第二部分-高速铁路隧道(空气动力学)-ch

二、高速铁路隧道空气动力学定义之三：1986年1月，国际铁路联盟秘书长勃莱认为，高速列车最高运行速度至少应达到200km/h。因此，国际上目前列车最高运行速度达到200km/h及其以上的铁路为高速铁路；最高速度为140～160km/h时为快速铁路；速度为120km/h时为常速铁路。一、高速铁路的定义定义之一：1970年5月，日本在第71号法律《全国新干线铁路整备法》中规定：“列车在主要区间能以200km/h以上速度运行的干线铁道称为高速路”。定义之二：1985年5月，联合国欧洲经济委员会将高速铁路的列车最高运行速度规定为：客运专线300km/h，客货混线250km/h。定义之四：我国把新建最高运行速度达到250km/h和改建或增建第二线最高行车速度达到200km/h的铁路称为高速铁路，另外把设计速度目标值为200km/h及以上、短距离城市之间连接的客运专线铁路称为城际铁路。一、高速铁路的定义世界各国高速铁路里程柱状图120002196916246142743111224091541瑞典英国比利时意大利韩国德国西班牙法国日本中国国家里程（km）二、世界各国高速铁路长度统计1964年世界上第一条高速铁路——东海道新干线在日本开通以来，目前世界上高速铁路的发展可谓方兴未艾。目前全世界高速铁路运营里程已达6678km。高速铁路是铁路现代化的重要标志，具有以下特点:运输能力大环境污染小行车速度高安全性能好占用土地少特点据不完全统计，截止到2005年底，全世界已经建成的高速铁路隧道总长度已经超过1400km。根据国务院2004年批复的《中长期铁路网规划》，到2020年，我国修建的高速铁路隧道总长度将超过1000km。其中，2006年已经开工建设的高速铁路项目中，隧道座数超过500座，总长度已经超过700km。三、世界各国高速铁路隧道长度统计0200400600800隧道长度（km）7847002011167150442615.8日本中国大陆（已开工）德国韩国意大利法国中国台湾英国西班牙当列车进入隧道时，原来占据着空间的空气被排开。空气的粘性以及隧道壁面和列车表面的摩阻作用使得被排开的空气不能像隧道外那样及时、顺畅地沿列车两侧和上部形成绕流。于时，列车前方的空气受压缩，列车后方则形成一定的负压。这就产生一个压力波动过程。这种压力波动又以声速传播至隧道口，形成反射波，回传，叠加，产生一系列复杂的空气动力学效应。四、高速铁路隧道设计关键技术（一）、空气压力波动及相应的空气动力学问题这些因列车在隧道内高速行驶引起的空气动力学效应包括：瞬变压力、微压波、空气动力荷载、列车风以及列车空气阻力。它们对乘车的旅客、洞口环境、机车车辆、行车、隧道结构和隧道内各种附属结构物都存在不利的影响，主要表现在以下五个方面：（1）瞬变压力(压力波动)————降低旅客乘车舒适度；（2）微压波—————产生爆破噪声，影响隧道洞口环境和建筑物安全；（3）空气动力荷载——对隧道衬砌及附属结构物施加额外的交变气动荷载；（4）列车风—————影响隧道内作业人员及设备安全；（5）列车空气阻力——降低牵引能力，增加牵引能耗。四、高速铁路隧道设计关键技术（一）、空气压力波动及相应的空气动力学问题1、隧道内空气压力波的变化规律试验对象：400m长、速度为350km/h的ICE3单列车运行穿过横断面面积为101m²、临界长度为Ltu=1490m的隧道时的x-t和p-t图。1490m测点-2500-1500-50050015002500020406080100120140t[s]p[Pa]MeasurementSimulationStaticpressuremeasurementsintheFERNTHAL-tunnelComparisonmeasurement-numericalsimulationTestrun2002-04-04-13.Positionp1（1）持续性从0秒到约20秒的时间间隔内，列车在隧道内。而且，列车离开隧道后，列车产生的气压波在隧道内上下传播。1、隧道内空气压力波的变化规律列车在隧道（2）空气压力分布规律：沿隧道长度分布不均匀性-4000-3000-2000-1000010002000300001020304050t[s]p[Pa]375mfromtheentryportal750mfromtheentryportal1250mfromtheentryportalStaticpressuresatlocationsinthetunnel-4000-3000-2000-100001000200001020304050t[s]p[Pa]atthefrontofthetraininthemiddleofthetrainattheendofthetrainStaticpressuresatlocationsonboardatrain04008001200160001020304050t[s]x[m]测点进口测点隧道中心点测点出口-4000-3000-2000-1000010002000300001020304050t[s]p[Pa]375mfromtheentryportal750mfromtheentryportal1250mfromtheentryportalStaticpressuresatlocationsinthetunnel-4000-3000-2000-100001000200001020304050t[s]p[Pa]atthefrontofthetraininthemiddleofthetrainattheendofthetrainStaticpressuresatlocationsonboardatrain04008001200160001020304050t[s]x[m]（3）空气压力分布规律：沿列车长度分布不均匀性车头列车中部车尾沿列车长度分布不均匀性:车头+、-压，车尾-压2、隧道内列车风的变化规律测点-1001020304001020304050t[s]u[m/s]02004006008001000q[Pa]列车进入隧道列车头部通过测量装置列车尾部通过测量装置最大风速38m/s极不稳定风级名称风速（米）*陆地物象海面波浪0无风0.0-0.2烟直上平静1软风0.3-1.5烟示风向微波峰无飞沫2轻风1.6-3.3感觉有风小波峰未破碎3微风3.4-5.4旌旗展开小波峰顶破裂4和风5.5-7.9吹起尘土小浪白沫波峰5劲风8.0-10.7小树摇摆中浪折沫峰群6强风10.8-13.8电线有声大浪到个飞沫7疾风13.9-17.1步行困难破峰白沫成条8大风17.2-20.7折毁树枝浪长高有浪花9烈风20.8-24.4小损房屋浪峰倒卷10狂风24.5-28.4拔起树木海浪翻滚咆哮11暴风28.5-32.6损毁普遍波峰全呈飞沫12飓风32.7-摧毁巨大海浪滔天风力等级与风速对照表现场实测：在遂渝铁路现场试验中测得的空气动力荷载最大值见下表。车型车速（km/h）Pmax（kPa）Pmin（kPa）“长白山号”动车组2002.13-2.43提速货车1200.96-1.20提速双层集装箱货车1201.56-1.08不同车型空气动力荷载（遂渝铁路现场试验）3、作用在隧道衬砌或固定设备上的气动荷载根据德国联邦铁路“铁路隧道的设计，施工和养护”标准DS853（1993）[8]，作用在衬砌表面的法向荷载：V=300km/h，At=92m2，p=±6.0kPaV=300km/h，At=56m2（单线），p=±4.5kPaV=250km/h，At=82m2，p=±5.0kPa作用在衬砌结构上的纵向荷载V=250km/h，At=82m2，p=±0.75kPaDS853也指出，此类荷载对衬砌结构不会有显著影响，但对某些设备和设施可能会有影响。DS853也指出，此类荷载对衬砌结构不会有显著影响，但对某些设备和设施可能会有影响。例如：基础加固问题：高速铁路隧道内如何监测固定设备的状况？衬砌掉块高速列车进入隧道将会在列车和隧道中产生瞬变压力，引起旅客和铁路员工耳膜压感不适等不良生理反应，会对乘车舒适度、铁路运营作业以及车辆结构产生负面影响。1、人耳的构造（二）、乘车舒适度准则人类耳部由耳道（G）、鼓膜（T）、鼓室（P）和耳咽管（TE）组成，当外部的压力发生变化时，压力差可以导致鼓膜（T）的振动，并将振动延伸到耳朵内部。GTPTE如果鼓膜（T）的振动延伸过大，那么人就会感到不适。一般情况下，耳咽管（TE）是关闭的，当进行咀嚼和吞咽运动时，耳咽管（TE）打开，鼓膜（T）内外压差消失，不舒适感亦随之消除。GTTE如果鼓膜（T）的振动延伸过大，那么人就会感到不适。怎样定义“延伸过大”呢？人体可以承受的气压变化极限是多少？欧洲ORE（国际铁路联盟UIC下属的试验研究所）组织对于高速铁路隧道设计的有关问题进行过大量的技术研究和试验，提出了非常重要的研究报告。其中，在ORE组织C149委员会所提出的“高速列车通过隧道时对人体听觉器官的效应试验”第10号报告中，提出人体可承受的气压变化极限（3s内）为：在旅客列车上3kPa，在隧道内5kPa铁路类型隧道长度（占线路比例）隧道密集程度（座/小时）瞬变压力（kpa/3s）A（平原）单线＜10%而且＜42.0B（平原）双线＜10%而且＜43.0C（山丘）单线＞25%或者＞40.8D（山丘）双线＞25%或者＞41.252、乘车舒适度准则我国高速铁路舒适度准则的建议舒适度准则=k﹡人体可承受的气压变化极限式中：k≤1国家阈值说明日本P1kPaP200Pa/s适用于密闭车辆可以放宽到300Pa/s美国[P]700Pa/1.7sp410Pa/s适用于地下铁道英国[p]3kPa/3s[p]4kPa/4s[p]2.5kPa/4s[p]3.0kPa/4sp450Pa700Pa（上限）1986年BR修订海峡联络线单线隧道海峡联络线双线隧道（非密闭车辆、运行速度为225km/h）德国P1kPaP300～400kPa/s原定200Pa/s，后来放宽标准表中P为压力变化绝对值，即dp/dt为变化率；[p]即Δp/Δt，为某一段时间内的压力变化。部分国家采用的标准2、乘车舒适度准则影响隧道空气动力学效应的因素包括：列车速度隧道净空有效面积，以及隧道长度、辅助道坑、道床型式、隧道壁面摩擦系数以及列车速度、列车长度、车形、列车横断面积、列车表面磨擦系数等因素。研究表明，在一条运营铁路线上的车型一定的情况下，隧道有效净空面积和列车速度υ是对瞬变压力具有最大影响的因素。（三）、影响空气动力学效应的主要因素（四）、影响瞬变压力的设计因素1、隧道有效净空面积、列车速度的影响（1）阻塞比β的概念tVAA式中At—隧道有效净空面积；AV—列车截面积。AVAt（2）瞬变压力p、阻塞比β、列车速度υ的关系，ORE表达式：p=kυ2βN单一列车N=1.3±0.25列车交会N=2.16±0.06（3）、算例——列车速度的影响tVAA06.016.225.03.1)(2maxNNkvpN会车，单线，隧道面积一定，乘客要感到舒适列车能跑多快？研究的第一个问题车辆不密封（3）、算例——隧道有效净空面积的影响230.103601140/300mSmlmlhkmvtrtrt列车速度一定，乘客要感到舒适隧道面积至少要多少？)1(taiePPtaaiePPPP)(0“不密封”的标准车辆τ=0.7s密封“好”的车辆τ=5.0s密封空调车τ=7.0sdtetPtPtati)(1)(0（4）车辆密封性旅客乘车是否舒适，与车辆的密封性有密切的关系。衡量车辆的密封性能好坏的指标：密封系数——τ密封系数τ与压力的关系τ的物理意义？τ≥10sτ≥7sτ≥3sτ≥5s)]409.6(sin1[3600ttrllABSPV=300km/h,车长ltr=360m,隧道净空面积At=100m2（6）隧道长度的影响计算公式：研究隧道长