隧道長度對高速列車車內外氣壓特性影響

中車青島四方機車車輛股份有限公司技術中心 / 林松 王宗昌 單修洋 中南大學軌道交通安全教育部重點實驗室 / 熊小慧

引言

列車高速通過隧道產生的壓縮波和膨脹波以接近聲速在隧道內不斷傳播、反射和疊加，速度越高，壓力波動越劇烈。壓力波動傳送至車廂內部，使車內氣壓發生變化，當該壓力波動值超過一定限度時，會對乘客舒適性造成不利影響。Nam等通過現場試驗，發現隧道長度與隧道內壓力波動呈非單調關系；陳厚嫦等通過實車試驗研究時速350km列車通過不同長度隧道時的氣動效應發現隧道長度小于3000m時，車內外壓力變化峰值隨隧道長度的增加而增加。

目前，國內外專家針對列車通過隧道時引起的氣壓波動做了很多研究工作，但缺少針對400km/h下隧道長度對列車氣壓特性影響的系統研究。本文采用數值仿真計算方法重點研究了列車以400km/h單車通過隧道過程中，隧道長度等對車體內外氣壓特性的影響規律，分析了車內氣壓波動對司乘人員人耳舒適性的影響，為高速列車舒適度研究提供技術支撐。

1 數值模擬

1.1 數學模型和計算方法

計算選取的列車速度分別為380km/h，400km/h和420km/h，馬赫數均大于0.3，采用高雷諾數湍流模型數值求解列車外部三維非定常湍流流動。

1.2 計算工況、網格及測點布置

根據BS EN 14067-5，列車380km/h，400km/h和420km/h速度對應的最不利隧道長度分別為689m、630m和578m，同時結合800m、1000m、2000m、3000m、4000m、5000m、6000m等不同長度隧道工況進行計算，并用動模型進行驗證。

2 試驗驗證

選取κ-ε-standard、κ-ε-rng、κ-ω- standard、κ-ωsst四種湍流模型，采用100m2雙線隧道，按1：20模型以速度400km/h分別進行數值模擬。

結果表明：κ-ε-standard、κ-ε-rng、κ-ω-standard、κ-ω-sst四種湍流模型計算結果與動模型試驗結果相對偏差分別為5.64%，5.54%，7.05%和0.95%，利用κ-ω-sst湍流模型計算結果最接近試驗結果。本文采用κ-ω-sst湍流模型計算列車400km/h通過隧道時受到的氣動力。

3 結果和分析

3.1 車外壓力變化規律研究

3.1.1 隧道長度對車外氣壓特性的影響

計算結果表明，列車以400km/h通過600m、1000m和5000m隧道時，車外壓力分別754.9Pa，780.0Pa，977.0Pa。其中，通過600m和1000m隧道時，壓力正峰值基本一致；通過5000m隧道時，壓力正峰值與通過600m隧道時相差22.8%。

圖1 為不同速度通過不同長度隧道時車外壓力變化幅值的對比。由圖1可知：列車以380km/h，400km/h和420km/h分別通過相應最不利長度689m、630m和578m隧道時，車外壓力變化幅值最大，符合BS EN 14067-5 要求；以不同速度通過1000m隧道時，壓力變化幅值最小；以不同速度通過1000m以上隧道時，壓力變化幅值先增大后逐漸減小，趨于平穩；不同速度下，壓力變化幅值受隧道長度的影響趨勢基本相同。

圖1 隧道長度對車外壓力變化的影響圖

3.1.2 列車速度對車外氣壓特性的影響

通過仿真計算可知，列車通過600m、3000m、5000m和6000m隧道時，壓力變化幅值分別與速度的2.45，1.90，1.86，1.90次方呈正相關；且隨著速度的增加，車外壓力變化幅值呈遞增趨勢。

3.2 車內壓力變化規律研究

根據TB/T3250-2010：250km/h＜V≤350km/h，車內外壓力差由4000Pa降至1000Pa的時間≥50s，靜態密封指數為36s，動態氣密指數一般為靜態指數1/3～1/2。

3.2.1 隧道長度的影響

圖2 給出了列車以400km/h通過不同長度隧道、氣密指數22.5s條件下，車廂內的壓力變化幅值在不同時間間隔內的分布特性。由圖2可以看出：車內1s壓力變化幅值與隧道長度基本無關；車內3s、4s和10s壓力變化幅值均先升高后降低；車內30s壓力變化幅值隨隧道長度的增加有減小的趨勢；在全過程中，車內壓力變化幅值隨著隧道長度的增大而增大。

圖2 隧道長度對車內壓力變化的影響圖

3.2.2 氣密性的影響

由圖2可知：列車以400km/h通過較短隧道，車內氣壓無充足時間對車外壓力變化做出反應，車內壓力變化幅值差別較小；通過較長隧道時，壓力波在傳播過程中發生衰減，隨著隧道長度的增加，壓力變化幅值呈減小趨勢，其中通過2000m隧道時，壓力變化幅值最大。通過對400km/h通過2000m隧道、氣密指數對車內壓力變化幅值的影響的研究，氣密指數相同時，時間越長，壓力變化幅值越大；隨著氣密指數的提高，壓力變化幅值均下降，且下降速率遞減。

3.2.3 列車速度的影響

圖3 給出列車以不同速度通過2000m長度隧道時，不同時間間隔和不同氣密指數下車內壓力變化幅值，其中，紅色水平虛線為UIC 660中人耳舒適性的標準值。由圖3可以看出：

圖3 速度對車內不同時間間隔壓力變化幅值的影響圖

（1）隨著列車速度的增大，車內壓力變化幅值均增大；

（2）氣密指數≥22.5s，若不同時間間隔內壓力變化幅值均符合UIC標準，列車速度需≤400km/h；氣密指數≥30s，列車以380km/h、400km/h和420km/h通過隧道時，車內不同時間間隔內壓力變化幅值均符合UIC標準。

3.3 舒適性評價

通過對列車400km/h通過不同長度隧道，不同氣密指數、不同時間間隔車內壓力變化幅值與UIC人耳舒適性標準的對比研究發現：氣密指數為12s，通過2000m及以上長度隧道時，車內10s和全過程壓力變化不滿足標準；氣密指數為22.5s，通過4000m及以上長度隧道時，車內全過程壓力變化不滿足標準；氣密指數為36s，通過6000m及以上長度隧道時，車內全過程壓力變化不滿足標準；氣密指數為43.3s，通過6000m及以下長度隧道時，車內壓力變化滿足標準。

不同氣密指數、通過不同長度隧道時，車內1s和3s壓力變化幅值均滿足壓力舒適性要求，但隨著隧道長度的增加，車內壓力則需較長時間適應車外的壓力變化，車內壓力值升高，導致長時間間隔內的壓力值不滿足壓力舒適度標準，對舒適性造成負面影響。

4 結論

（1）數值計算數據與動模型試驗相差0.95%，準確性較高，滿足工程應用的要求。

（2）列車以400km/h通過隧道時，壓力變化幅值沿隧道長度方向先增大后減小。

（3）列車速度越高，車內氣壓變化幅值越大；時間間隔越大，速度對車內壓力變化幅值的影響越大。

（4）隨著隧道長度的增大，車內1s壓力變化幅值基本不變，3s、4s和10s壓力變化幅值有先升高后降低的趨勢， 30s壓力變化幅值有減小的趨勢，全過程中，壓力變化幅值增大。

（5）列車400km/h通過較長隧道時，人耳舒適性主要受長時間間隔內的壓力變化的影響。