高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué).ppt

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1、2020/8/25,高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué),北京交通大學(xué)隧道及地下工程試驗(yàn)研究中心,報(bào) 告 人：駱建軍,2020/8/25,1、定義,高速鐵路：一般定義為列車運(yùn)行速度在200km/h及以上的鐵路干線。 高速鐵路是一項(xiàng)十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要多種學(xué)科的技術(shù)支持。許多在低速時(shí)可以忽略的現(xiàn)象，在高速時(shí)卻變得非常重要。例如高速列車與空氣的相互作用就是一個(gè)突出的例子。,2020/8/25,隧道空氣動(dòng)力學(xué)：是指高速列車通過隧道時(shí)，所誘發(fā)的一系列與空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)的物理現(xiàn)象而逐步形成的一門分支學(xué)科。高速鐵路空氣動(dòng)力學(xué)問題可以分為明線空氣動(dòng)力學(xué)和隧道空氣動(dòng)力學(xué)問題兩大部分 。 兩者的區(qū)別： 明線：列車氣動(dòng)阻力；

2、橫向風(fēng)下列車氣動(dòng)特性；列車表面壓力分布；列車空氣繞流。 隧道： 與隧道通風(fēng)問題的區(qū)別,2020/8/25,2、問題的提出,什么是隧道空氣動(dòng)力學(xué)問題？ 最常見的最容易感覺的：耳膜不適；列車風(fēng) 最早出現(xiàn)： 出現(xiàn)在1964年10月1日日本東海道新干線高速鐵路隧道（速度為210km/h，阻塞比為60.563.4 m2）。 隧道空氣動(dòng)力學(xué)包括下列幾個(gè)方面,2020/8/25,2020/8/25,3、產(chǎn)生隧道空氣動(dòng)力學(xué)問題的根本原因,產(chǎn)生空氣動(dòng)力學(xué)問題的原因比較多，但最根本的原因就是列車速度過高，隧道凈空斷面面積比較小造成的。 國(guó)內(nèi)外的研究表明：隧道內(nèi)最大壓力變化值與列車的速度的平方成正比，與阻塞比的冪指

3、數(shù)成正比，這個(gè)冪指數(shù)的取值范圍在1.30.26之間。,2020/8/25,4、隧道空氣動(dòng)力學(xué)的特性,隧道內(nèi)空氣流動(dòng)物理特征 （1）當(dāng)列車駛?cè)胨淼浪查g，由于空氣的壓縮性及列車壁和隧道壁限制了空氣側(cè)向流和向上流的空間，使緊貼車頭前的空氣受到壓縮并隨列車向前流動(dòng)，造成列車前方的空氣壓力突然升高，產(chǎn)生壓縮波。被列車排擠的另一部分空氣則通過環(huán)狀空間向列車后方流動(dòng)。隨著列車的進(jìn)一步駛?cè)胨淼?，環(huán)狀空間長(zhǎng)度逐步增大，使車前隧道空間的空氣壓力繼續(xù)升高，即壓縮波的強(qiáng)度繼續(xù)增大，直到列車全部進(jìn)入隧道為止。該波以聲速向前傳播。波前方的空氣流速為零，而波后方的空氣以一定的流速隨著列車向前流動(dòng)。壓縮波傳播到出口后，一部分

4、以膨脹波形式反射回來，另一部分以微氣壓波形式傳出隧道出口。,2020/8/25,壓縮波與微壓波形成機(jī)理,2020/8/25,（2）當(dāng)列車尾端進(jìn)入隧道后，由于車尾產(chǎn)生的負(fù)壓低于大氣壓力，原先經(jīng)過環(huán)狀空間流到隧道入口外的空氣改變流向，流入列車后方的隧道空間，而且隧道外的空氣也流入該空間。由于經(jīng)環(huán)狀空間流入車后隧道空間的空氣流量小于列車所排擠開的空氣流量，于是在列車尾端形成了低于洞口外大氣壓的壓力，即產(chǎn)生膨脹波，該波沿隧道以聲速向出口方向傳播。傳播到出口端后，大部分以壓縮波形式反射回來，沿隧道長(zhǎng)度方向向進(jìn)口端傳播。,2020/8/25,（3）由于壁面摩擦不斷消耗波的能量，以及波在隧道兩端和列車兩端處

5、多次反射和傳遞使得壓縮波和膨脹波相互重疊，所以壓縮波和膨脹波的強(qiáng)度逐漸衰減。同時(shí)，各種傳遞波和反射波的疊加，形成了隧道內(nèi)空氣壓力隨時(shí)間變化而波動(dòng)。 （4）對(duì)于一系列前后相繼的隧道空氣壓縮波，后面的波速比前面的波速快，最終可能疊加在一起而形成激波。,2020/8/25,5、國(guó)內(nèi)外對(duì)高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)研究現(xiàn)狀,對(duì)于高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)的研究，我國(guó)起步比較晚，日本及許多西方國(guó)家對(duì)此做了大量研究，其研究范圍主要集中在如下四個(gè)方面： （1）壓力波的變化梯度及乘客的舒適度的研究； （2）壓力波和微壓波的傳播和形成機(jī)理及其計(jì)算方法 的研究； （3）削減壓縮波和微壓波的各種方案的研究； （4）實(shí)驗(yàn)方法的

6、研究,2020/8/25,5.1、壓力波的變化梯度及乘客的舒適度的研究 列車提速是為了滿足乘客快捷、舒適、安全的需要，必須將乘客的感受和要求放在第一位。列車車速的提高，會(huì)使列車在進(jìn)出隧道時(shí)引起車內(nèi)的較大壓力變化，造成乘客耳膜的疼痛不適，因此在車速提高的同時(shí)，必須采用一定的標(biāo)準(zhǔn)，保證列車在進(jìn)入隧道時(shí)車廂內(nèi)壓力的變化不能超過一定的限度。 乘客舒適度（comfort standard of passenger） 指隧道內(nèi)產(chǎn)生的壓力波動(dòng)，在極短的時(shí)間內(nèi)傳到人體時(shí)，使人體產(chǎn)生生理上的不適-即耳膜壓感不適時(shí)的最大壓力變化值。通常采用特定時(shí)間（3s或4s）內(nèi)壓力單調(diào)變化值作為乘客舒適度的特征參數(shù)。（3s或

7、4s，正是人體自動(dòng)或人為地完成一次吞咽動(dòng)作，建立中耳和外界的壓力平衡所需要的時(shí)間）,2020/8/25,影響旅客舒適度的壓力指標(biāo)有兩個(gè)：一是壓力變化的最大值，另一個(gè)是壓力變化率的最大值。 日本:1000Pa，300Pa/1.0s。 美國(guó)：800Pa, 410Pa/1.7s,2020/8/25,5.2、壓力波傳播和形成機(jī)理及其計(jì)算方法的研究,初期，采用一維流。采用特征線理論來得到隧道軸線方向壓力、速度等指標(biāo)。 M.Schultz等人對(duì)短隧道進(jìn)行研究，指出：在隧道直徑與隧道長(zhǎng)度的比值不是很小時(shí)，隧道斷面上的壓力幾乎為常數(shù)，可用一維理論分析，但在車頭和車尾處要考慮三維效應(yīng)，并提出了改進(jìn)措施。,202

8、0/8/25,在小沢智通過對(duì)列車沖出隧道形成微氣壓波的大量測(cè)試表明，微壓波與列車移動(dòng)速度的三次方成比例，并建立了微氣壓波變化的曲線方程。微氣壓波的最大值和微氣壓波曲線方程。,,,2020/8/25,隧道壓縮波的最大值與列車移動(dòng)速度的二次方成比例。并確定了波形變化的曲線。,2020/8/25,隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的不斷發(fā)展，各國(guó)學(xué)者對(duì)高速列車進(jìn)入隧道所誘發(fā)的空氣動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象已經(jīng)從一維數(shù)值模擬上升到二維和三維數(shù)值模擬。S.Aita等人采用三維可壓縮等熵歐拉方程進(jìn)行了隧道單車壓力波數(shù)值模擬。國(guó)內(nèi)采用了非定常的三維可壓縮不等熵的Navier-Stokes方程進(jìn)行了計(jì)算，獲得了非常好的結(jié)果。,

9、2020/8/25,列車速度與最大壓力變化之間的關(guān)系（國(guó)內(nèi)）,2020/8/25,有緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)壓力波的變化規(guī)律（國(guó)內(nèi)）,,,,2020/8/25,列車進(jìn)出隧道過程的實(shí)現(xiàn),要很好地模擬列車進(jìn)出隧道的過程可以采取兩種方法：移動(dòng)網(wǎng)格法和網(wǎng)格重劃分法。,2020/8/25,移動(dòng)網(wǎng)格法的原理,非周期移動(dòng)所產(chǎn)生的區(qū)域,2020/8/25,2020/8/25,列車頭部流場(chǎng)壓力變化分布（國(guó)內(nèi)）,2020/8/25,2020/8/25,數(shù)值計(jì)算壓力變化曲線（國(guó)內(nèi)）,2020/8/25,2020/8/25,5.3、削減壓縮波及噪聲的各種方案的研究,微壓波問題主要發(fā)生在日本的新干線隧道上，在七十年代末，由于最初的隧

10、道斷面較?。?0.5-63.4m2），阻塞比（列車斷面與隧道斷面的比值）大于0.2，在列車提速到200km/h后，出現(xiàn)了較明顯的空氣噪聲問題，由于隧道已經(jīng)建成，無法擴(kuò)大斷面，于是就提出了多種修建附屬構(gòu)筑物的改造措施。 微氣壓波（micro compression wave） 高速列車進(jìn)入隧道產(chǎn)生的壓縮波以聲速傳播到隧道出口時(shí)，一部分壓縮波以膨脹波的形式反射回隧道，另一部分壓縮波以球面波的形式向隧道外空間輻射出去，并伴有爆炸聲，造成對(duì)周圍環(huán)境的污染。輻射出去的壓力脈沖波形狀為尖三角形，三角形的高度（壓力脈沖的最大值）與列車速度的三次方成正比，與距離隧道出口處的外部距離成反比。,2020/8/25

11、,控制措施一,增大隧道斷面積 削減壓縮波及噪聲的最主要的解決方案是選取較大的隧道斷面，減低阻塞比。 根據(jù)各國(guó)高速鐵路的分析可以得到這樣的結(jié)論，當(dāng)阻塞比小于0.15（德、法等國(guó)）時(shí)，高速列車進(jìn)洞誘發(fā)的空氣動(dòng)力學(xué)問題基本上可以緩解。由此得出滿足壓力變動(dòng)的臨界值（3.0kPa/3s）的阻塞比：車速為250km/h，阻塞比為0.14；車速為350km/h，阻塞比為0.11。,2020/8/25,2020/8/25,綜合各國(guó)的隧道斷面圖，高速鐵路隧道斷面由下列空間構(gòu)成：隧道建筑界限、軌道數(shù)量、線間距、預(yù)留空間、減小空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的空間、設(shè)備安裝空間等。根據(jù)各國(guó)高速鐵路隧道斷面經(jīng)驗(yàn)和我國(guó)具體情況的要求，我

12、國(guó)初步確定京滬高速鐵路隧道斷面參數(shù)如下圖（100m2）。,高速鐵路隧道斷面示意圖,單位：cm,2020/8/25,控制措施二,對(duì)于既有線路上，隧道已經(jīng)建成，無法擴(kuò)大斷面，所以必須在不改變隧道斷面積的情況下，來予以解決。 經(jīng)過多年的研究和探索以及大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，人們已經(jīng)有了許多減小壓力波和噪聲的方法。解決方法主要分為兩種： 修建附屬構(gòu)筑物的改造措施： 無開口全封閉緩沖結(jié)構(gòu) 有窗口的緩沖結(jié)構(gòu) 開槽式緩沖結(jié)構(gòu) 人為控制車內(nèi)壓力,2020/8/25,無開口全封閉緩沖結(jié)構(gòu),2020/8/25,緩沖結(jié)構(gòu)降低微氣壓波的效果,第一個(gè)標(biāo)記代表緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度選項(xiàng)；第二個(gè)標(biāo)記代表緩沖結(jié)構(gòu)入口面積選項(xiàng)。 直線為母

13、線的緩沖結(jié)構(gòu)形式可以將微氣壓波降低到30%左右。,2020/8/25,有窗口的緩沖結(jié)構(gòu),對(duì)于有窗口的緩沖結(jié)構(gòu)，需確定合適的窗口面積的大小。窗口部分設(shè)在緩沖結(jié)構(gòu)的側(cè)面，其長(zhǎng)度可以等于或小于緩沖棚全長(zhǎng)。同全封閉式的緩沖結(jié)構(gòu)相比，帶窗口的緩沖棚具有更好的降壓效果。該緩沖結(jié)構(gòu)可以將微氣壓波降低到無緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)的0.45。,2020/8/25,開槽式緩沖結(jié)構(gòu),開槽式緩沖結(jié)構(gòu)的橫截面積與隧道截面相同，通過在緩沖結(jié)構(gòu)頂部開槽，起到緩沖作用，可將微壓波峰值降至20-30%。,2020/8/25,人為控制車內(nèi)壓力,通風(fēng)系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)風(fēng)流的進(jìn)入和排出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車內(nèi)壓力的調(diào)節(jié)。K.Akutsu等人對(duì)此方法進(jìn)行了研究，

14、用風(fēng)機(jī)來調(diào)節(jié)壓力，消除瞬變壓力所造成的危害。它只能消除列車內(nèi)部的壓力變化，不能削減對(duì)周圍環(huán)境的影響。 但是，該方法仍然存在一定的問題。首先，它對(duì)列車的氣密性要求較高。它的首要目的就是調(diào)節(jié)列車內(nèi)外的壓差。氣密性差，就無法實(shí)現(xiàn)對(duì)車內(nèi)壓力的調(diào)節(jié)。實(shí)際上，正是由于氣密性差才會(huì)引起列車在進(jìn)出隧道時(shí)，引起車內(nèi)的壓力變化。,2020/8/25,5.4、實(shí)驗(yàn)方法的研究,實(shí)驗(yàn)室方法 研究高速列車的實(shí)驗(yàn)方法主要有水槽式、發(fā)射式及小型列車模型實(shí)驗(yàn)裝置，還有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法。 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)法,2020/8/25,5.4.1 水槽法,水槽法是在二十世紀(jì)六十年代中期在美國(guó)興起的。當(dāng)時(shí)，美國(guó)的一些技術(shù)人員利用可壓縮氣體與自由表面流

15、體的相似性，采用水作為工作流體來研究高速列車通過隧道的問題。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是高速運(yùn)行的列車可以用很低的速度來模擬。然而，考慮到很淺的水深，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是令人失望的。,2020/8/25,1.測(cè)控計(jì)算機(jī) 2.監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī) 3.視頻分配器 4.反光鏡 5.縫隙光源 6.CCD鏡頭7. 模型列車 8. 模型隧道 9.驅(qū)動(dòng)電機(jī) 10 淺水槽. 西南交大水槽法模型實(shí)驗(yàn)裝置示意圖,2020/8/25,5.4.2 小型列車模型實(shí)驗(yàn)裝置,為了保證模型可靠實(shí)用，根據(jù)雷諾相似性，要求模型的尺寸不能小于1/36。同時(shí)，模型的速度與全尺寸列車的速度相同。根據(jù)這些限制條件，英國(guó)的C. W. Pope建造了1/25的小比例

16、列車模型實(shí)驗(yàn)裝置，模型的車速達(dá)到55m/s，模型的質(zhì)量為10kg。,2020/8/25,英國(guó)建成的模型實(shí)驗(yàn)臺(tái),2020/8/25,5.4.3 發(fā)射式列車模型實(shí)驗(yàn)裝置,日本的小沢智采用長(zhǎng)30mm的鋁管（前頭為半圓形）模擬列車，以橡膠彈弓方式發(fā)射，實(shí)驗(yàn)時(shí)的速度通常為25m/s。 在佐宗章弘介紹的改進(jìn)模型中，采用的尺寸相似比為1/300的模型，以壓縮空氣為動(dòng)力。發(fā)射式列車模型，發(fā)射速度可達(dá)到100m/s。,2020/8/25,佐宗章弘,2020/8/25,日本的 S.Ozawa,2020/8/25,5.4.4 國(guó)內(nèi)壓縮空氣式高速列車模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)備配置 高速列車模型實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng) 列車模型實(shí)

17、驗(yàn),2020/8/25,實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)備配置,2020/8/25,高速列車模型發(fā)射炮裝置圖,2020/8/25,列車模型實(shí)驗(yàn),聚乙烯管作隧道模型、木板為緩沖結(jié)構(gòu),2020/8/25,2020/8/25,2020/8/25,有、無緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)的車速與最大壓力的關(guān)系曲線,2020/8/25,緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)壓力變化率的影響,2020/8/25,5.5 現(xiàn)場(chǎng)量測(cè),現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)是研究隧道空氣動(dòng)力學(xué)問題最直接的手段，還可對(duì)數(shù)值計(jì)算和室內(nèi)模型試驗(yàn)方法和結(jié)論的正確性進(jìn)行了檢驗(yàn)。 我國(guó)在2005年，在遂渝鐵路進(jìn)行了高速列車的隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地試驗(yàn)。,2020/8/25,松林坡隧道V=200km/h Lt=1320m

18、 At=48.6m2周長(zhǎng)26.3m 測(cè)點(diǎn)位置223m 長(zhǎng)白山動(dòng)車組Av=12.49m2 周長(zhǎng)10.78m 列車長(zhǎng)度為256.5 m 阻塞比為0.24,2020/8/25,6、高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)主要影響及效應(yīng),6.1 列車速度及阻塞比 研究表明，諸因素中，列車速度V和阻塞比是影響最大的因素 ORE曾經(jīng)系統(tǒng)地研究了各種因素對(duì)壓力波動(dòng)的影響，用下列公式表達(dá)列車速度V和阻塞比的影響： 單一列車在隧道中運(yùn)行： 考慮列車交會(huì)：,,,,,,2020/8/25,隧道長(zhǎng)度對(duì)壓力波動(dòng)程度的影響 隧道長(zhǎng)度對(duì)壓力變化的影響也很大，而且，壓力波動(dòng)程度并非單調(diào)地隨著隧道長(zhǎng)度的增加而加劇。,2020/8/25,法國(guó)專

19、家認(rèn)為，碎石道床隧道壓力波動(dòng)的最大值出現(xiàn)在對(duì)應(yīng)隧道長(zhǎng)度分別為0.8，1.2及3.5倍列車長(zhǎng),,2020/8/25,車輛的密封性 車輛內(nèi)部的瞬變壓力同旅客乘車舒適度有直接關(guān)系。隧道內(nèi)的瞬變壓力向車輛內(nèi)傳遞規(guī)律一般來說取決于二個(gè)因素：車輛的密封性和車體的剛度。 對(duì)列車氣密性的描述通過列車的密封度來實(shí)現(xiàn)。其物理意義在于：將車內(nèi)外壓差降低到初值的38%所需的泄露時(shí)間。,,2020/8/25,車輛密封性對(duì)緩解壓力波動(dòng)程度的作用可以歸為“滯后”和“衰減”。采用不密封的“標(biāo)準(zhǔn)”車輛，車內(nèi)壓力的變化情況同車外基本一致，而采用密封車輛后車內(nèi)壓力的峰值滯后。同時(shí)，壓力變化幅度減小。,2020/8/25,不同密封程

20、度車輛對(duì)氣壓波動(dòng)的緩沖效果,2020/8/25,當(dāng)列車在大于臨界長(zhǎng)度的長(zhǎng)隧道中行駛時(shí)，隧道中及列車外部壓力波動(dòng)的程度同短隧道相比，會(huì)有所緩解。但是，如果采用密封車輛，車內(nèi)壓力波動(dòng)幅度卻往往比短隧道大，這是由于長(zhǎng)隧道壓力波之間的時(shí)間間隔較大，使得車內(nèi)壓力有足夠的時(shí)間對(duì)外部壓力波動(dòng)作出響應(yīng)。可以說，相同密封指數(shù)的車輛，在短隧道中的“動(dòng)態(tài)”密封效果比長(zhǎng)隧道好,2020/8/25,2020/8/25,作用在隧道襯砌或固定設(shè)備上的氣動(dòng)荷載 按照德國(guó)聯(lián)邦鐵路“鐵路隧道的設(shè)計(jì)，施工和養(yǎng)護(hù)”標(biāo)準(zhǔn)DS853（1993）的規(guī)定，認(rèn)為隧道內(nèi)空氣動(dòng)力荷載最大值都為kPa量級(jí)，對(duì)隧道襯砌的安全性不會(huì)產(chǎn)生明顯影響，但對(duì)隧

21、道襯砌結(jié)構(gòu)的瑕疵和缺陷的反應(yīng)較為靈敏，同時(shí)對(duì)隧道內(nèi)的設(shè)備和設(shè)施可能會(huì)有一定影響。 車輛結(jié)構(gòu)所承受的氣動(dòng)荷載 根據(jù)國(guó)際鐵盟UIC活頁文件566中4.2.2條規(guī)定，客車車身和門窗須承受變化幅度為2500N/m2，頻率為3HZ的交變荷載1000000次。按該條文設(shè)計(jì)的車輛當(dāng)壓差小于2.5kPa時(shí)是不會(huì)受到損害的。,2020/8/25,7、壓力波動(dòng)程度的評(píng)估和相關(guān)舒適度準(zhǔn)則,7.1 人體的舒適度 人的鼻咽腔通過一個(gè)稱為耳咽管的器官同中耳相連。通常耳咽管是關(guān)閉的。當(dāng)鼻咽腔的壓力比中耳的壓力低將近2kPa時(shí)，耳咽管會(huì)因收縮而自動(dòng)打開，在外界氣壓降低的情況下，中耳和外部氣壓不平衡即得以消除，則不會(huì)作用于鼓膜

22、的兩邊。而當(dāng)外界氣壓增高時(shí)，鼻咽腔隨之增高的氣壓不會(huì)自動(dòng)傳到中耳。因此在耳膜的兩邊產(chǎn)生壓力差。在這種情況下必須通過吞咽、打呵欠或擠捏鼻子等動(dòng)作來人為地開啟耳咽管，以消除耳膜兩邊的不平衡壓力。因此，也有采用特定時(shí)間內(nèi)（3s或4s）壓力單調(diào)變化值作為瞬變壓力波動(dòng)特征參數(shù)，其“特定時(shí)間”，即3s或4s，正是自動(dòng)或人為地（通過生理反應(yīng)）開啟耳咽管，建立中耳和外界的壓力平衡所需要的時(shí)間。,2020/8/25,荷蘭采用的舒適度標(biāo)準(zhǔn),2020/8/25,ERRI 和UIC采用的舒適度準(zhǔn)則,2020/8/25,R.G.Gawthorpe舒適度準(zhǔn)則,2020/8/25,我國(guó)高速鐵路舒適度準(zhǔn)則的建議 (西南鐵科院

23、),2020/8/25,輔助坑道對(duì)壓力變化的作用,合理設(shè)置的輔助坑道（斜井、豎井和橫洞）能緩解壓力波動(dòng)的程度。 計(jì)算表明，豎井位置對(duì)減壓效果的影響很大，并不是設(shè)置在任何位置的豎井都能有很好的效果根據(jù)壓力波疊加的情況可以理論地得到豎井的最佳位置：,,2020/8/25,隧道口的微氣壓波問題,搞速列車進(jìn)入隧道，前方的空氣受到擠壓，這種擠壓狀態(tài)以聲速傳播至隧道出口，驟然膨脹，產(chǎn)生一個(gè)被稱為微氣壓波的次生波。由于微氣壓波的產(chǎn)生伴有影響環(huán)境的爆破噪聲，并會(huì)對(duì)鄰近建筑物產(chǎn)生危害 。 日本山本（A.Yamamoto）基于線形聲學(xué)理論，通過低頻遠(yuǎn)場(chǎng)假設(shè)對(duì)微氣壓波進(jìn)行的研究，微氣壓波主要取決于列車進(jìn)入隧道誘發(fā)的

24、第一個(gè)壓縮波，得出了微氣壓波峰值同首波傳遞到隧道出口處時(shí)的壓力梯度（波前梯度）最大值的關(guān)系：,的關(guān)系：,,2020/8/25,首波計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式（日本新干線） 日本新干線對(duì)列車進(jìn)入隧道誘發(fā)的“第一壓縮波”（首波）壓力變化近似地用下式表示： 日本新干線對(duì)列車進(jìn)入隧道誘發(fā)的“第一壓縮波”（首波）壓力變化近似地用下式表示： 壓力和壓力梯度的最大值近似地分別同車速的平方和立方成正比。相應(yīng)地，隧道出口為氣壓波峰值也同車速的立方成正比,,,,,,2020/8/25,2020/8/25,2020/8/25,2020/8/25,首波在傳播過程中的變化 板式道床情況 對(duì)碎石道床，在利用山本公式計(jì)算微氣壓波峰

25、值時(shí)，還要考慮壓縮波沿隧道傳遞時(shí)的衰減。從隧道進(jìn)口到出口，壓縮波的衰減可表示為： 當(dāng)車速為200220km/h，可取=1.8110-4,,2020/8/25,板式道床的情況則比較復(fù)雜。研究表明，壓縮波在板式道床隧道中的傳播規(guī)律同在碎石道床隧道中的情況有所差別，在碎石道床隧道中，不但“首波”峰值有較明顯的衰減。而且壓力變化梯度在傳播過程中逐漸變得平緩。而對(duì)于板式道床，當(dāng)隧道長(zhǎng)度增加時(shí)，壓力梯度反而有一定程度的加大。小澤智等人對(duì)日本新干線隧道的統(tǒng)計(jì)資料表明，碎石道床隧道微壓波的最大值隨隧道長(zhǎng)度的增加而降低（“首波”峰值和梯度均有明顯衰減）。相反，板式道床隧道的微壓波最大值隨長(zhǎng)度的增加反而有所上升

26、，直至隧道長(zhǎng)度超過某一限度（68km），其值才隨隧道長(zhǎng)度的增加而降低。,2020/8/25,2020/8/25,這種現(xiàn)象同聲速有關(guān)?？諝庵械穆曀僦饕Q于溫度。 壓縮波向前傳播的過程中空氣的密度和溫度隨之增加，引起聲速的提高。壓縮波的后部比前端傳播得更快。在板式道床不能象碎石道碴那樣能有效地消除這種影響，因此，在壓縮波傳播的過程中，波前梯度會(huì)逐漸增加，波形變陡。當(dāng)入口波梯度較大以及隧道較長(zhǎng)時(shí)，這種效應(yīng)會(huì)十分顯著。,2020/8/25,8、緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)壓力及其梯度的影響,可以將緩沖結(jié)構(gòu)的形式按斷面變化的規(guī)律分為兩類：斷面漸變形以及斷面突變形。從理論上說，斷面漸變形緩沖結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有較好的效果。M.S.Howe從理論上論證了“優(yōu)化”的緩沖結(jié)構(gòu)，其凈空斷面隨長(zhǎng)度的變化應(yīng)有以下規(guī)律：,,2020/8/25,緩沖結(jié)構(gòu)的形狀對(duì)減壓效果的影響不大,2020/8/25,最佳開口率為0.3左右,2020/8/25,Ah/At=1.5-1.6時(shí)效果最佳,2020/8/25,對(duì)不開口的封閉型緩沖結(jié)構(gòu)，當(dāng)長(zhǎng)度超過2d時(shí)緩解效果不再有進(jìn)一步的明顯改善,2020/8/25,9、隧道空氣動(dòng)力學(xué)問題的研究思路,