关于隧道空气动力学效应造成地铁列车客室压力变化的探讨与建议

2021-07-12宋剑伟

铁道机车车辆 2021年3期

宋剑伟

（深圳市地铁集团有限公司，广东深圳518026）

轨道交通作为我国城市公共交通的一种重要运输方式，其运量大、速度快、全天候的特点已经成为人们日常出行的优选方式。各大城市鼓励优先发展轨道交通，通过拓展和完善城市轨道交通运输网络，可以有效疏通交通流量，解决城市交通拥堵问题［1］。地铁作为轨道交通主要的实现方式，其建设要求已经逐渐从节能、环保、安全的层面提高到满足乘客舒适性、提供更优质服务的层面，随着乘客对服务质量要求的提高，提高乘客舒适性迫在眉睫［2-3］。

1 研究背景

目前“一小时都市圈”的城市发展目标，设计速度为80 km/h的地铁速度等级已经逐渐不能满足城市覆盖范围要求，随着设计速度100 km/h、120 km/h等较高速度等级地铁的建设，一些在低速下被忽略的地铁隧道空气动力学问题逐渐暴露出来。地铁列车在高速运行时，由于外界空间环境的改变，导致列车客室压力瞬间发生较大变化，引起乘车人员出现耳鸣、耳痛等不适，影响了乘车舒适度，并且对列车的安全性具有潜在危害［4-5］。

某城市新建地铁线路列车最高速度100 km/h，全线集高架线路、地下隧道、山体隧道于一体，且列车在运行过程当中，多次进行高架—隧道线路转换。在试运行阶段，随车人员发现在列车运行过程中经过隧道区间段时存在耳鸣、耳痛等不舒适感，在前进方向为正方向的尾车车门附近区域能够听到明显的啸叫声，并且尾车个别车门中间胶条下端出现短暂抖动分离现象。通过观察分析，判断该现象为列车在经过高架—隧道线路情况变化、隧道断面突变运行时，车辆内外压力变化引起的不适，并造成客室车门稳定性下降。上述现象将会对乘坐体验造成不良影响，并且列车高速运行中列车尾端门页持续闪缝震动影响部件寿命。文中通过对此问题进行讨论研究，分析了产生该现象的原因，并提出了改善建议。

2 空气动力学评价分析

作为有限空间内的细长体绕流问题，隧道中运行的地铁列车在空气动力学方面其流场结构复杂，车外压力波动性明显，且可通过车体孔缝致使车内压力变化，引起人体对压力变化的感知，极大程度影响了乘客的舒适性。

2.1 压力舒适度及压力变化评定标准

因个体差异性的存在，每个人对空气压力变化的感受不同，即使同一个人在同样的空气压力变化情况下，由于健康状态、环境感受、身心状态等体感、情感因素的改变，仍然会有不同感受。同时，人耳在感受空气压力升高方面尤为敏感，特别对于升降大而缓慢的变化更为明显，这些人体所感受到的压力舒适度变化归结于空气波动幅值的大小。

当客室内压力变化率超过一定限定值时，会引起乘车人员耳部不适，降低乘车舒适度。通常，一个健康的人在承受1 000 Pa/s的压力波动的情况下，耳部生理症状不会产生严重影响［6］，对于长时间经受高变化率压力波动的司乘人员，还可能会对耳部功能造成不可逆的伤害。因此，国内外在空气压力变化对人体舒适度造成的影响展开过不同程度的研究，并且对于压力变化的研究成果也制定了不同的评价标准［2］。一些发达国家通过压力变化幅值和压力变化率来进行评价，制定了适合本国人群的指标，见表1。国内在借鉴国外研究成果的同时，经过一定的试验和经验，在部分标准中对这2项评价标准作出规定，见表2。

表1 国外车内压力控制标准

表2 国内部分车内压力控制标准

2.2 空气压力波动理论分析

由列车缝隙传入列车客室内部而产生的压力波动，造成了车内人员的不适［7-8］。因此，通过泄漏模型对列车密封效果的研究，可以对列车内部压力变化率进行数值计算。

利用线性原理，假定列车内部压力变化率与列车内外压差成正比，为式（1）：

式中：Pin为列车内部压力，Pa；Pe为列车外部压力，Pa；τ为列车密封指数，s；Δt为时间长度，s。密封指数τ指在封闭车厢内充至指定压力降至目标压力所需的时间，时间越长密闭性越好，可经泄漏试验测得试验数据。

同时，根据目前现有研究成果［6，9］，列车车体外表面压力变化幅值可通过计算关系式：

式中：ΔP为列车车体外表面压力变化幅值，Pa；ρ为空气密度，kg/m3；v为列车运行速度，m/s；β为阻塞比。

通过上述两个计算公式可知，列车客室空气压力变化率与列车外部压力成正比，与列车密封指数成反比；列车车体外表面压力变化幅值与列车阻塞比成正比，与列车速度的平方成正比。

由此可知，通过减小列车外部压力、改善列车密封性、减小阻塞比、降低列车速度等方面进行控制，可以改变列车内部压力变化率和列车车体外表面压力变化幅值，进而提高乘车舒适度［7-8，10］。

3 线路试验分析

针对此新建地铁线路在试运行阶段存在的引起人员耳部不适的现象，为了能够准确掌握列车在不同条件下客室压力的变化情况，为了能够准确分析影响因素及提出改进措施，对此选取列车进行试验测试。

3.1 测点布置

为了准确分析列车内外压力变化，在选定列车的1车、2车、6车内部，1车、6车的司机室侧窗（双侧）、2号门（双侧）、5号门（左侧）、新风口及废排口，2车2号窗（双侧）进行测点布置，见表3。

表3 列车测点布置图

3.2 试验工况设置

由于本线路为已完工线路，线路阻塞比已为定值，所以通过改变阻塞比的方式进行优化调整的方案不可行，但不影响其作为分析因素。因此，本次试验工况的从列车速度、新风口及废排口的开闭、车门结构调整作优化对比考虑，分析各因素所产生的的效果如何。工况设置见表4。

表4 试验工况设置

3.3 试验工况对比

首先，列车以ATO模式由车站1运行至车站15，对在正常行驶状态下的车外压力变化进行试验记录。经试验记录，以1车2号车门处压力变化为例，得到车外压力曲线如图1所示。

图1 1车2号门车外压力曲线

由图1可知，有5个区段压力变化值较为严重，分别为车站1至车站2区间，车站3至车站4区间，车站8至车站9区间，车站9至车站10区间，车站10至车站11区间，并且车辆左侧压力幅值变化要大于右侧压力幅值变化。

3.3.1 阻塞比的影响

为了具体分析车外压力突变的原因，特选取车站4至车站3区间，以工况4的方式进行进一步验证。在此区间运行时，列车依次经过矩形隧道（425 m）、圆形隧道（2 228 m，含通风井）、矩形隧道（37 m）、单洞单线马蹄形隧道（211 m）、单洞双线马蹄形隧道（392 m，中间设有隔墙）。发现车外压力在各类型隧道区间的变化值存在差异，如图2、图3所示。