隧道长度对高速列车车内外气压特性影响

中车青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心 / 林松 王宗昌 单修洋 中南大学轨道交通安全教育部重点实验室 / 熊小慧

引言

列车高速通过隧道产生的压缩波和膨胀波以接近声速在隧道内不断传播、反射和叠加，速度越高，压力波动越剧烈。压力波动传送至车厢内部，使车内气压发生变化，当该压力波动值超过一定限度时，会对乘客舒适性造成不利影响。Nam等通过现场试验，发现隧道长度与隧道内压力波动呈非单调关系；陈厚嫦等通过实车试验研究时速350km列车通过不同长度隧道时的气动效应发现隧道长度小于3000m时，车内外压力变化峰值随隧道长度的增加而增加。

目前，国内外专家针对列车通过隧道时引起的气压波动做了很多研究工作，但缺少针对400km/h下隧道长度对列车气压特性影响的系统研究。本文采用数值仿真计算方法重点研究了列车以400km/h单车通过隧道过程中，隧道长度等对车体内外气压特性的影响规律，分析了车内气压波动对司乘人员人耳舒适性的影响，为高速列车舒适度研究提供技术支撑。

1 数值模拟

1.1 数学模型和计算方法

计算选取的列车速度分别为380km/h，400km/h和420km/h，马赫数均大于0.3，采用高雷诺数湍流模型数值求解列车外部三维非定常湍流流动。

1.2 计算工况、网格及测点布置

根据BS EN 14067-5，列车380km/h，400km/h和420km/h速度对应的最不利隧道长度分别为689m、630m和578m，同时结合800m、1000m、2000m、3000m、4000m、5000m、6000m等不同长度隧道工况进行计算，并用动模型进行验证。

2 试验验证

选取κ-ε-standard、κ-ε-rng、κ-ω- standard、κ-ωsst四种湍流模型，采用100m2双线隧道，按1：20模型以速度400km/h分别进行数值模拟。

结果表明：κ-ε-standard、κ-ε-rng、κ-ω-standard、κ-ω-sst四种湍流模型计算结果与动模型试验结果相对偏差分别为5.64%，5.54%，7.05%和0.95%，利用κ-ω-sst湍流模型计算结果最接近试验结果。本文采用κ-ω-sst湍流模型计算列车400km/h通过隧道时受到的气动力。

3 结果和分析

3.1 车外压力变化规律研究

3.1.1 隧道长度对车外气压特性的影响

计算结果表明，列车以400km/h通过600m、1000m和5000m隧道时，车外压力分别754.9Pa，780.0Pa，977.0Pa。其中，通过600m和1000m隧道时，压力正峰值基本一致；通过5000m隧道时，压力正峰值与通过600m隧道时相差22.8%。

图1 为不同速度通过不同长度隧道时车外压力变化幅值的对比。由图1可知：列车以380km/h，400km/h和420km/h分别通过相应最不利长度689m、630m和578m隧道时，车外压力变化幅值最大，符合BS EN 14067-5 要求；以不同速度通过1000m隧道时，压力变化幅值最小；以不同速度通过1000m以上隧道时，压力变化幅值先增大后逐渐减小，趋于平稳；不同速度下，压力变化幅值受隧道长度的影响趋势基本相同。

图1 隧道长度对车外压力变化的影响图

3.1.2 列车速度对车外气压特性的影响

通过仿真计算可知，列车通过600m、3000m、5000m和6000m隧道时，压力变化幅值分别与速度的2.45，1.90，1.86，1.90次方呈正相关；且随着速度的增加，车外压力变化幅值呈递增趋势。

3.2 车内压力变化规律研究

根据TB/T3250-2010：250km/h＜V≤350km/h，车内外压力差由4000Pa降至1000Pa的时间≥50s，静态密封指数为36s，动态气密指数一般为静态指数1/3～1/2。

3.2.1 隧道长度的影响

图2 给出了列车以400km/h通过不同长度隧道、气密指数22.5s条件下，车厢内的压力变化幅值在不同时间间隔内的分布特性。由图2可以看出：车内1s压力变化幅值与隧道长度基本无关；车内3s、4s和10s压力变化幅值均先升高后降低；车内30s压力变化幅值随隧道长度的增加有减小的趋势；在全过程中，车内压力变化幅值随着隧道长度的增大而增大。

图2 隧道长度对车内压力变化的影响图

3.2.2 气密性的影响

由图2可知：列车以400km/h通过较短隧道，车内气压无充足时间对车外压力变化做出反应，车内压力变化幅值差别较小；通过较长隧道时，压力波在传播过程中发生衰减，随着隧道长度的增加，压力变化幅值呈减小趋势，其中通过2000m隧道时，压力变化幅值最大。通过对400km/h通过2000m隧道、气密指数对车内压力变化幅值的影响的研究，气密指数相同时，时间越长，压力变化幅值越大；随着气密指数的提高，压力变化幅值均下降，且下降速率递减。

3.2.3 列车速度的影响

图3 给出列车以不同速度通过2000m长度隧道时，不同时间间隔和不同气密指数下车内压力变化幅值，其中，红色水平虚线为UIC 660中人耳舒适性的标准值。由图3可以看出：

图3 速度对车内不同时间间隔压力变化幅值的影响图

（1）随着列车速度的增大，车内压力变化幅值均增大；

（2）气密指数≥22.5s，若不同时间间隔内压力变化幅值均符合UIC标准，列车速度需≤400km/h；气密指数≥30s，列车以380km/h、400km/h和420km/h通过隧道时，车内不同时间间隔内压力变化幅值均符合UIC标准。

3.3 舒适性评价

通过对列车400km/h通过不同长度隧道，不同气密指数、不同时间间隔车内压力变化幅值与UIC人耳舒适性标准的对比研究发现：气密指数为12s，通过2000m及以上长度隧道时，车内10s和全过程压力变化不满足标准；气密指数为22.5s，通过4000m及以上长度隧道时，车内全过程压力变化不满足标准；气密指数为36s，通过6000m及以上长度隧道时，车内全过程压力变化不满足标准；气密指数为43.3s，通过6000m及以下长度隧道时，车内压力变化满足标准。

不同气密指数、通过不同长度隧道时，车内1s和3s压力变化幅值均满足压力舒适性要求，但随着隧道长度的增加，车内压力则需较长时间适应车外的压力变化，车内压力值升高，导致长时间间隔内的压力值不满足压力舒适度标准，对舒适性造成负面影响。

4 结论

（1）数值计算数据与动模型试验相差0.95%，准确性较高，满足工程应用的要求。

（2）列车以400km/h通过隧道时，压力变化幅值沿隧道长度方向先增大后减小。

（3）列车速度越高，车内气压变化幅值越大；时间间隔越大，速度对车内压力变化幅值的影响越大。

（4）随着隧道长度的增大，车内1s压力变化幅值基本不变，3s、4s和10s压力变化幅值有先升高后降低的趋势， 30s压力变化幅值有减小的趋势，全过程中，压力变化幅值增大。

（5）列车400km/h通过较长隧道时，人耳舒适性主要受长时间间隔内的压力变化的影响。