高速列車通過隧道壓力波特性試驗研究*

何德華，陳厚嫦，張 超

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

專題研究

高速列車通過隧道壓力波特性試驗研究*

何德華，陳厚嫦，張 超

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

近年來，在多條高速線路上對各型高速列車進行了一系列隧道通過和隧道交會試驗?，F(xiàn)通過對這些空氣動力學實車試驗數(shù)據(jù)進行詳細分析，獲得了高速列車通過隧道和在隧道內交會過程中的壓力波特性，以及壓力波隨列車長度、運行速度和隧道長度等影響因素變化的規(guī)律。

列車空氣動力學；隧道壓力波；高速列車；實車試驗研究

過去幾年，我國鐵路迎來了一個蓬勃發(fā)展的機會，新建了大量高速鐵路，并研制了多種新型高速列車。運營速度已經(jīng)達到350 km/h或更高，試驗速度更是達到了486.1 km/h，空氣動力學也因此成為了鐵路運營的一項關鍵技術，并吸引了大量學者前來研究［1-5］。

對于壓力波問題，有很多學者從理論或模型試驗對其進行了深入研究，分析了高速列車通過隧道時壓力波的影響因素及其關系［1-13］。實車試驗是研究隧道空氣動力學的重要手段，其結果能真實反映列車運行時的空氣動力學性能。但受制于試驗條件，實車試驗做的很少，尤其是350 km/h以上的，因此，高速實車試驗研究的文章鮮有發(fā)表［3-12］。本文通過對近年來的空氣動力學實車試驗數(shù)據(jù)進行詳細分析，獲得了高速列車高速通過隧道和在隧道內交會的壓力波特性，以及壓力波隨列車長度、運行速度和隧道長度等影響因素變化的規(guī)律。

1 實車試驗概況

近年來，在石太（石家莊—太原）、廣深港（廣州—深圳—香港）、廣西沿海等多段高速線路上，利用在線實車測試系統(tǒng)對各型高速列車進行了一系列明線交會、隧道通過和隧道交會試驗。試驗類型包括聯(lián)調聯(lián)試、型式試驗、科學研究性試驗和綜合或專項試驗等，用于試驗的列車囊括CRH1、CRH2、CRH3和CRH5系列各型高速列車，分別有單列、重聯(lián)和長編組等工況［1-2］。列車空氣動力學在線實車測試系統(tǒng)主要由壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和工控機等組成。不同車型的測試系統(tǒng)會有細微差別，但系統(tǒng)構成是一樣的。一部分壓力傳感器裝在車內，以測試車內壓力變化，其他傳感器安裝在車體表面，以測試其靜壓，動車組通過隧道時，車體表面各位置壓力變化（壓力波）是本文的主要研究對象。

2 高速列車通過隧道時壓力波特性及規(guī)律分析

當列車進入隧道口時，隧道內的空氣受到列車頭部擠壓形成壓縮波，此壓縮波以聲速傳播至隧道出口，在隧道出口壓縮波突然膨脹轉換成膨脹波反射回隧道內，并以聲速沿隧道返回；當列車尾部進入隧道時情況正好與上述相反，首先形成的是一個膨脹波并以聲速傳播至隧道出口，在隧道出口處此膨脹波轉換成壓縮波并以聲速沿隧道返回。這兩種波是列車過隧道時引起隧道內壓力變化的主要因素，壓縮波與膨脹波在隧道口反復轉換與反射，如此形成了復雜的氣壓變化：車體表面任意一位置，方向相同的氣流疊加使氣壓幅值增加，方向相反的氣流疊加則使振幅減?。?-14］。

隧道壓力波波形的影響因素包括隧道長度、高速列車的頭型、長度、運行速度以及線間距、阻塞比等，本節(jié)對其中的隧道長度、高速列車長度和運行速度等幾個主要參數(shù)與壓力波的關系進行分析。

2.1 壓力波與隧道長度關系

高速列車通過隧道時會產(chǎn)生壓力波，并在隧道內傳播和反射。壓力波在隧道內的傳播速度為聲速，反射一次的時間為L/c，車在隧道內的時間為L/v，所以列車在隧道內遇到壓力波的次數(shù)為c/v次，可知列車在隧道內遇到壓力波的次數(shù)與隧道長度無關，可轉成無量綱來研究（L為隧道長度，c為聲速，v為車速）。但是如果要得到如圖1所示的典型壓力波波形，就得確保隧道有一定的長度，這個長度與列車速度和列車長度有關，可通過波的傳播和反射來計算［14］，通常為L＝（1－v/c）/4（v/c）2，這是因為隧道長度是決定高速列車進入隧道與遇到第一個和后續(xù)壓力波之間時間間隔的主要因素。在隧道長度相差不是太大而且沒有斜井、豎井等壓力波釋放設施的情況下，高速列車以相同速度通過不同長度隧道時同位置測點壓力波波形相似。圖1為動車組以350 km/h通過不同長度隧道時頭車中間窗邊位置壓力波的時間歷程圖，從圖中可以看出：盡管動車組表面上壓力變化所需時間和幅值取決于隧道長度，但是除去首個壓縮波和膨脹波后，把通過聲速傳播的各反射波變成時間無量綱之后發(fā)現(xiàn)波形幾乎一致，各反射波幾乎同時到達。圖2為高速列車以不同速度通過同一隧道時的典型壓力波曲線，理論上，波形在速度245 km/h時會有一個轉變。圖2顯示，速度200 km/h時的波形與速度為330 km/h的是不一樣的，速度更高時，壓力波少了一個上升和下降的循環(huán)。

為研究隧道長度對高速列車車外最大空氣壓力波峰峰值的影響，對17個不同長度雙線隧道的試驗數(shù)據(jù)進行了分析，這17個隧道的長度分布于409～4 775 m之間。高速列車以340 km/h的速度通過這些隧道時，車外測點壓力波峰峰值與隧道長度的關系如圖3所示。由圖3可知，在隧道長度為1 915 m以下時，車外壓力波峰峰值總體趨勢是隨隧道長度的增加而增加，然后趨于平穩(wěn)，這說明壓力波在無砟軌道中長隧道內的衰減并不明顯。

某CRH高速列車實測車內、外測點3 s壓力變化與隧道長度的關系如圖4所示。車內、外3 s最大值以某個隧道長度為界，達到極值，小于該長度時，車、內外3 s最大值隨著長度的增加而增大，過了該隧道長度后，車內、外3 s最大值都先是下降，然后趨于穩(wěn)定，其中，車外壓力3 s變化幅值的極值可用隧道壓力波一維理論推導出相關公式進行估算［1，13］。車內壓力3 s最大變化值極值及其對應的隧道長度則還與車體密封、新風調控、列車長度等因素有關。

2.2 壓力波與高速列車長度關系

有著相同頭型、不同長度單列與重聯(lián)高速列車通過隧道時產(chǎn)生的壓力波如圖5所示。不同長度動車組壓力波之間的主要差別體現(xiàn)在高速列車進入隧道時車體表面摩擦效應引起的壓力變化，重聯(lián)高速列車的第一個壓力上升（即進入隧道產(chǎn)生的第一個壓縮波）的時間和幅值都幾乎是單列車通過的兩倍。通常情況下其反射波也會更大，因此，高速列車長度越長，空氣動力學效應越激烈。試驗表明：重聯(lián)車或長編組列車的氣動效應要比單列車惡劣，產(chǎn)生的壓力波峰峰值通常要比單列車的大17%～19%左右［1-2］。圖5中，重聯(lián)高速列車過壓上升的中部有一個小的壓力下降，如圖中箭頭所示，但單列16輛編組列車沒有，這是由于高速列車重聯(lián)時兩頭型之間的空間所致。

2.3 壓力波與高速列車縱向位置前后位置關系

同一高速列車不同縱向位置的壓力波波形也存在差異。差別很好的體現(xiàn)在頭部、中部等截面部位和尾部，如圖6所示。

首先，壓力變化曲線的第一個壓力上升部分，頭部會產(chǎn)生一個明顯的壓力上升，頭車后部等截面部位的上升幅值要小得多，而列車其他部位沒有該壓力上升。這是由于高速列車頭部遇到的是靜止空氣，而高速列車后部遇到的是被高速列車與隧道之間黏性力加速了的空氣，越是靠后，其空氣速度越大，因此，壓縮波上升幅度也會越小。

其次，由于第一個壓力上升幅值的不同，以及所受尾部膨脹波和出口反射波的影響不完全一樣，不同斷面壓力波均值也不一樣。就現(xiàn)有各型高速列車而言，通過隧道時高速列車尾部測點產(chǎn)生的壓力波峰峰值通常比頭部測點的大，但具體大多少并無定論，與其頭型有關［1-2］，也有的型號動車組中間部位大。某型高速列車以相同速度通過同一隧道時，各車廂中部壓力波峰峰值隨列車縱向分布如圖7所示，1車為頭車，8車為中間車，16車為尾車，由圖可知，1、2和8車壓力波峰峰值大小相當，尾車明顯大于其他車。但當隧道長度小于一定長度時，會出現(xiàn)相反的規(guī)律，即，頭車壓力波峰峰值大于尾車。

2.4 壓力波與速度的關系

同一高速列車以不同速度通過同一隧道時動車組車頭外部測點的壓力波波形幾乎相同，只是變化幅度不同。速度低時列車在隧道內的時間更長，因此，遇到的反射波也多，以頭部為測點波形的后半段會稍有不同。需要注意的是想看到如圖1所示較為完整的第一個壓縮波和膨脹波及其第一個反射波，需要隧道長度超過一定值［14］。

不同速度下產(chǎn)生的壓力波變化峰峰值大小不一致，圖8為某高速列車通過某隧道時車外壓力波峰峰值與速度的關系圖，由圖8可知：高速列車通過試驗隧道時，車外壓力波峰峰值和車內外壓差最大值基本隨速度的提高而增加?；貧w分析之后可知車外壓力波峰峰值、車內壓力波峰峰值和車內壓力3s最大變化值基本上均與速度的1.8～3次方成正比［1-2］，在此不再一一列出。由此可見，高速列車運行速度是車內外最大空氣壓力波的重要影響因素之一。

3 高速列車在隧道內交會時壓力波特性

與高速列車通過隧道時相比，兩列高速運行的列車在隧道中交會時，隧道中空氣壓力波的傳播更為復雜，是兩列高速列車通過隧道產(chǎn)生壓力波的疊加。因此，除影響單列動車組隧道通過時壓力波的因素外，交會壓力波還受交會列車進入隧道的時間差影響，非常復雜。由于試驗數(shù)據(jù)里，具有相同條件，可用于對比分析的數(shù)據(jù)有限，只以交會壓力波與隧道長度的關系為例作簡要說明。

由2.1節(jié)可知，當隧道長度大于一定值后，高速列車通過隧道產(chǎn)生的壓力波與隧道長度關系不大。但是高速列車在隧道內交會則情況完全不同，因為這涉及到兩列高速列車產(chǎn)生的壓力波的疊加，隧道長度不一樣時，壓力波的疊加可能完全不同，因此，交會壓力波與隧道長度呈現(xiàn)出很強的非線性和不確定性。圖9給出了高速列車以相同速度在不同長度隧道內交會時交會壓力變化峰峰值與隧道長度的關系圖，圖中AL和2C表示兩種動車組型號，300 km/h和350 km/h為動車組試驗速度，由圖9可知，列車在不同長度隧道內交會產(chǎn)生的壓力波差異很大。由于試驗期間相同型號的動車組在不同長度的隧道交會的數(shù)據(jù)很少，并不便于得到交會壓力波與隧道長度的完全曲線關系，更多的規(guī)律還需通過仿真計算來獲取。

隧道交會氣動效應影響因素眾多，影響最大的為高速列車編組長度、運行速度和隧道長度，以及兩列高速列車進入隧道的時差，只要其中一個因素稍有變化，壓力波的疊加可能就完全不同，因此，交會壓力波的基本規(guī)律很難完全掌握，但最不利交會工況下的壓力波量化對于列車運行安全評估、車輛和隧道設計等都有非常重要的意義，可參考相關計算方法進行研究［1］。

4 結 論

（1）隧道通過壓力波與隧道長度、列車速度、列車長度等因素的關系顯著；

（2）列車通過隧道工況下，在小于一定長度時，隧道通過壓力變化峰峰值隨著隧道長度的增加而增大，一定隧道長度后趨于平穩(wěn)；車內、外3 s峰極峰值則均存在一個極值點；高速列車長度越長，壓力波峰峰值越大，重聯(lián)車大約是單列高速列車的1.17～1.19倍；壓力變化峰峰值隨列車縱向位置從頭至尾遞增；列車高速（245 km/h以上）通過隧道時的波形不同于低速時的波形；

（3）隧道交會壓力波影響因素復雜，主要有隧道長度、高速列車長度和交會位置（進入隧道時間差），呈現(xiàn)出很強的不確定性。

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［2］ 中國鐵道科學研究院，廣州鐵路集團公司，武漢鐵路局，等.武廣客運專線隧道氣動效應試驗研究報告：TY字第2704號［R］.北京：中國鐵道科學研究院，2009.

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［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

*原鐵道部科技研究專項任務計劃（Z2009-073）

5—）男，研究實習員（

2014－06－18）