高速列车隧道压力波对周边设施影响机理分析

唐国梅 吴永深 鞠静静 韩运动

摘 要：本文利用计算流体动力学（CFD）方法，建立了列车通过隧道的三维计算模型，采用动网格的方法模拟列车通过隧道的过程，并将数值计算的结果与线路测试结果进行了比对，压力峰峰值误差为2.3%，二者吻合较好。研究了列车在通过隧道过程中隧道压力波对周边设施的影响，包括隧道压力波的形成和传播机理分析，隧道压力波对隧道壁面的影响分析、隧道压力波对山体壁面的影响机理分析、隧道出口微气压波产生机理分析以及列车通过隧道的列车风现象，研究结论为铁路沿线隧道的工程设计提供参考。

关键词：高速列车；压力波；微气压波；列车风；数值模拟

中图分类号：TB     文献标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.16723198.2024.04.085

0 前言

高速列车通过隧道是一种重要而典型的运行工况。在列车通过隧道的过程中，隧道内空气的压力会在极短的时间内发生剧烈波动，形成压力波动。压力波动在隧道内的传播产生了隧道压力波、洞口微气压力波等隧道空气动力学现象。在这些压力波以及隧道壁面的影响下，不仅会对列车的气动性能产生影响，同时由于相互作用，也会对隧道壁面以及隧道进、出口的山体等周边建筑产生重要影响。

刘璐等采用实车测试的方法对列车隧道交会压力波特性进行了研究，得到交会压力波的时频特性、主要參数值及其与车速的关系、交会压力波对车体侧壁振动的激励作用。王磊等对通过模拟单车过隧道工况对国内数值仿真软件进行了对比验证研究。骆建军等对三种洞内缓冲结构形式的长隧道洞内外的气动效应进行模拟分析。日本学者Ozawa、Yamamoto等分别对隧道微气压波现象进行了分析研究，并提出了减缓微气压波的工程措施，这可看作微气压波的早期研究。李志伟研究了横通道截面积对微气压波的影响。研究表明：竖井截面形状对微气压波并不产生显著影响。增大竖井截面积有助于降低微气压波强度。张竹青分析了竖井数量对微气压波的影响。研究表明：对于大断面竖井，增加竖井数量并不能进一步降低微气压波。刘超分析了竖井高度对微气压波的影响。研究表明：微气压波强度随竖井高度增加而增加，当竖井高度超过某临界值，微气压波强度不再变化。截面积有助于降低微气压波。赵宇分析了竖井形状和位置对微气压波的影响。从以上国内外关于隧道压力波的调研分析可知，目前国内外对于隧道压力波的研究多注重对列车本身的影响分析，而对于隧道周边设施的分析研究较少。

本文利用计算流体动力学（CFD）方法，研究列车在通过隧道过程中的隧道压力波的相互影响，为铁路沿线隧道的工程设计提供参考。

1 数值计算方法

1.1 计算模型搭建

列车计算外形如图1所示。计算模型进行了适当的简化处理，采用头车+中间车+尾车三节编组的计算模型，包含中间车体、风挡、转向架以及转向架舱等重要结构。

隧道及山体外形的计算模型如图2所示。隧道长度为200m，隧道横截面的形状近似为半圆形，截面积S=70m2。在隧道的入口和出口之外，分别有如图所示形状的墙壁（山体）。图3是整个计算流场的示意图。

1.2 网格分区划分

本文的流场计算采用了多块混合网格分布。整个流场共分为两部分，分别是包围列车的近场网格以及隧道内的空间网格（外场网格）。近场网格中，在列车的转向架和转向架舱附近采用了非结构网格，其余部分使用结构网格；外场网格则全部是结构网格如图4所示。全流场的计算网格约3000万。图5为隧道内部的表面网格，图6为头车的表面网格，图7为转向架的表面网格。

1.3 边界条件设置

数值计算中，将列车前方、后方及顶部等流场边界设定为压力远场边界条件，列车表面设为移动壁面条件，壁面移动速度的大小和方向与列车行驶速度相同。隧道、隧道两端壁面以及地面设为静止壁面条件。流场流动的初始速度为列车行驶速度，初始压力为101325Pa，温度为300K。

1.4 测点布置说明

隧道壁面、隧道内部空间以及隧道出口山体压力测点布置示意图分别如图8～10所示。各测点的具体坐标在此不再赘述。

2 数值模拟结果分析

2.1 隧道压力波对隧道壁面的影响分析

图11是列车以不同车速通过隧道过程中，高度z=1.75m沿x方向各个测点的最大压力波强度。图中x=0m表示隧道进口，x=200m表示隧道的出口。由图15可知，隧道承受的最大压力波强度为33kPa/s，发生的位置位于距离隧道出口5m处。另外由不同车速下的计算结果比较可知，随着车速的增加，压力波的强度也会明显增加，当车速达到400km/h，压力波强度最强的已经超过了40kPa/s。

2.2 隧道压力波对山体壁面的影响机理分析

高速列车在穿越隧道的过程中，压力波会对隧道的进口、出口以及隧道内部壁面进行冲击，损坏隧道建筑的结构。图12为列车在隧道行驶过程中，位于隧道进口中心正上方7.42m山体表面的一个测点处压力随时间变化，其中横坐标t=0表示为车头进入隧道进口端的时刻，由车速和列车长度可以得到车尾进入隧道进口端的时刻为t=0.81s。从图13可以看出，隧道进口端壁面上的压力会发生剧烈变化，其受到冲击主要集中在从车头进入隧道到车尾进入隧道的过程。

图13为列车在隧道行驶过程中，位于隧道出口中心正上方7.42m山体表面的测点74处压力随时间变化。与隧道进口端类似，出口端受到冲击的过程主要集中在从列车车头驶出隧道到列车车尾驶出隧道的时间内。与进口端相比，出口端的压力波幅值更大，强度也更大。

图14是隧道进口端和出口端山体所受压力波强度与到隧道中心距离的关系，可以看出在列车通过隧道时，隧道进口和出口都会受到压力波的极大冲击，在距离出口中心距离7m左右处，压力波的强度（即ΔP/Δt，本文将其定义为描述压力波强弱的量）超过了35kPa/s另外，列车驶出隧道比进入隧道产生的压力波强度更大。

2.3 隧道出口微气压波产生机理分析

高速列车头部驶入隧道瞬间，在车头前會产生压缩波。该压缩波以当地声速向隧道出口端方向传播，到达隧道出口端时，大部分向隧道内反射变成膨胀波，另一小部分自隧道出口端向洞外辐射出去，形成脉冲波，即所谓的微气压波。如果出口端的微气压力波足够强，会发出强烈的空气爆炸声，引起周围房屋的门窗的振动，即所谓的声爆现象。

从微气压波产生的过程来看，影响微气压波的主要有三个因素，即高速列车车头驶进隧道进口端瞬间产生的初始压缩波；初始压缩波在隧道内传播过程中的变形；传播到隧道出口端处的压缩波的作用。

图15 列车驶进隧道时车头前方压缩波的形成过程（380km/h）

图15给出了列车驶进隧道时头车压缩波的形成过程。由图20可知，在压缩波形成的初始阶段，在向前传播的同时，压缩波的幅值不断增大，而压缩波的作用时间变化不大，从波峰到波谷作用时间大约是0.11s，初始阶段的压缩波幅值约1400Pa，表明隧道进口端的初始压缩波是强度很高的压力波。

一般来说，在隧道的出口端，压缩波的波形和隧道进口端初始压缩波的波形是不同的，这是由于传播过程受到了各种干扰。除了隧道壁面的摩擦效应和压缩波的非线性特性之外，隧道内的避车洞、竖井、斜井等辅助坑道造成的干扰，甚至路基也会产生影响。本文没有涉及后面这些因素，因此隧道长度就成为影响压缩波波阵面的重要因素。

当压缩波传播到隧道中点时，与初始压缩波相比，压缩波的幅值已经有了明显的增大。此时的压力波在向隧道出口传播的过程中会逐步衰减（幅值变小），但波形和波的作用时间基本维持不变，将会对隧道出口的微气压波产生影响。

3 结论

本文利用计算流体动力学（CFD）方法，研究列车在通过隧道过程中的隧道压力波的相互影响，可以获得如下结论：

（1）车头前方压缩波和车尾膨胀波形成后，不断在隧道内传播反射，影响着隧道壁面和列车表面压力的变化。这一膨胀波的波阵面，形成过程与车头压缩波波阵面的形成过程类似，膨胀波沿环状空间向车头及隧道出口方向传播，当传播到隧道出口处会产生新的压缩波向洞内反射，并向隧道进口端方向传播。该膨胀波和车头处产生的压缩波类似，会在隧道内传播并不断反射，直至能量被完全消耗。

（2）在列车通过隧道时，隧道进口和出口都会受到压力波的极大冲击，在距离出口中心距离7m左右处，压力波的强度超过了35kPa/s另外，列车驶出隧道比进入隧道产生的压力波强度更大。

（3）微气压波的幅值与距离X成反比；与距离Z的关系，则是先增加，然后迅速减弱。在压缩波形成的初始阶段，在向前传播的同时，压缩波的幅值不断增大，而压缩波的作用时间变化不大，从波峰到波谷作用时间大约是0.11s，初始阶段的压缩波幅值约1400Pa，表明隧道进口端的初始压缩波是一个强度很高的压力波。

（4）列车以380km/h通过隧道时，在距离列车侧壁2.8米处列车风的速度可达11级，对隧道内的作业人员和设备构成威胁。

参考文献

［1］Jakub Novak.Single Train Passing Through a Tunnel[J].European Conference on Computational Fluid Dynamics，2006.

[2]刘璐，高品质.高速列车隧道交会压力波特性分析.交通运输工程与信息学报，2015，13（4）：9095.

[3]王磊，万晓艳，余南阳，等.隧道单车压力波数值模拟验证研究[J].土木工程学报，2006，39（12）：104107.

[4]骆建军，马伟斌.高速铁路长隧道内缓冲结构的气动效应分析[J].中国铁道科学，2016，37（2）：4855.

[5]李志伟.辅助工程措施对隧道空气动力效应影响的研究[J].中南大学，2007.

[6]赵宇.高速铁路隧道竖井形状和面积对气动效应的影响研究.西南交通大学，2007.

[7]赵宇，王有凯，朱伶俐，等.高速铁路隧道通风竖井对气动效应的影响研究[J].河南理工大学学报：自然科学版，2009，27（5）：577581.

[8]张竹清.高速铁路隧道竖井位置和个数对隧道流场影响的数值模拟[J].西南交通大学，2006.