，隨阻塞比的增加，呈現出線性增加的變化規律。

表3 車外壓力最值?速度 擬合曲線統計

圖9 速度對車外壓力影響特性(頭車最大正壓值)

(a) 最大正壓值；(b) 最大負壓值；(c) 最大壓力峰峰值

4 結論

1) 通過分析隧道長度對車外壓力變化幅值的影響特性分析，總結了時速500～600 km/h速度下基于最大正負值和最大壓力峰峰值的最不利隧道長度。

2) 通過對車外壓力變化幅值與列車運行速度之間的研究，發現隧道長度和車長之比超過一定值時，車外壓力變化幅值近似與速度的平方成正比的規律方可成立。

3) 通過對車外壓力變化幅值與阻塞比之間的研究，阻塞比越大，車外壓力最值越大，且對于最大負壓值、最大壓力峰峰值而言，隨阻塞比的增加，呈現出線性增加的變化規律。

[1] 馬光同, 楊文姣, 王志濤, 等. 超導磁浮交通研究進展[J]. 華南理工大學學報(自然科學版), 2019, 47(7): 68?74, 82. MA Guangtong, YANG Wenjiao, WANG Zhitao, et al. Research progress of superconducting maglev transportation[J]. Journal of South China University of Technology (Natural Science Edition), 2019, 47(7): 68?74, 82.

[2] 鄧旺強. 我國時速600 km高速磁浮試驗樣車下線[J].高科技與產業化, 2019, 278(7): 14?15. DENG Wangqiang. The 600 km/h high-speed maglev test vehicle is offline in China[J]. High Technology and Industrialization, 2019, 278(7): 14?15.

[3] 韓運動, 姚松, 陳大偉, 等. 基于實車試驗的高速列車隧道壓力波影響因素[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2017, 48(5): 1404?1412. HAN Yundong, YAO Song, CHEN Dawei, et al. Influencing factors of pressure wave in high-speed train tunnel based on actual vehicle test[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2017, 48(5): 1404?1412.

[4] 田紅旗. 中國高速軌道交通空氣動力學研究進展及發展思考[J]. 中國工程科學, 2015, 17(4): 30?41. TIAN Hongqi. Research progress and development thinking of aerodynamics of high-speed rail transit in China[J]. China Engineering Science, 2015, 17(4): 30? 41.

[5] Schetz J A. Aerodynamics of high-speed trains[J]. Annual Review of Fluid Mechanics, 2001, 33(1): 371?414.

[6] Ravn S, Reinke P. Tunnel aerodynamics of the magnetic levitation high-speed link in Munich (MAGLEV)– consequences for pressure comfort, micro pressure waves, traction power and pressure loads[J]. Tunnel Management International Journal, 2006, 9(1): 1?10.

[7] Howell J P. Aerodynamic response of maglev train models to a crosswind gust[J]. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 1986, 22(2?3): 205?213.

[8] Tielkes T. Aerodynamic aspects of maglev systems[C]// Deutsche Bahn A G, D B Systemtechnik, Dep. of Aerodynamics and Air Conditioning. 19th International Conference on Magnetically Levitated Systems and Linear Drives. Munich, Germany: Dresden, 2006: 1?9.

[9] Yamamoto K, Kozuma Y, Tagawa N, et al. Improving maglev vehicle characteristics for the Yamanashi test line[J]. Qr of Rtri, 2005, 45(1): 7?12.

[10] 山崎幹男, 加藤覚, 若原敏裕, 等. 超高速鉄道トンネル內の圧力変動に対する覆工構造の設計[J]. 土木學會論文集, 2004, 2004(752): 119?131. Yamazaki M, Kato S, Wakahara T, et al. Design of a tunnel lining versus pressure fluctuation in high-speed train tunnel[J]. Journal of Japan Society of Civil Engineers, 2004(752): 119?131.

[11] 高橋和也, 本田敦, 野澤剛二郎, 等. 超高速鉄道トンネルにおける入口側円型緩衝工の微気圧波低減効果[J]. 土木學會論文集 A1(構造?地震工學), 2015, 71(2): 167?172. Takahashi K, Honda A, Nozawa K, et al. Reduction of a micro-pressure wave by a round hood at a tunnel portal of a High-Speed railway[J]. Journal of Japan Society of Civil Engineers, A1: Structural Engineering & Earth-quake Engineering (SE/EE), 2015, 71(2): 167?172.

[12] 本田敦, 高橋和也, 野澤剛二郎, 等. 超高速鉄道トンネルにおける微気圧波の評価および緩衝工の提案. 土木學會論文集 A1 (構造?地震工學), 2015, 71(3): 327?340. Honda A, Takahashi K, Nozawa K, et al. Proposal of a porous hood for a High-Speed railway tunnel based on an evaluation of a micro-pressure wave[J]. Journal of Japan Society of Civil Engineers, A1: Structural Engineering & Earthquake Engineering (SE/EE), 2015, 71(3): 327?340.

[13] Saito S, Iida M, Kajiyama H. Numerical simulation of 1-D unsteady compressible flow in railway tunnels[J]. Journal of Environment and Engineering, 2011, 6(4): 723?738.

[14] 劉堂紅, 田紅旗, 王承堯. 不同磁浮列車外形的氣動性能比較[J]. 國防科技大學學報, 2006, 28(3): 94?98. LIU Tanghong, TIAN Hongqi, WANG Chengyao. Comparison of aerodynamic performance of different maglev train shapes[J]. Journal of National University of Defense Technology, 2006, 28(3): 94?98.

[15] 李顥豪, 楊明智, 孔學舟. 不同高度聲屏障對磁浮列車氣動效應影響研究[J]. 鐵道科學與工程學報, 2017, 14(4): 819?826. LI Haohao, YANG Mingzhi, KONG Xuezhou. Research on the influence of different height sound barriers on aerodynamic effect of maglev trains[J]. Journal of China Railway Society and Engineering, 2017, 14(4): 819?826.

[16] 黃尊地, 梁習鋒, 常寧. 真空管道交通列車氣動阻力數值分析[J]. 機械工程學報, 2019, 55(8): 165?172. HUANG Zundi, LIANG Xifeng, CHANG Ning. Numerical analysis of aerodynamic resistance of vacuum pipeline traffic trains[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2019, 55(8): 165?172.

[17] HUANG S, LI Z, YANG M. Aerodynamics of high-speed maglev trains passing each other in open air[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2019, 188(5): 151?160.

[18] 談暢達, 周丹. 編組長度對磁浮車邊界層及尾流流動的影響[C]// 中國力學學會、浙江大學.中國力學大會論文集(CCTAM 2019). 中國力學學會、浙江大學: 中國力學學會, 2019: 925?933. TAN Changda, ZHOU Dan. The effect of marshalling length on the boundary layer and wake flow of maglev vehicle[C]// Chinese Society of Mechanics, Zhejiang University. Proceedings of the Chinese Society of Mechanics (CCTAM 2019). Chinese Society of Mechanics, Zhejiang University: Chinese Mechanics Society, 2019: 925?933.

[19] 王國靜, 張福李, 徐亞之, 等. 160 km/h新型中速磁浮交通列車的車體強度分析[J]. 城市軌道交通研究, 2019, 22(9): 50?52. WANG Guojing, ZHANG Fuli, XU Yazhi, et al. Car body strength analysis of 160 km/h new medium speed maglev traffic train[J]. Research on Urban Rail Transit, 2019, 22(9): 50?52.

[20] 王兆祺, 趙毅山. 磁懸浮列車通過隧道時空氣阻力的計算方法[J]. 同濟大學學報(自然科學版), 2003, 31(10): 1183?1187. WANG Zhaoqi, ZHAO Yishan. Calculation method of air resistance when maglev train passes through tunnel[J]. Journal of Tongji University (Natural Science Edition), 2003, 31(10): 1183?1187.

[21] 張光鵬, 雷波, 李瓊. 磁浮列車氣密性能對隧道凈空面積的影響[J]. 鐵道學報, 2005, 27(2): 126?129. ZHANG Guangpeng, LEI Bo, LI Qiong. Influence of Airtightness of maglev train on clearance area of tunnel[J]. Journal of the China Railway Society, 2005, 27(2): 126?129.

[22] TB 10630—2019, 磁浮鐵路技術標準(試行)[S]. TB 10630—2019, Technical standards of the maglev railway (trial)[S].

[23] 梅元貴. 高速鐵路隧道空氣動力學[M]. 北京: 科學出版社, 2009: 65?94. MEI Yuangui. Aerodynamics of high-speed railway tunnels[M]. Beijing: Science Press, 2009: 65?94.

[24] William-Louis M, Tournier C. A wave signature based method for the prediction of pressure transients in railway tunnels[J]. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 2005, 93(6): 521?531.

[25] 梅元貴, 趙汗冰, 陳大偉, 等. 時速600 km磁浮列車駛入隧道時初始壓縮波特征的數值模擬[J]. 交通運輸工程學報, 2020, 20(1): 120?131. MEI Yuangui, ZHAO Hanbing, CHEN Dawei, et al. Numerical simulation of initial compression wave characteristics when a maglev train with a speed of 600 km per hour enters a tunnel[J]. Journal of Transportation Engineering, 2020, 20(1): 120?131.

Pressure load characteristics of high-speed maglev single-track tunnels

ZHANG Zhichao1, DU Jian2, ZHAO Hanbing1, MEI Yuangui1

(1. Gansu Province Engineering Laboratory of Rail Transit Mechanics Application Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China;2. CCRC Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao 266111, China)

The high-speed maglev trains could cause severe pressure fluctuations when passing through tunnels, thus resulting in discomfort to the ears of drivers and passengers, and leading to aerodynamic fatigue life problems of train bodies and other components of trains, linings and auxiliary facilities of tunnels. It is necessary to study the pressure wave effect of high-speed maglev trains passing through tunnels. In this paper, the one-dimensional compressible unsteady non-homentropic flow model and method of characteristics of generalized Riemann variables were used to numerically study the pressure load of a train body when a single train passes through a tunnel. The effect laws of tunnel length, train speed, and blocking ratio on the external pressure wave were revealed. The most critical tunnel length based on the maximum positive and negative values and the maximum pressure peak-to-peak value at the speed of 500 to 600 km/h was obtained. It is demonstrated the applicable range of the pressure wave amplitude generated by the train passing through the tunnel is directly proportional to the square of the train speed. The fitting relation between the maximum pressure and speed was summarized. The research methods and results in this paper can provide a reference for the selection of aerodynamic loads for train body design.

high-speed maglev train; tunnel; pressure waves; train body aerodynamic load; character method of one-dimensional flow model

U451.3；V211.3

A

1672 ? 7029(2021)01 ? 0021 ? 10

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200201

2020?03?14

國家重點研發計劃資助項目(2016YFB1200602-39)

梅元貴(1964?)，男，河南滎陽人，教授，博士，從事列車空氣動力學；E?mail：meiyuangui@163.com

(編輯 蔣學東)