高速列车通过隧道压力波特性试验研究*

何德华，陈厚嫦，张 超

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

专题研究

高速列车通过隧道压力波特性试验研究*

何德华，陈厚嫦，张 超

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

近年来，在多条高速线路上对各型高速列车进行了一系列隧道通过和隧道交会试验。现通过对这些空气动力学实车试验数据进行详细分析，获得了高速列车通过隧道和在隧道内交会过程中的压力波特性，以及压力波随列车长度、运行速度和隧道长度等影响因素变化的规律。

列车空气动力学；隧道压力波；高速列车；实车试验研究

过去几年，我国铁路迎来了一个蓬勃发展的机会，新建了大量高速铁路，并研制了多种新型高速列车。运营速度已经达到350 km/h或更高，试验速度更是达到了486.1 km/h，空气动力学也因此成为了铁路运营的一项关键技术，并吸引了大量学者前来研究［1-5］。

对于压力波问题，有很多学者从理论或模型试验对其进行了深入研究，分析了高速列车通过隧道时压力波的影响因素及其关系［1-13］。实车试验是研究隧道空气动力学的重要手段，其结果能真实反映列车运行时的空气动力学性能。但受制于试验条件，实车试验做的很少，尤其是350 km/h以上的，因此，高速实车试验研究的文章鲜有发表［3-12］。本文通过对近年来的空气动力学实车试验数据进行详细分析，获得了高速列车高速通过隧道和在隧道内交会的压力波特性，以及压力波随列车长度、运行速度和隧道长度等影响因素变化的规律。

1 实车试验概况

近年来，在石太（石家庄—太原）、广深港（广州—深圳—香港）、广西沿海等多段高速线路上，利用在线实车测试系统对各型高速列车进行了一系列明线交会、隧道通过和隧道交会试验。试验类型包括联调联试、型式试验、科学研究性试验和综合或专项试验等，用于试验的列车囊括CRH1、CRH2、CRH3和CRH5系列各型高速列车，分别有单列、重联和长编组等工况［1-2］。列车空气动力学在线实车测试系统主要由压力传感器、数据采集系统和工控机等组成。不同车型的测试系统会有细微差别，但系统构成是一样的。一部分压力传感器装在车内，以测试车内压力变化，其他传感器安装在车体表面，以测试其静压，动车组通过隧道时，车体表面各位置压力变化（压力波）是本文的主要研究对象。

2 高速列车通过隧道时压力波特性及规律分析

当列车进入隧道口时，隧道内的空气受到列车头部挤压形成压缩波，此压缩波以声速传播至隧道出口，在隧道出口压缩波突然膨胀转换成膨胀波反射回隧道内，并以声速沿隧道返回；当列车尾部进入隧道时情况正好与上述相反，首先形成的是一个膨胀波并以声速传播至隧道出口，在隧道出口处此膨胀波转换成压缩波并以声速沿隧道返回。这两种波是列车过隧道时引起隧道内压力变化的主要因素，压缩波与膨胀波在隧道口反复转换与反射，如此形成了复杂的气压变化：车体表面任意一位置，方向相同的气流叠加使气压幅值增加，方向相反的气流叠加则使振幅减小［2-14］。

隧道压力波波形的影响因素包括隧道长度、高速列车的头型、长度、运行速度以及线间距、阻塞比等，本节对其中的隧道长度、高速列车长度和运行速度等几个主要参数与压力波的关系进行分析。

2.1 压力波与隧道长度关系

高速列车通过隧道时会产生压力波，并在隧道内传播和反射。压力波在隧道内的传播速度为声速，反射一次的时间为L/c，车在隧道内的时间为L/v，所以列车在隧道内遇到压力波的次数为c/v次，可知列车在隧道内遇到压力波的次数与隧道长度无关，可转成无量纲来研究（L为隧道长度，c为声速，v为车速）。但是如果要得到如图1所示的典型压力波波形，就得确保隧道有一定的长度，这个长度与列车速度和列车长度有关，可通过波的传播和反射来计算［14］，通常为L＝（1－v/c）/4（v/c）2，这是因为隧道长度是决定高速列车进入隧道与遇到第一个和后续压力波之间时间间隔的主要因素。在隧道长度相差不是太大而且没有斜井、竖井等压力波释放设施的情况下，高速列车以相同速度通过不同长度隧道时同位置测点压力波波形相似。图1为动车组以350 km/h通过不同长度隧道时头车中间窗边位置压力波的时间历程图，从图中可以看出：尽管动车组表面上压力变化所需时间和幅值取决于隧道长度，但是除去首个压缩波和膨胀波后，把通过声速传播的各反射波变成时间无量纲之后发现波形几乎一致，各反射波几乎同时到达。图2为高速列车以不同速度通过同一隧道时的典型压力波曲线，理论上，波形在速度245 km/h时会有一个转变。图2显示，速度200 km/h时的波形与速度为330 km/h的是不一样的，速度更高时，压力波少了一个上升和下降的循环。

为研究隧道长度对高速列车车外最大空气压力波峰峰值的影响，对17个不同长度双线隧道的试验数据进行了分析，这17个隧道的长度分布于409～4 775 m之间。高速列车以340 km/h的速度通过这些隧道时，车外测点压力波峰峰值与隧道长度的关系如图3所示。由图3可知，在隧道长度为1 915 m以下时，车外压力波峰峰值总体趋势是随隧道长度的增加而增加，然后趋于平稳，这说明压力波在无砟轨道中长隧道内的衰减并不明显。

某CRH高速列车实测车内、外测点3 s压力变化与隧道长度的关系如图4所示。车内、外3 s最大值以某个隧道长度为界，达到极值，小于该长度时，车、内外3 s最大值随着长度的增加而增大，过了该隧道长度后，车内、外3 s最大值都先是下降，然后趋于稳定，其中，车外压力3 s变化幅值的极值可用隧道压力波一维理论推导出相关公式进行估算［1，13］。车内压力3 s最大变化值极值及其对应的隧道长度则还与车体密封、新风调控、列车长度等因素有关。

2.2 压力波与高速列车长度关系

有着相同头型、不同长度单列与重联高速列车通过隧道时产生的压力波如图5所示。不同长度动车组压力波之间的主要差别体现在高速列车进入隧道时车体表面摩擦效应引起的压力变化，重联高速列车的第一个压力上升（即进入隧道产生的第一个压缩波）的时间和幅值都几乎是单列车通过的两倍。通常情况下其反射波也会更大，因此，高速列车长度越长，空气动力学效应越激烈。试验表明：重联车或长编组列车的气动效应要比单列车恶劣，产生的压力波峰峰值通常要比单列车的大17%～19%左右［1-2］。图5中，重联高速列车过压上升的中部有一个小的压力下降，如图中箭头所示，但单列16辆编组列车没有，这是由于高速列车重联时两头型之间的空间所致。

2.3 压力波与高速列车纵向位置前后位置关系

同一高速列车不同纵向位置的压力波波形也存在差异。差别很好的体现在头部、中部等截面部位和尾部，如图6所示。

首先，压力变化曲线的第一个压力上升部分，头部会产生一个明显的压力上升，头车后部等截面部位的上升幅值要小得多，而列车其他部位没有该压力上升。这是由于高速列车头部遇到的是静止空气，而高速列车后部遇到的是被高速列车与隧道之间黏性力加速了的空气，越是靠后，其空气速度越大，因此，压缩波上升幅度也会越小。

其次，由于第一个压力上升幅值的不同，以及所受尾部膨胀波和出口反射波的影响不完全一样，不同断面压力波均值也不一样。就现有各型高速列车而言，通过隧道时高速列车尾部测点产生的压力波峰峰值通常比头部测点的大，但具体大多少并无定论，与其头型有关［1-2］，也有的型号动车组中间部位大。某型高速列车以相同速度通过同一隧道时，各车厢中部压力波峰峰值随列车纵向分布如图7所示，1车为头车，8车为中间车，16车为尾车，由图可知，1、2和8车压力波峰峰值大小相当，尾车明显大于其他车。但当隧道长度小于一定长度时，会出现相反的规律，即，头车压力波峰峰值大于尾车。

2.4 压力波与速度的关系

同一高速列车以不同速度通过同一隧道时动车组车头外部测点的压力波波形几乎相同，只是变化幅度不同。速度低时列车在隧道内的时间更长，因此，遇到的反射波也多，以头部为测点波形的后半段会稍有不同。需要注意的是想看到如图1所示较为完整的第一个压缩波和膨胀波及其第一个反射波，需要隧道长度超过一定值［14］。

不同速度下产生的压力波变化峰峰值大小不一致，图8为某高速列车通过某隧道时车外压力波峰峰值与速度的关系图，由图8可知：高速列车通过试验隧道时，车外压力波峰峰值和车内外压差最大值基本随速度的提高而增加。回归分析之后可知车外压力波峰峰值、车内压力波峰峰值和车内压力3s最大变化值基本上均与速度的1.8～3次方成正比［1-2］，在此不再一一列出。由此可见，高速列车运行速度是车内外最大空气压力波的重要影响因素之一。

3 高速列车在隧道内交会时压力波特性

与高速列车通过隧道时相比，两列高速运行的列车在隧道中交会时，隧道中空气压力波的传播更为复杂，是两列高速列车通过隧道产生压力波的叠加。因此，除影响单列动车组隧道通过时压力波的因素外，交会压力波还受交会列车进入隧道的时间差影响，非常复杂。由于试验数据里，具有相同条件，可用于对比分析的数据有限，只以交会压力波与隧道长度的关系为例作简要说明。

由2.1节可知，当隧道长度大于一定值后，高速列车通过隧道产生的压力波与隧道长度关系不大。但是高速列车在隧道内交会则情况完全不同，因为这涉及到两列高速列车产生的压力波的叠加，隧道长度不一样时，压力波的叠加可能完全不同，因此，交会压力波与隧道长度呈现出很强的非线性和不确定性。图9给出了高速列车以相同速度在不同长度隧道内交会时交会压力变化峰峰值与隧道长度的关系图，图中AL和2C表示两种动车组型号，300 km/h和350 km/h为动车组试验速度，由图9可知，列车在不同长度隧道内交会产生的压力波差异很大。由于试验期间相同型号的动车组在不同长度的隧道交会的数据很少，并不便于得到交会压力波与隧道长度的完全曲线关系，更多的规律还需通过仿真计算来获取。

隧道交会气动效应影响因素众多，影响最大的为高速列车编组长度、运行速度和隧道长度，以及两列高速列车进入隧道的时差，只要其中一个因素稍有变化，压力波的叠加可能就完全不同，因此，交会压力波的基本规律很难完全掌握，但最不利交会工况下的压力波量化对于列车运行安全评估、车辆和隧道设计等都有非常重要的意义，可参考相关计算方法进行研究［1］。

4 结 论

（1）隧道通过压力波与隧道长度、列车速度、列车长度等因素的关系显著；

（2）列车通过隧道工况下，在小于一定长度时，隧道通过压力变化峰峰值随着隧道长度的增加而增大，一定隧道长度后趋于平稳；车内、外3 s峰极峰值则均存在一个极值点；高速列车长度越长，压力波峰峰值越大，重联车大约是单列高速列车的1.17～1.19倍；压力变化峰峰值随列车纵向位置从头至尾递增；列车高速（245 km/h以上）通过隧道时的波形不同于低速时的波形；

（3）隧道交会压力波影响因素复杂，主要有隧道长度、高速列车长度和交会位置（进入隧道时间差），呈现出很强的不确定性。

［1］ 中国铁道科学院机车车辆研究所.京沪综合试验研究总报告之空气动力学分报告，TY字第3074-1号［R］.北京：中国铁道科学研究院，2011.

［2］ 中国铁道科学研究院，广州铁路集团公司，武汉铁路局，等.武广客运专线隧道气动效应试验研究报告：TY字第2704号［R］.北京：中国铁道科学研究院，2009.

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［13］ 何德华.350 km/h高速动车组空气动力学仿真研究［D］.北京：中国铁道科学研究院，2011.

［14］ EN 14067-3.Railway applications-Aerodynamics-Part 3：Aerodynamics in tunnels［S］.

Test Study on Tunnel Pressure Wave for EMU

HE Dehua，CHEN Houchang，ZHANG Chao
（Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

In recent years，a series of passing through tunnel or crossing in tunnel tests for different types of high-speed trains were performed on several high-speed passenger dedicated lines.Test data were analyzed in detail，then pressure wave characteristics when EMU passing and crossing in tunnel and its change rule with the influence factors were obtained，such as train length，operating speed and tunnel length，etc.

train aerodynamic；tunnel pressure wave；high-speed train；full-scale test study

U260.11

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.05.04

1008－7842（2014）05－0017－04

*原铁道部科技研究专项任务计划（Z2009-073）

5—）男，研究实习员（

2014－06－18）