高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)ppt課件

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高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué) 1 1 定義 高速鐵路 一般定義為列車(chē)運(yùn)行速度在200km h及以上的鐵路干線(xiàn) 高速鐵路是一項(xiàng)十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程 需要多種學(xué)科的技術(shù)支持 許多在低速時(shí)可以忽略的現(xiàn)象 在高速時(shí)卻變得非常重要 例如高速列車(chē)與空氣的相互作用就是一個(gè)突出的例子 2 隧道空氣動(dòng)力學(xué) 是指高速列車(chē)通過(guò)隧道時(shí) 所誘發(fā)的一系列與空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)的物理現(xiàn)象而逐步形成的一門(mén)分支學(xué)科 高速鐵路空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題可以分為明線(xiàn)空氣動(dòng)力學(xué)和隧道空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題兩大部分 兩者的區(qū)別 明線(xiàn) 列車(chē)氣動(dòng)阻力 橫向風(fēng)下列車(chē)氣動(dòng)特性 列車(chē)表面壓力分布 列車(chē)空氣繞流 隧道 與隧道通風(fēng)問(wèn)題的區(qū)別 3 2 問(wèn)題的提出 什么是隧道空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題 最常見(jiàn)的最容易感覺(jué)的 耳膜不適 列車(chē)風(fēng)最早出現(xiàn) 出現(xiàn)在1964年10月1日日本東海道新干線(xiàn)高速鐵路隧道 速度為210km h 阻塞比為60 5 63 4m2 隧道空氣動(dòng)力學(xué)包括下列幾個(gè)方面 4 5 3 產(chǎn)生隧道空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的根本原因 產(chǎn)生空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的原因比較多 但最根本的原因就是列車(chē)速度過(guò)高 隧道凈空斷面面積比較小造成的 國(guó)內(nèi)外的研究表明 隧道內(nèi)最大壓力變化值與列車(chē)的速度的平方成正比 與阻塞比的冪指數(shù)成正比 這個(gè)冪指數(shù)的取值范圍在1 3 0 26之間 6 4 隧道空氣動(dòng)力學(xué)的特性 隧道內(nèi)空氣流動(dòng)物理特征 1 當(dāng)列車(chē)駛?cè)胨淼浪查g 由于空氣的壓縮性及列車(chē)壁和隧道壁限制了空氣側(cè)向流和向上流的空間 使緊貼車(chē)頭前的空氣受到壓縮并隨列車(chē)向前流動(dòng) 造成列車(chē)前方的空氣壓力突然升高 產(chǎn)生壓縮波 被列車(chē)排擠的另一部分空氣則通過(guò)環(huán)狀空間向列車(chē)后方流動(dòng) 隨著列車(chē)的進(jìn)一步駛?cè)胨淼?環(huán)狀空間長(zhǎng)度逐步增大 使車(chē)前隧道空間的空氣壓力繼續(xù)升高 即壓縮波的強(qiáng)度繼續(xù)增大 直到列車(chē)全部進(jìn)入隧道為止 該波以聲速向前傳播 波前方的空氣流速為零 而波后方的空氣以一定的流速隨著列車(chē)向前流動(dòng) 壓縮波傳播到出口后 一部分以膨脹波形式反射回來(lái) 另一部分以微氣壓波形式傳出隧道出口 7 壓縮波與微壓波形成機(jī)理 8 2 當(dāng)列車(chē)尾端進(jìn)入隧道后 由于車(chē)尾產(chǎn)生的負(fù)壓低于大氣壓力 原先經(jīng)過(guò)環(huán)狀空間流到隧道入口外的空氣改變流向 流入列車(chē)后方的隧道空間 而且隧道外的空氣也流入該空間 由于經(jīng)環(huán)狀空間流入車(chē)后隧道空間的空氣流量小于列車(chē)所排擠開(kāi)的空氣流量 于是在列車(chē)尾端形成了低于洞口外大氣壓的壓力 即產(chǎn)生膨脹波 該波沿隧道以聲速向出口方向傳播 傳播到出口端后 大部分以壓縮波形式反射回來(lái) 沿隧道長(zhǎng)度方向向進(jìn)口端傳播 9 3 由于壁面摩擦不斷消耗波的能量 以及波在隧道兩端和列車(chē)兩端處多次反射和傳遞使得壓縮波和膨脹波相互重疊 所以壓縮波和膨脹波的強(qiáng)度逐漸衰減 同時(shí) 各種傳遞波和反射波的疊加 形成了隧道內(nèi)空氣壓力隨時(shí)間變化而波動(dòng) 4 對(duì)于一系列前后相繼的隧道空氣壓縮波 后面的波速比前面的波速快 最終可能疊加在一起而形成激波 10 5 國(guó)內(nèi)外對(duì)高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)研究現(xiàn)狀 對(duì)于高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)的研究 我國(guó)起步比較晚 日本及許多西方國(guó)家對(duì)此做了大量研究 其研究范圍主要集中在如下四個(gè)方面 1 壓力波的變化梯度及乘客的舒適度的研究 2 壓力波和微壓波的傳播和形成機(jī)理及其計(jì)算方法的研究 3 削減壓縮波和微壓波的各種方案的研究 4 實(shí)驗(yàn)方法的研究 11 5 1 壓力波的變化梯度及乘客的舒適度的研究列車(chē)提速是為了滿(mǎn)足乘客快捷 舒適 安全的需要 必須將乘客的感受和要求放在第一位 列車(chē)車(chē)速的提高 會(huì)使列車(chē)在進(jìn)出隧道時(shí)引起車(chē)內(nèi)的較大壓力變化 造成乘客耳膜的疼痛不適 因此在車(chē)速提高的同時(shí) 必須采用一定的標(biāo)準(zhǔn) 保證列車(chē)在進(jìn)入隧道時(shí)車(chē)廂內(nèi)壓力的變化不能超過(guò)一定的限度 乘客舒適度 comfortstandardofpassenger 指隧道內(nèi)產(chǎn)生的壓力波動(dòng) 在極短的時(shí)間內(nèi)傳到人體時(shí) 使人體產(chǎn)生生理上的不適 即耳膜壓感不適時(shí)的最大壓力變化值 通常采用特定時(shí)間 3s或4s 內(nèi)壓力單調(diào)變化值作為乘客舒適度的特征參數(shù) 3s或4s 正是人體自動(dòng)或人為地完成一次吞咽動(dòng)作 建立中耳和外界的壓力平衡所需要的時(shí)間 12 影響旅客舒適度的壓力指標(biāo)有兩個(gè) 一是壓力變化的最大值 另一個(gè)是壓力變化率的最大值 日本 1000Pa 300Pa 1 0s 美國(guó) 800Pa 410Pa 1 7s 13 5 2 壓力波傳播和形成機(jī)理及其計(jì)算方法的研究 初期 采用一維流 采用特征線(xiàn)理論來(lái)得到隧道軸線(xiàn)方向壓力 速度等指標(biāo) M Schultz等人對(duì)短隧道進(jìn)行研究 指出 在隧道直徑與隧道長(zhǎng)度的比值不是很小時(shí) 隧道斷面上的壓力幾乎為常數(shù) 可用一維理論分析 但在車(chē)頭和車(chē)尾處要考慮三維效應(yīng) 并提出了改進(jìn)措施 14 在小沢智通過(guò)對(duì)列車(chē)沖出隧道形成微氣壓波的大量測(cè)試表明 微壓波與列車(chē)移動(dòng)速度的三次方成比例 并建立了微氣壓波變化的曲線(xiàn)方程 微氣壓波的最大值和微氣壓波曲線(xiàn)方程 15 隧道壓縮波的最大值與列車(chē)移動(dòng)速度的二次方成比例 并確定了波形變化的曲線(xiàn) 16 隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的不斷發(fā)展 各國(guó)學(xué)者對(duì)高速列車(chē)進(jìn)入隧道所誘發(fā)的空氣動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象已經(jīng)從一維數(shù)值模擬上升到二維和三維數(shù)值模擬 S Aita等人采用三維可壓縮等熵歐拉方程進(jìn)行了隧道單車(chē)壓力波數(shù)值模擬 國(guó)內(nèi)采用了非定常的三維可壓縮不等熵的Navier Stokes方程進(jìn)行了計(jì)算 獲得了非常好的結(jié)果 17 列車(chē)速度與最大壓力變化之間的關(guān)系 國(guó)內(nèi) 18 有緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)壓力波的變化規(guī)律 國(guó)內(nèi) 19 列車(chē)進(jìn)出隧道過(guò)程的實(shí)現(xiàn) 要很好地模擬列車(chē)進(jìn)出隧道的過(guò)程可以采取兩種方法 移動(dòng)網(wǎng)格法和網(wǎng)格重劃分法 20 移動(dòng)網(wǎng)格法的原理 非周期移動(dòng)所產(chǎn)生的區(qū)域 21 22 列車(chē)頭部流場(chǎng)壓力變化分布 國(guó)內(nèi) 23 24 數(shù)值計(jì)算壓力變化曲線(xiàn) 國(guó)內(nèi) 25 26 5 3 削減壓縮波及噪聲的各種方案的研究 微壓波問(wèn)題主要發(fā)生在日本的新干線(xiàn)隧道上 在七十年代末 由于最初的隧道斷面較小 60 5 63 4m2 阻塞比 列車(chē)斷面與隧道斷面的比值 大于0 2 在列車(chē)提速到200km h后 出現(xiàn)了較明顯的空氣噪聲問(wèn)題 由于隧道已經(jīng)建成 無(wú)法擴(kuò)大斷面 于是就提出了多種修建附屬構(gòu)筑物的改造措施 微氣壓波 microcompressionwave 高速列車(chē)進(jìn)入隧道產(chǎn)生的壓縮波以聲速傳播到隧道出口時(shí) 一部分壓縮波以膨脹波的形式反射回隧道 另一部分壓縮波以球面波的形式向隧道外空間輻射出去 并伴有爆炸聲 造成對(duì)周?chē)h(huán)境的污染 輻射出去的壓力脈沖波形狀為尖三角形 三角形的高度 壓力脈沖的最大值 與列車(chē)速度的三次方成正比 與距離隧道出口處的外部距離成反比 27 控制措施一 增大隧道斷面積削減壓縮波及噪聲的最主要的解決方案是選取較大的隧道斷面 減低阻塞比 根據(jù)各國(guó)高速鐵路的分析可以得到這樣的結(jié)論 當(dāng)阻塞比小于0 15 德 法等國(guó) 時(shí) 高速列車(chē)進(jìn)洞誘發(fā)的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題基本上可以緩解 由此得出滿(mǎn)足壓力變動(dòng)的臨界值 3 0kPa 3s 的阻塞比 車(chē)速為250km h 阻塞比為0 14 車(chē)速為350km h 阻塞比為0 11 28 29 綜合各國(guó)的隧道斷面圖 高速鐵路隧道斷面由下列空間構(gòu)成 隧道建筑界限 軌道數(shù)量 線(xiàn)間距 預(yù)留空間 減小空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的空間 設(shè)備安裝空間等 根據(jù)各國(guó)高速鐵路隧道斷面經(jīng)驗(yàn)和我國(guó)具體情況的要求 我國(guó)初步確定京滬高速鐵路隧道斷面參數(shù)如下圖 100m2 高速鐵路隧道斷面示意圖 單位 cm 30 控制措施二 對(duì)于既有線(xiàn)路上 隧道已經(jīng)建成 無(wú)法擴(kuò)大斷面 所以必須在不改變隧道斷面積的情況下 來(lái)予以解決 經(jīng)過(guò)多年的研究和探索以及大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究 人們已經(jīng)有了許多減小壓力波和噪聲的方法 解決方法主要分為兩種 修建附屬構(gòu)筑物的改造措施 無(wú)開(kāi)口全封閉緩沖結(jié)構(gòu)有窗口的緩沖結(jié)構(gòu)開(kāi)槽式緩沖結(jié)構(gòu)人為控制車(chē)內(nèi)壓力 31 無(wú)開(kāi)口全封閉緩沖結(jié)構(gòu) 32 緩沖結(jié)構(gòu)降低微氣壓波的效果 第一個(gè)標(biāo)記代表緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度選項(xiàng) 第二個(gè)標(biāo)記代表緩沖結(jié)構(gòu)入口面積選項(xiàng) 直線(xiàn)為母線(xiàn)的緩沖結(jié)構(gòu)形式可以將微氣壓波降低到30 左右 33 有窗口的緩沖結(jié)構(gòu) 對(duì)于有窗口的緩沖結(jié)構(gòu) 需確定合適的窗口面積的大小 窗口部分設(shè)在緩沖結(jié)構(gòu)的側(cè)面 其長(zhǎng)度可以等于或小于緩沖棚全長(zhǎng) 同全封閉式的緩沖結(jié)構(gòu)相比 帶窗口的緩沖棚具有更好的降壓效果 該緩沖結(jié)構(gòu)可以將微氣壓波降低到無(wú)緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)的0 45 34 開(kāi)槽式緩沖結(jié)構(gòu) 開(kāi)槽式緩沖結(jié)構(gòu)的橫截面積與隧道截面相同 通過(guò)在緩沖結(jié)構(gòu)頂部開(kāi)槽 起到緩沖作用 可將微壓波峰值降至20 30 35 人為控制車(chē)內(nèi)壓力 通風(fēng)系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)流的進(jìn)入和排出 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)內(nèi)壓力的調(diào)節(jié) K Akutsu等人對(duì)此方法進(jìn)行了研究 用風(fēng)機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)壓力 消除瞬變壓力所造成的危害 它只能消除列車(chē)內(nèi)部的壓力變化 不能削減對(duì)周?chē)h(huán)境的影響 但是 該方法仍然存在一定的問(wèn)題 首先 它對(duì)列車(chē)的氣密性要求較高 它的首要目的就是調(diào)節(jié)列車(chē)內(nèi)外的壓差 氣密性差 就無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)內(nèi)壓力的調(diào)節(jié) 實(shí)際上 正是由于氣密性差才會(huì)引起列車(chē)在進(jìn)出隧道時(shí) 引起車(chē)內(nèi)的壓力變化 36 5 4 實(shí)驗(yàn)方法的研究 實(shí)驗(yàn)室方法研究高速列車(chē)的實(shí)驗(yàn)方法主要有水槽式 發(fā)射式及小型列車(chē)模型實(shí)驗(yàn)裝置 還有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)法 37 5 4 1水槽法 水槽法是在二十世紀(jì)六十年代中期在美國(guó)興起的 當(dāng)時(shí) 美國(guó)的一些技術(shù)人員利用可壓縮氣體與自由表面流體的相似性 采用水作為工作流體來(lái)研究高速列車(chē)通過(guò)隧道的問(wèn)題 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是高速運(yùn)行的列車(chē)可以用很低的速度來(lái)模擬 然而 考慮到很淺的水深 實(shí)驗(yàn)結(jié)果是令人失望的 38 1 測(cè)控計(jì)算機(jī)2 監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)3 視頻分配器4 反光鏡5 縫隙光源6 CCD鏡頭7 模型列車(chē)8 模型隧道9 驅(qū)動(dòng)電機(jī)10淺水槽 西南交大水槽法模型實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 39 5 4 2小型列車(chē)模型實(shí)驗(yàn)裝置 為了保證模型可靠實(shí)用 根據(jù)雷諾相似性 要求模型的尺寸不能小于1 36 同時(shí) 模型的速度與全尺寸列車(chē)的速度相同 根據(jù)這些限制條件 英國(guó)的C W Pope建造了1 25的小比例列車(chē)模型實(shí)驗(yàn)裝置 模型的車(chē)速達(dá)到55m s 模型的質(zhì)量為10kg 40 英國(guó)建成的模型實(shí)驗(yàn)臺(tái) 41 5 4 3發(fā)射式列車(chē)模型實(shí)驗(yàn)裝置 日本的小沢智采用長(zhǎng)30mm的鋁管 前頭為半圓形 模擬列車(chē) 以橡膠彈弓方式發(fā)射 實(shí)驗(yàn)時(shí)的速度通常為25m s 在佐宗章弘介紹的改進(jìn)模型中 采用的尺寸相似比為1 300的模型 以壓縮空氣為動(dòng)力 發(fā)射式列車(chē)模型 發(fā)射速度可達(dá)到100m s 42 佐宗章弘 43 日本的S Ozawa 44 5 4 4國(guó)內(nèi)壓縮空氣式高速列車(chē)模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)備配置高速列車(chē)模型實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)列車(chē)模型實(shí)驗(yàn) 45 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)備配置 46 高速列車(chē)模型發(fā)射炮裝置圖 47 列車(chē)模型實(shí)驗(yàn) 聚乙烯管作隧道模型 木板為緩沖結(jié)構(gòu) 48 49 50 有 無(wú)緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)的車(chē)速與最大壓力的關(guān)系曲線(xiàn) 51 緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)壓力變化率的影響 52 5 5現(xiàn)場(chǎng)量測(cè) 現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)是研究隧道空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題最直接的手段 還可對(duì)數(shù)值計(jì)算和室內(nèi)模型試驗(yàn)方法和結(jié)論的正確性進(jìn)行了檢驗(yàn) 我國(guó)在2005年 在遂渝鐵路進(jìn)行了高速列車(chē)的隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地試驗(yàn) 53 松林坡隧道V 200km hLt 1320mAt 48 6m2周長(zhǎng)26 3m測(cè)點(diǎn)位置223m長(zhǎng)白山動(dòng)車(chē)組Av 12 49m2周長(zhǎng)10 78m列車(chē)長(zhǎng)度為256 5m阻塞比為0 24 54 6 高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)主要影響及效應(yīng) 6 1列車(chē)速度及阻塞比研究表明 諸因素中 列車(chē)速度V和阻塞比 是影響最大的因素ORE曾經(jīng)系統(tǒng)地研究了各種因素對(duì)壓力波動(dòng)的影響 用下列公式表達(dá)列車(chē)速度V和阻塞比 的影響 單一列車(chē)在隧道中運(yùn)行 考慮列車(chē)交會(huì) 55 隧道長(zhǎng)度對(duì)壓力波動(dòng)程度的影響隧道長(zhǎng)度對(duì)壓力變化的影響也很大 而且 壓力波動(dòng)程度并非單調(diào)地隨著隧道長(zhǎng)度的增加而加劇 56 法國(guó)專(zhuān)家認(rèn)為 碎石道床隧道壓力波動(dòng)的最大值出現(xiàn)在對(duì)應(yīng)隧道長(zhǎng)度分別為0 8 1 2及3 5倍列車(chē)長(zhǎng) 57 車(chē)輛的密封性車(chē)輛內(nèi)部的瞬變壓力同旅客乘車(chē)舒適度有直接關(guān)系 隧道內(nèi)的瞬變壓力向車(chē)輛內(nèi)傳遞規(guī)律一般來(lái)說(shuō)取決于二個(gè)因素 車(chē)輛的密封性和車(chē)體的剛度 對(duì)列車(chē)氣密性的描述通過(guò)列車(chē)的密封度來(lái)實(shí)現(xiàn) 其物理意義在于 將車(chē)內(nèi)外壓差降低到初值的38 所需的泄露時(shí)間 58 車(chē)輛密封性對(duì)緩解壓力波動(dòng)程度的作用可以歸為 滯后 和 衰減 采用不密封的 標(biāo)準(zhǔn) 車(chē)輛 車(chē)內(nèi)壓力的變化情況同車(chē)外基本一致 而采用密封車(chē)輛后車(chē)內(nèi)壓力的峰值滯后 同時(shí) 壓力變化幅度減小 59 不同密封程度車(chē)輛對(duì)氣壓波動(dòng)的緩沖效果 60 當(dāng)列車(chē)在大于臨界長(zhǎng)度的長(zhǎng)隧道中行駛時(shí) 隧道中及列車(chē)外部壓力波動(dòng)的程度同短隧道相比 會(huì)有所緩解 但是 如果采用密封車(chē)輛 車(chē)內(nèi)壓力波動(dòng)幅度卻往往比短隧道大 這是由于長(zhǎng)隧道壓力波之間的時(shí)間間隔較大 使得車(chē)內(nèi)壓力有足夠的時(shí)間對(duì)外部壓力波動(dòng)作出響應(yīng) 可以說(shuō) 相同密封指數(shù)的車(chē)輛 在短隧道中的 動(dòng)態(tài) 密封效果比長(zhǎng)隧道好 61 62 作用在隧道襯砌或固定設(shè)備上的氣動(dòng)荷載按照德國(guó)聯(lián)邦鐵路 鐵路隧道的設(shè)計(jì) 施工和養(yǎng)護(hù) 標(biāo)準(zhǔn)DS853 1993 的規(guī)定 認(rèn)為隧道內(nèi)空氣動(dòng)力荷載最大值都為kPa量級(jí) 對(duì)隧道襯砌的安全性不會(huì)產(chǎn)生明顯影響 但對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的瑕疵和缺陷的反應(yīng)較為靈敏 同時(shí)對(duì)隧道內(nèi)的設(shè)備和設(shè)施可能會(huì)有一定影響 車(chē)輛結(jié)構(gòu)所承受的氣動(dòng)荷載根據(jù)國(guó)際鐵盟UIC活頁(yè)文件566中4 2 2條規(guī)定 客車(chē)車(chē)身和門(mén)窗須承受變化幅度為 2500N m2 頻率為3HZ的交變荷載1000000次 按該條文設(shè)計(jì)的車(chē)輛當(dāng)壓差小于2 5kPa時(shí)是不會(huì)受到損害的 63 7 壓力波動(dòng)程度的評(píng)估和相關(guān)舒適度準(zhǔn)則 7 1人體的舒適度人的鼻咽腔通過(guò)一個(gè)稱(chēng)為耳咽管的器官同中耳相連 通常耳咽管是關(guān)閉的 當(dāng)鼻咽腔的壓力比中耳的壓力低將近2kPa時(shí) 耳咽管會(huì)因收縮而自動(dòng)打開(kāi) 在外界氣壓降低的情況下 中耳和外部氣壓不平衡即得以消除 則不會(huì)作用于鼓膜的兩邊 而當(dāng)外界氣壓增高時(shí) 鼻咽腔隨之增高的氣壓不會(huì)自動(dòng)傳到中耳 因此在耳膜的兩邊產(chǎn)生壓力差 在這種情況下必須通過(guò)吞咽 打呵欠或擠捏鼻子等動(dòng)作來(lái)人為地開(kāi)啟耳咽管 以消除耳膜兩邊的不平衡壓力 因此 也有采用特定時(shí)間內(nèi) 3s或4s 壓力單調(diào)變化值作為瞬變壓力波動(dòng)特征參數(shù) 其 特定時(shí)間 即3s或4s 正是自動(dòng)或人為地 通過(guò)生理反應(yīng) 開(kāi)啟耳咽管 建立中耳和外界的壓力平衡所需要的時(shí)間 64 荷蘭采用的舒適度標(biāo)準(zhǔn) 65 ERRI和UIC采用的舒適度準(zhǔn)則 66 R G Gawthorpe舒適度準(zhǔn)則 67 我國(guó)高速鐵路舒適度準(zhǔn)則的建議 西南鐵科院 68 輔助坑道對(duì)壓力變化的作用 合理設(shè)置的輔助坑道 斜井 豎井和橫洞 能緩解壓力波動(dòng)的程度 計(jì)算表明 豎井位置對(duì)減壓效果的影響很大 并不是設(shè)置在任何位置的豎井都能有很好的效果根據(jù)壓力波疊加的情況可以理論地得到豎井的最佳位置 69 隧道口的微氣壓波問(wèn)題 搞速列車(chē)進(jìn)入隧道 前方的空氣受到擠壓 這種擠壓狀態(tài)以聲速傳播至隧道出口 驟然膨脹 產(chǎn)生一個(gè)被稱(chēng)為微氣壓波的次生波 由于微氣壓波的產(chǎn)生伴有影響環(huán)境的爆破噪聲 并會(huì)對(duì)鄰近建筑物產(chǎn)生危害 日本山本 A Yamamoto 基于線(xiàn)形聲學(xué)理論 通過(guò)低頻遠(yuǎn)場(chǎng)假設(shè)對(duì)微氣壓波進(jìn)行的研究 微氣壓波主要取決于列車(chē)進(jìn)入隧道誘發(fā)的第一個(gè)壓縮波 得出了微氣壓波峰值同首波傳遞到隧道出口處時(shí)的壓力梯度 波前梯度 最大值的關(guān)系 的關(guān)系 70 首波計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式 日本新干線(xiàn) 日本新干線(xiàn)對(duì)列車(chē)進(jìn)入隧道誘發(fā)的 第一壓縮波 首波 壓力變化近似地用下式表示 日本新干線(xiàn)對(duì)列車(chē)進(jìn)入隧道誘發(fā)的 第一壓縮波 首波 壓力變化近似地用下式表示 壓力和壓力梯度的最大值近似地分別同車(chē)速的平方和立方成正比 相應(yīng)地 隧道出口為氣壓波峰值也同車(chē)速的立方成正比 71 72 73 74 首波在傳播過(guò)程中的變化板式道床情況對(duì)碎石道床 在利用山本公式計(jì)算微氣壓波峰值時(shí) 還要考慮壓縮波沿隧道傳遞時(shí)的衰減 從隧道進(jìn)口到出口 壓縮波的衰減可表示為 當(dāng)車(chē)速為200 220km h 可取 1 81 10 4 75 板式道床的情況則比較復(fù)雜 研究表明 壓縮波在板式道床隧道中的傳播規(guī)律同在碎石道床隧道中的情況有所差別 在碎石道床隧道中 不但 首波 峰值有較明顯的衰減 而且壓力變化梯度在傳播過(guò)程中逐漸變得平緩 而對(duì)于板式道床 當(dāng)隧道長(zhǎng)度增加時(shí) 壓力梯度反而有一定程度的加大 小澤智等人對(duì)日本新干線(xiàn)隧道的統(tǒng)計(jì)資料表明 碎石道床隧道微壓波的最大值隨隧道長(zhǎng)度的增加而降低 首波 峰值和梯度均有明顯衰減 相反 板式道床隧道的微壓波最大值隨長(zhǎng)度的增加反而有所上升 直至隧道長(zhǎng)度超過(guò)某一限度 6 8km 其值才隨隧道長(zhǎng)度的增加而降低 76 77 這種現(xiàn)象同聲速有關(guān) 空氣中的聲速主要取決于溫度 壓縮波向前傳播的過(guò)程中空氣的密度和溫度隨之增加 引起聲速的提高 壓縮波的后部比前端傳播得更快 在板式道床不能象碎石道碴那樣能有效地消除這種影響 因此 在壓縮波傳播的過(guò)程中 波前梯度會(huì)逐漸增加 波形變陡 當(dāng)入口波梯度較大以及隧道較長(zhǎng)時(shí) 這種效應(yīng)會(huì)十分顯著 78 8 緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)壓力及其梯度的影響 可以將緩沖結(jié)構(gòu)的形式按斷面變化的規(guī)律分為兩類(lèi) 斷面漸變形以及斷面突變形 從理論上說(shuō) 斷面漸變形緩沖結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有較好的效果 M S Howe從理論上論證了 優(yōu)化 的緩沖結(jié)構(gòu) 其凈空斷面隨長(zhǎng)度的變化應(yīng)有以下規(guī)律 79 緩沖結(jié)構(gòu)的形狀對(duì)減壓效果的影響不大 80 最佳開(kāi)口率為0 3左右 81 Ah At 1 5 1 6時(shí)效果最佳 82 對(duì)不開(kāi)口的封閉型緩沖結(jié)構(gòu) 當(dāng)長(zhǎng)度超過(guò)2d時(shí)緩解效果不再有進(jìn)一步的明顯改善 83 9 隧道空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究思路 84