何德華，陳厚嫦，張 超

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)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(yàn)研究*

何德華，陳厚嫦，張 超

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

近年來，在多條高速線路上對(duì)各型高速列車進(jìn)行了一系列隧道通過和隧道交會(huì)試驗(yàn)。現(xiàn)通過對(duì)這些空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，獲得了高速列車通過隧道和在隧道內(nèi)交會(huì)過程中的壓力波特性，以及壓力波隨列車長(zhǎng)度、運(yùn)行速度和隧道長(zhǎng)度等影響因素變化的規(guī)律。

列車空氣動(dòng)力學(xué)；隧道壓力波；高速列車；實(shí)車試驗(yàn)研究

過去幾年，我國(guó)鐵路迎來了一個(gè)蓬勃發(fā)展的機(jī)會(huì)，新建了大量高速鐵路，并研制了多種新型高速列車。運(yùn)營(yíng)速度已經(jīng)達(dá)到350 km/h或更高，試驗(yàn)速度更是達(dá)到了486.1 km/h，空氣動(dòng)力學(xué)也因此成為了鐵路運(yùn)營(yíng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并吸引了大量學(xué)者前來研究［1-5］。

對(duì)于壓力波問題，有很多學(xué)者從理論或模型試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了深入研究，分析了高速列車通過隧道時(shí)壓力波的影響因素及其關(guān)系［1-13］。實(shí)車試驗(yàn)是研究隧道空氣動(dòng)力學(xué)的重要手段，其結(jié)果能真實(shí)反映列車運(yùn)行時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)性能。但受制于試驗(yàn)條件，實(shí)車試驗(yàn)做的很少，尤其是350 km/h以上的，因此，高速實(shí)車試驗(yàn)研究的文章鮮有發(fā)表［3-12］。本文通過對(duì)近年來的空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，獲得了高速列車高速通過隧道和在隧道內(nèi)交會(huì)的壓力波特性，以及壓力波隨列車長(zhǎng)度、運(yùn)行速度和隧道長(zhǎng)度等影響因素變化的規(guī)律。

1 實(shí)車試驗(yàn)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(shí)車測(cè)試系統(tǒng)對(duì)各型高速列車進(jìn)行了一系列明線交會(huì)、隧道通過和隧道交會(huì)試驗(yàn)。試驗(yàn)類型包括聯(lián)調(diào)聯(lián)試、型式試驗(yàn)、科學(xué)研究性試驗(yàn)和綜合或?qū)ｍ?xiàng)試驗(yàn)等，用于試驗(yàn)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(zhǎng)編組等工況［1-2］。列車空氣動(dòng)力學(xué)在線實(shí)車測(cè)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(jī)等組成。不同車型的測(cè)試系統(tǒng)會(huì)有細(xì)微差別，但系統(tǒng)構(gòu)成是一樣的。一部分壓力傳感器裝在車內(nèi)，以測(cè)試車內(nèi)壓力變化，其他傳感器安裝在車體表面，以測(cè)試其靜壓，動(dòng)車組通過隧道時(shí)，車體表面各位置壓力變化（壓力波）是本文的主要研究對(duì)象。

2 高速列車通過隧道時(shí)壓力波特性及規(guī)律分析

當(dāng)列車進(jìn)入隧道口時(shí)，隧道內(nèi)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(zhuǎn)換成膨脹波反射回隧道內(nèi)，并以聲速沿隧道返回；當(dāng)列車尾部進(jìn)入隧道時(shí)情況正好與上述相反，首先形成的是一個(gè)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(zhuǎn)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(shí)引起隧道內(nèi)壓力變化的主要因素，壓縮波與膨脹波在隧道口反復(fù)轉(zhuǎn)換與反射，如此形成了復(fù)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(zhǎng)度、高速列車的頭型、長(zhǎng)度、運(yùn)行速度以及線間距、阻塞比等，本節(jié)對(duì)其中的隧道長(zhǎng)度、高速列車長(zhǎng)度和運(yùn)行速度等幾個(gè)主要參數(shù)與壓力波的關(guān)系進(jìn)行分析。

2.1 壓力波與隧道長(zhǎng)度關(guān)系

高速列車通過隧道時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓力波，并在隧道內(nèi)傳播和反射。壓力波在隧道內(nèi)的傳播速度為聲速，反射一次的時(shí)間為L(zhǎng)/c，車在隧道內(nèi)的時(shí)間為L(zhǎng)/v，所以列車在隧道內(nèi)遇到壓力波的次數(shù)為c/v次，可知列車在隧道內(nèi)遇到壓力波的次數(shù)與隧道長(zhǎng)度無關(guān)，可轉(zhuǎn)成無量綱來研究（L為隧道長(zhǎng)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(zhǎng)度，這個(gè)長(zhǎng)度與列車速度和列車長(zhǎng)度有關(guān)，可通過波的傳播和反射來計(jì)算［14］，通常為L(zhǎng)＝（1－v/c）/4（v/c）2，這是因?yàn)樗淼篱L(zhǎng)度是決定高速列車進(jìn)入隧道與遇到第一個(gè)和后續(xù)壓力波之間時(shí)間間隔的主要因素。在隧道長(zhǎng)度相差不是太大而且沒有斜井、豎井等壓力波釋放設(shè)施的情況下，高速列車以相同速度通過不同長(zhǎng)度隧道時(shí)同位置測(cè)點(diǎn)壓力波波形相似。圖1為動(dòng)車組以350 km/h通過不同長(zhǎng)度隧道時(shí)頭車中間窗邊位置壓力波的時(shí)間歷程圖，從圖中可以看出：盡管動(dòng)車組表面上壓力變化所需時(shí)間和幅值取決于隧道長(zhǎng)度，但是除去首個(gè)壓縮波和膨脹波后，把通過聲速傳播的各反射波變成時(shí)間無量綱之后發(fā)現(xiàn)波形幾乎一致，各反射波幾乎同時(shí)到達(dá)。圖2為高速列車以不同速度通過同一隧道時(shí)的典型壓力波曲線，理論上，波形在速度245 km/h時(shí)會(huì)有一個(gè)轉(zhuǎn)變。圖2顯示，速度200 km/h時(shí)的波形與速度為330 km/h的是不一樣的，速度更高時(shí)，壓力波少了一個(gè)上升和下降的循環(huán)。

為研究隧道長(zhǎng)度對(duì)高速列車車外最大空氣壓力波峰峰值的影響，對(duì)17個(gè)不同長(zhǎng)度雙線隧道的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，這17個(gè)隧道的長(zhǎng)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(shí)，車外測(cè)點(diǎn)壓力波峰峰值與隧道長(zhǎng)度的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，在隧道長(zhǎng)度為1 915 m以下時(shí)，車外壓力波峰峰值總體趨勢(shì)是隨隧道長(zhǎng)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(zhǎng)隧道內(nèi)的衰減并不明顯。

某CRH高速列車實(shí)測(cè)車內(nèi)、外測(cè)點(diǎn)3 s壓力變化與隧道長(zhǎng)度的關(guān)系如圖4所示。車內(nèi)、外3 s最大值以某個(gè)隧道長(zhǎng)度為界，達(dá)到極值，小于該長(zhǎng)度時(shí)，車、內(nèi)外3 s最大值隨著長(zhǎng)度的增加而增大，過了該隧道長(zhǎng)度后，車內(nèi)、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(dǎo)出相關(guān)公式進(jìn)行估算［1，13］。車內(nèi)壓力3 s最大變化值極值及其對(duì)應(yīng)的隧道長(zhǎng)度則還與車體密封、新風(fēng)調(diào)控、列車長(zhǎng)度等因素有關(guān)。

2.2 壓力波與高速列車長(zhǎng)度關(guān)系

有著相同頭型、不同長(zhǎng)度單列與重聯(lián)高速列車通過隧道時(shí)產(chǎn)生的壓力波如圖5所示。不同長(zhǎng)度動(dòng)車組壓力波之間的主要差別體現(xiàn)在高速列車進(jìn)入隧道時(shí)車體表面摩擦效應(yīng)引起的壓力變化，重聯(lián)高速列車的第一個(gè)壓力上升（即進(jìn)入隧道產(chǎn)生的第一個(gè)壓縮波）的時(shí)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(huì)更大，因此，高速列車長(zhǎng)度越長(zhǎng)，空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)越激烈。試驗(yàn)表明：重聯(lián)車或長(zhǎng)編組列車的氣動(dòng)效應(yīng)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(gè)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(shí)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(guān)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(gè)壓力上升部分，頭部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(huì)越小。

其次，由于第一個(gè)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(shí)高速列車尾部測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的壓力波峰峰值通常比頭部測(cè)點(diǎn)的大，但具體大多少并無定論，與其頭型有關(guān)［1-2］，也有的型號(hào)動(dòng)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(shí)，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(dāng)，尾車明顯大于其他車。但當(dāng)隧道長(zhǎng)度小于一定長(zhǎng)度時(shí)，會(huì)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(guān)系

同一高速列車以不同速度通過同一隧道時(shí)動(dòng)車組車頭外部測(cè)點(diǎn)的壓力波波形幾乎相同，只是變化幅度不同。速度低時(shí)列車在隧道內(nèi)的時(shí)間更長(zhǎng)，因此，遇到的反射波也多，以頭部為測(cè)點(diǎn)波形的后半段會(huì)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(gè)壓縮波和膨脹波及其第一個(gè)反射波，需要隧道長(zhǎng)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(shí)車外壓力波峰峰值與速度的關(guān)系圖，由圖8可知：高速列車通過試驗(yàn)隧道時(shí)，車外壓力波峰峰值和車內(nèi)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(nèi)壓力波峰峰值和車內(nèi)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(yùn)行速度是車內(nèi)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(nèi)交會(huì)時(shí)壓力波特性

與高速列車通過隧道時(shí)相比，兩列高速運(yùn)行的列車在隧道中交會(huì)時(shí)，隧道中空氣壓力波的傳播更為復(fù)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(dòng)車組隧道通過時(shí)壓力波的因素外，交會(huì)壓力波還受交會(huì)列車進(jìn)入隧道的時(shí)間差影響，非常復(fù)雜。由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)里，具有相同條件，可用于對(duì)比分析的數(shù)據(jù)有限，只以交會(huì)壓力波與隧道長(zhǎng)度的關(guān)系為例作簡(jiǎn)要說明。

由2.1節(jié)可知，當(dāng)隧道長(zhǎng)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(zhǎng)度關(guān)系不大。但是高速列車在隧道內(nèi)交會(huì)則情況完全不同，因?yàn)檫@涉及到兩列高速列車產(chǎn)生的壓力波的疊加，隧道長(zhǎng)度不一樣時(shí)，壓力波的疊加可能完全不同，因此，交會(huì)壓力波與隧道長(zhǎng)度呈現(xiàn)出很強(qiáng)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(zhǎng)度隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)交會(huì)壓力變化峰峰值與隧道長(zhǎng)度的關(guān)系圖，圖中AL和2C表示兩種動(dòng)車組型號(hào)，300 km/h和350 km/h為動(dòng)車組試驗(yàn)速度，由圖9可知，列車在不同長(zhǎng)度隧道內(nèi)交會(huì)產(chǎn)生的壓力波差異很大。由于試驗(yàn)期間相同型號(hào)的動(dòng)車組在不同長(zhǎng)度的隧道交會(huì)的數(shù)據(jù)很少，并不便于得到交會(huì)壓力波與隧道長(zhǎng)度的完全曲線關(guān)系，更多的規(guī)律還需通過仿真計(jì)算來獲取。

隧道交會(huì)氣動(dòng)效應(yīng)影響因素眾多，影響最大的為高速列車編組長(zhǎng)度、運(yùn)行速度和隧道長(zhǎng)度，以及兩列高速列車進(jìn)入隧道的時(shí)差，只要其中一個(gè)因素稍有變化，壓力波的疊加可能就完全不同，因此，交會(huì)壓力波的基本規(guī)律很難完全掌握，但最不利交會(huì)工況下的壓力波量化對(duì)于列車運(yùn)行安全評(píng)估、車輛和隧道設(shè)計(jì)等都有非常重要的意義，可參考相關(guān)計(jì)算方法進(jìn)行研究［1］。

4 結(jié) 論

（1）隧道通過壓力波與隧道長(zhǎng)度、列車速度、列車長(zhǎng)度等因素的關(guān)系顯著；

（2）列車通過隧道工況下，在小于一定長(zhǎng)度時(shí)，隧道通過壓力變化峰峰值隨著隧道長(zhǎng)度的增加而增大，一定隧道長(zhǎng)度后趨于平穩(wěn)；車內(nèi)、外3 s峰極峰值則均存在一個(gè)極值點(diǎn)；高速列車長(zhǎng)度越長(zhǎng)，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(shí)的波形不同于低速時(shí)的波形；

（3）隧道交會(huì)壓力波影響因素復(fù)雜，主要有隧道長(zhǎng)度、高速列車長(zhǎng)度和交會(huì)位置（進(jìn)入隧道時(shí)間差），呈現(xiàn)出很強(qiáng)的不確定性。

［1］ 中國(guó)鐵道科學(xué)院機(jī)車車輛研究所.京滬綜合試驗(yàn)研究總報(bào)告之空氣動(dòng)力學(xué)分報(bào)告，TY字第3074-1號(hào)［R］.北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2011.

［2］ 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，廣州鐵路集團(tuán)公司，武漢鐵路局，等.武廣客運(yùn)專線隧道氣動(dòng)效應(yīng)試驗(yàn)研究報(bào)告：TY字第2704號(hào)［R］.北京：中國(guó)鐵道科學(xué)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(xiàng)任務(wù)計(jì)劃（Z2009-073）

5—）男，研究實(shí)習(xí)員（

2014－06－18）