高速铁路隧道空气动力学
高速列车通过隧道时产生的空气动力学问题
。
边界层方法
03
对隧道和列车周围的流场进行精细建模，适用于研究列车与隧
道之间的相互作用。
实验研究方法
风洞实验
在风洞中模拟列车通过隧 道的情境，以观察和测量 列车和隧道周围的流场特 性。
实物模型实验
使用实际列车和隧道进行 实验，以测量和评估列车 通过隧道时的空气动力学 性能。
热线风速仪测量
用于测量列车和隧道之间 的局部风速和风压，以评 估空气动力学性能。
采用扁平车头设计，以减少空气阻力和压力波的 产生。
流线型车头设计
采用流线型车头设计，以降低空气阻力和涡流产 生。
优化车头形状
根据空气动力学原理，优化车头的形状，以降低 空气阻力和压力波的产生。
改善隧道内通风系统
加强隧道通风设施
加强隧道内的通风设施，如风机、通风口等，以加快空气流通和 减少压力波的产生。
02
隧道内空气流动的基本原理
流体动力学基础
01
02
03
流体的定义
流体是指可以流动的物质 ，包括液体和气体。
流体的性质
流体具有连续性、不可压 缩性和粘性。
流体的运动
流体的运动可以通过速度 、方向和加速度等参数来 描述。
隧道内空气流动的特点和规律
空气流动的驱动力
隧道内空气流动的驱动力主要包 括列车行驶时产生的压力波和空
目前，针对高速列车通过隧道时的空 气动力学问题，国内外学者提出了多 种数值模拟方法和实验模型，这些方 法为深入研究列车与隧道间的相互作 用提供了有力支持。
未来，随着计算流体力学、实验流体 力学等学科的发展，高速列车通过隧 道时的空气动力学问题研究将更加深 入，有望在列车设计、运行控制等方 面实现突破。同时，随着科技的发展 ，研究手段和方法也将不断创新和完 善，为解决实际问题提供更多选择和 支撑。
高速列车通过隧道时产生的空气动力学问题
高速列车通过隧道时产生的空气动力学问题汇报人：日期:•引言•高速列车通过隧道时的空气动力学现象目录•高速列车通过隧道时空气动力学问题的研究方法•高速列车通过隧道时空气动力学问题的解决方案•高速列车通过隧道时空气动力学问题的未来研究方向目录01引言高速列车通常以超过200公里/小时的速度运行，具有特殊的动力学特性和空气动力学性能。
高速列车的特性隧道通常由入口、出口和洞身组成，为列车提供通行空间。
隧道的基本结构高速列车与隧道概述空气动力学在高速列车与隧道中的应用空气动力学对高速列车的影响高速列车在隧道中运行时，由于空气流动受到限制，会产生一系列的空气动力学问题，如压力波、气动噪声等。
空气动力学对隧道的影响高速列车通过隧道时，由于车速较高，会对隧道内的空气流动产生扰动，从而影响隧道的通风和空气质量。
02高速列车通过隧道时的空气动力学现象车尾部分的空气则因为突然的扩张而形成低压区，导致车尾部分的气压低于周围环境气压。
这种压力波现象会导致列车受到额外的阻力，称为“压缩波阻力”。
列车进入隧道时，由于突然的截面变化，车头前方的空气受到挤压，形成高压区。
列车进入隧道时的压力波现象当列车通过隧道时，车体周围的空气流动受到列车形状和速度的影响，形成涡旋流动。
这种涡流现象会导致列车受到额外的阻力，称为“涡流阻力”。
涡流阻力的产生与车体的形状、速度以及隧道的截面形状有关。
列车通过隧道时的涡流现象01车尾部分的空气则因为突然的收缩而形成高压区，导致车尾部分的气压高于周围环境气压。
这种压力波现象会导致列车受到额外的阻力，称为“膨胀波阻力”。
膨胀波阻力的产生与车体的形状、速度以及隧道的截面形状有关。
当列车驶出隧道时，车头前方的空气受到挤压后突然扩张，形成低压区。
020304列车驶出隧道时的压力波现象03高速列车通过隧道时空气动力学问题的研究方法边界元方法（BEM）将问题域划分为边界元，通过求解边界元方程得到问题域内的压力分布和速度分布。
高速铁路隧道空气动力学数值模拟方法分析的开题报告
高速铁路隧道空气动力学数值模拟方法分析的开题报告一、研究背景和目的高速铁路隧道建设在我国发展中起着至关重要的作用。
高速铁路隧道内部的空气流动影响列车安全、乘客舒适度和能源消耗等多个方面，因此对于高速铁路隧道内部空气动力学的研究具有十分重要的意义。
同时，传统试验方法昂贵且不易操作，因此数值模拟方法成为了研究高速铁路隧道内部空气动力学的有效手段。
本论文旨在对高速铁路隧道的空气动力学数值模拟方法进行分析，以期为高速铁路隧道的设计、施工和运营提供科学、可靠的基础。
二、研究内容和方法本论文主要研究高速铁路隧道空气动力学数值模拟方法。
具体内容包括：1. 高速铁路隧道内部的空气动力学基本原理和流动特性。
2. 常见的高速铁路隧道空气动力学数值模拟方法，如CFD、LES、DNS等。
3. 针对不同的隧道类型和工况选择合适的数值模拟方法，并指导隧道的设计、施工和运营。
本论文将采用文献资料法和数值模拟法进行研究。
文献资料法将对国内外高速铁路隧道空气动力学数值模拟的相关进展进行梳理和分析。
数值模拟法将选取ANSYS Fluent软件进行建模，分析不同参数下的流场特征和涡流结构。
三、预期成果本论文预期达到以下成果：1. 对高速铁路隧道的空气动力学数值模拟方法进行分析和总结，为高速铁路隧道内部空气动力学的研究提供参考。
2. 针对不同的隧道类型和工况选择合适的数值模拟方法，并指导隧道的设计、施工和运营。
3. 对高速铁路隧道内部流场特征和涡流结构进行分析，为高速铁路隧道内部的乘客舒适度和能源消耗提供参考。
四、研究意义本论文对于高速铁路隧道的设计、施工和运营具有重要的意义。
一方面，该论文对高速铁路隧道内部空气动力学数值模拟方法进行分析，为高速铁路隧道的设计、施工和运营提供了科学、可靠的指导。
另一方面，该论文对高速铁路隧道内部流场特征和涡流结构进行分析，为高速铁路隧道内部的乘客舒适度和能源消耗提供了参考，有助于提升高速铁路隧道的运营效率和舒适度。
高速列车进入隧道空气动力学模型试验分析
实验测试和数值模拟是研究这一问题的有效方法。本文利用这两种方法对高速列车在进入隧道过程中， 压力的变 化情况进行了计算和测试。从得到的结果可以看出， 它们能够起到相互补充， 互相印证的目的。通过对结果的分 析， 也得出压力波产生、 变化的一些规律。 关键词： 高速列车； 空气动力学； 隧道 中图分类号： #!11 & "； #!11 & 3 文献标识码：4
空 气 动 力 学 学 报 #$%& !!，’$& " !"#! !$%&’()!*+"! ,+)+"! +,-& ， !(() ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
3 （ 1 ・ 2） ］ ， 1 E［*， ， *， *， * *，F 4 ］ ) E［*， ! （ * " D + " D ,"） . ， /0 E ! D（ " " F !） 3 +， ,］ . E !)3 ， 2 E［ * ， . 为压力， 3 为温度； " 为气体的 ! 为空气密度，
" 收稿日期：!(("0(10!"； 修订日期：!(("0(2011 &
基金项目：国家自然科学基金 （.(13/(2(） 资助项目 & 万方数据 （1*3!0） 作者简介：王英学 ， 男， 讲师， 土木工程专业 &
第#期
王英学等：高速列车进入隧道空气动力学模型实验分析
高速列车隧道的空气动力学效应及解决措施
高速列车隧道的空气动力学效应及解决措施高速列车通过隧道时会产生一系列的空气动力学效应，包括气压波、空气抽吸、阻力增加、噪音扩大等问题。
为了解决这些问题，需要采取一些技术措施。
首先，气压波是高速列车通过隧道时产生的一种空气波动。
隧道的出入口会引起气压的突变，进而形成气压波。
为了减轻气压波的影响，可以采用以下方法：1.设计合理的隧道出入口结构，减小气压突变的幅度。
通过合适的设计和工程施工，可以减小气压波对列车和旅客的影响。
2.在出入口处设置缓冲区，使空气压力逐渐恢复平衡。
通过设置缓冲区，使气压波逐渐减小，减轻对列车和旅客的冲击。
其次，高速列车通过隧道时会产生空气抽吸效应。
当列车快速进入或离开隧道时，会形成气流，产生空气抽吸。
为了解决空气抽吸的问题，可以考虑以下措施：1.在隧道出入口设置风帘，减少空气流动。
通过设置风帘，可以减少隧道出入口的气流，减轻空气抽吸现象，并减少对列车运行的干扰。
2.通过改善列车的车身结构，减小空气抽吸效应。
合理设计列车的车身形状，采用减阻设计，可以降低空气抽吸的强度，减少对列车运行的影响。
此外，高速列车通过隧道时还会面临阻力增加和噪音扩大的问题。
1.优化隧道的设计和施工工艺，减小阻力。
通过合理设计隧道的几何形状和采用光滑的内壁材料，可以减小列车运行时的阻力，提高列车的运行效率。
2.在隧道内部设置噪音吸收层，减少噪音的传播。
通过在隧道内部设置吸音材料，可以有效减少列车行驶产生的噪音，提高隧道的环境舒适性。
综上所述，高速列车通过隧道时会产生一系列的空气动力学效应，包括气压波、空气抽吸、阻力增加、噪音扩大等问题。
为了解决这些问题，需要采取合理的技术措施，包括隧道出入口结构设计、风帘设置、车身结构优化、隧道设计和施工工艺优化、噪音吸收层的设置等。
通过这些措施的应用，可以减轻空气动力学效应的影响，提高高速列车通过隧道的安全性和舒适性。
高速铁路隧道简介
高速铁路隧道简介一、高速铁路隧道概况根据2014年1月1日起实施的《铁路安全管理条例》规定，高速铁路是指设计开行时速250公里以上（含预留），并且初期运营时速200公里以上的客运列车专线铁路。
1、高速铁路隧道的特点与一般铁路隧道不同，高速铁路隧道的特点体现在空气动力学特性方面。
当列车高速进入隧道时，由于隧道的边壁限制了隧道内空气的侧向流动和向上流动，使得列车前方的空气受压缩，气压升高。
随着列车继续前进，在车后留下空间，致使空气向此空间补充，气压随之降低。
因此列车通过隧道时，隧道内某一点的空气压力将会产生从上升到下降即从压缩到膨胀这样一个瞬变过程。
另外，列车头部进入隧道时，强烈冲击隧道中的静止空气柱，形成压力脉冲，并以声速向隧道出口方向运动，在出口突然释放，一部分散布到隧道出口，产生微气压波，另一部分发生反射，由正压变为负压，同样以声速沿列车运行相反的方向运动，遇到列车后，空气阻力在大气压力附近发生波动，使旅客的耳朵发生明显不适。
微气压波也可能产生空气动力学噪声，对隧道出口的建筑物产生影响。
2、我国高速铁路隧道分布表1 我国典型高速铁路隧道分布情况线别线路长度（km）隧道数量(座）隧道长度（km) 隧线比（%）武广客专874 232 164 18.77郑西客专485 38 77 15.88甬温线274 58 89 32.48温福线298 72 163 54.8福厦线265 35 41 15.3武合线356 37 64 18石太线189 32 75 39.4合计2741 504 673 24.55表2 部分客运专线特长隧道表序号隧道名称隧道长度（km）所属线别1 太行山隧道27848 石太线2 大别山隧道13253 武合线3 霞浦隧道13099 温福线4 南梁隧道11536 石太线5 金寨隧道10700 武合线6 大瑶山一号隧道10080 武广客专注：除太行山隧道外，均为双线隧道。
二、高速铁路隧道衬砌断面1、直线隧道净空高速铁路因其时速标准不同，隧道断面形式各异，衬砌内轮廓净空有效面积也不同，如表3所示。
高速铁路隧道空气动力学_通风和隧道安全综述
⑥
如果需要考虑不同的设计参数时 ， 如压力波 、 牵引 功率 、 压力舒适性等 ， 尤其要建议采用功能强大的仿真
图 １ 隧道内的压力曲线图 （ 显示列车头部压力 沿列车长度方向压力逐渐降低 ） 下降 ，
工具 。 ２． １． ３ 压力变化的幅度 压力变化的幅度与多个因素有关 。 其中最重要的 为列车速度 、 阻塞比 （ 隧道横 截 面 积 Ａ隧 道／列 车 横 截 面 和隧道长度 。 积 Ａ列 车 ） 通常情况下 ， 列 车 进 入 隧 道 时 压 力 振 幅 最 大。由 于空气的摩擦和阻尼 作 用 ， 压力波在穿过隧道时会逐 对于相对较短的隧道 ， 考虑反射压力波 渐减弱 。 但是 ， 就显得至关重要 。 因 此 ， 压力变化的幅度会随隧道长 度不同而不同 。 临界隧道长度定义为列车引起最大压 力变化的隧道长度 ， 该压力变化由反射压力波和列车 尾部静压力降低叠加引起 。 临界隧道长度研究给出了 单列车运行的保守压力变化幅度 。 各种临界隧道长度 见表 ２。
高速列车进入隧道后产生的空气动力学效应对隧道附属物影响是一个非常复杂的问题
高速列车进入隧道后产生的空气动力学效应对隧道附属物影响是一个非常复杂的问题，这种力学效应与隧道断面形式、洞口结构、隧道长度、隧道附属坑道设置情况、洞内附属物的位置和形状尺寸、洞口当时气象等众多因素有关，设计应该按照最不利组合考虑。
模拟计算研究结果表明，空气动力学效应引起的隧道附属物附加力是不可忽视的，这种冲击力是反复作用的，因此对附属物的影响比普通铁路隧道更为不利。
根据《高速铁路隧道空气动力学效应对隧道内附属物有关技术标准的研究》结果，不同工况下列车进洞对隧道附属物（如灯泡、密闭洞室门及其他空心设施）引起的附加压强可参照说明表8.4.7—1取值。
说明表8.4.7—1隧道内附属设施附加压强建议值
照说明表8.4.7—2和说明表8.4.7—取值。
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滑移面
地面
隧道
列车、隧道初始位臵图
滑移墙
滑移面
列车刚进隧道位臵关系图 2016/10/22
列车头部流场压力变化分布（国内）
隧道 列车
道床
2016/10/22
272m 列车
隧道
道床
2016/10/22
数值计算压力变化曲线（国内）
5000 4000 3000
压力（Pa）
2000 1000 0 -10000.5 -2000 -3000 时间（s） 1 1.5 2 2.5 3
2016/10/22
线路
日本东海新干线
列车速度(Km/h)
隧道横断面积(m2)
阻塞比
210
64
0.21
日本山阳新干线
230
64
0.21
日本上越新干线
240
64
0.21
巴黎-大西洋干线
270
71
0.15
汉堡-慕尼黑干线
250
82
0.13
罗马-米兰干线
250760.来自82016/10/22
综合各国的隧道断面图，高速铁路隧道断面由下列空间构成：隧 道建筑界限、轨道数量、线间距、预留空间、减小空气动力学效 应的空间、设备安装空间等。根据各国高速铁路隧道断面经验和 我国具体情况的要求，我国初步确定京沪高速铁路隧道断面参数 如下图（100m2）。
高速铁路隧道空气动力学
报 告 人：骆建军
北京交通大学隧道及地下工程试验研究中心
2016/10/22
1、定义
高速铁路：一般定义为列车运行速度在200km/h及以上 的铁路干线。 高速铁路是一项十分复杂的系统工程，需要多种学科的 技术支持。许多在低速时可以忽略的现象，在高速时却 变得非常重要。例如高速列车与空气的相互作用就是一 个突出的例子。
2016/10/22
（3）由于壁面摩擦不断消耗波的能量，以及波在隧道两 端和列车两端处多次反射和传递使得压缩波和膨胀波相 互重叠，所以压缩波和膨胀波的强度逐渐衰减。同时， 各种传递波和反射波的叠加，形成了隧道内空气压力随 时间变化而波动。 （4）对于一系列前后相继的隧道空气压缩波，后面的波 速比前面的波速快，最终可能叠加在一起而形成激波。
2016/10/22
在小沢智通过对列车冲出隧道形成微气压波的大量测试 表明，微压波与列车移动速度的三次方成比例，并建立 了微气压波变化的曲线方程。微气压波的最大值和微气 压波曲线方程。
pmax
3 ˆ KVtrain / r
p(t ) pmax /{1 (t / 1 ) }
2
2016/10/22
5.1、压力波的变化梯度及乘客的舒适度的研究
列车提速是为了满足乘客快捷、舒适、安全的需要，必 须将乘客的感受和要求放在第一位。列车车速的提高， 会使列车在进出隧道时引起车内的较大压力变化，造成 乘客耳膜的疼痛不适，因此在车速提高的同时，必须采 用一定的标准，保证列车在进入隧道时车厢内压力的变 化不能超过一定的限度。 乘客舒适度（comfort standard of passenger） 指隧道内产生的压力波动，在极短的时间内传到人体时， 使人体产生生理上的不适 - 即耳膜压感不适时的最大压 力变化值。通常采用特定时间（3s或4s）内压力单调变 化值作为乘客舒适度的特征参数。（3s或4s，正是人体 自动或人为地完成一次吞咽动作，建立中耳和外界的压 2016/10/22 力平衡所需要的时间）
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， ， ，
( D / d ) 2 1 .5
2
( D / d ) 2 .0
； ； ；
3：…………….. D 99.6m m
( D / d ) 2 2 .5
缓冲结构降低微气压波的效果
1
与微气压波最大值之比
L11
L21 L32
L31
L33
0.5
L21 L31 L22 L32
产生空气动力学问题的原因比较多，但最根本的 原因就是列车速度过高，隧道净空断面面积比较 小造成的。 国内外的研究表明：隧道内最大压力变化值与列 车的速度的平方成正比，与阻塞比的幂指数成正 比，这个幂指数的取值范围在1.3±0.26之间。
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4、隧道空气动力学的特性
隧道内空气流动物理特征 （1）当列车驶入隧道瞬间，由于空气的压缩性及列车壁 和隧道壁限制了空气侧向流和向上流的空间，使紧贴车 头前的空气受到压缩并随列车向前流动，造成列车前方 的空气压力突然升高，产生压缩波。被列车排挤的另一 部分空气则通过环状空间向列车后方流动。随着列车的 进一步驶入隧道，环状空间长度逐步增大，使车前隧道 空间的空气压力继续升高，即压缩波的强度继续增大， 直到列车全部进入隧道为止。该波以声速向前传播。波 前方的空气流速为零，而波后方的空气以一定的流速随 着列车向前流动。压缩波传播到出口后，一部分以膨胀 波形式反射回来，另一部分以微气压波形式传出隧道出 2016/10/22 口。
压力波动，隧道内人体舒适性，隧道净空断面设计参数的确定
隧道列车“活塞风”对隧道内工作人员及设备安全性的影响 空气阻力、运行速度、运行能耗 列车 乘客人体舒适性、列车内环境（压力变化及空调通风）、列车外表面 压力变化 气动噪音
车头、车尾的空气动力特性
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3、产生隧道空气动力学问题的根本原因
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无开口全封闭缓冲结构
D
缓冲结构的长度分为三种： 1：…………….. l 70 mm 2：…………….. l 140 mm ，l / d 1.11 ； ，l / d 2.22 ；
3：…………….. l 210 mm ，l / d 3.33 ； 同时，入口面积又分为三种： 1：…………….. D 77.2m m 2：…………….. D 89.0m m
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隧道空气动力学：是指高速列车通过隧道时，所诱发的 一系列与空气动力学相关的物理现象而逐步形成的一门 分支学科。高速铁路空气动力学问题可以分为明线空气 动力学和隧道空气动力学问题两大部分 。 两者的区别： 明线：列车气动阻力；横向风下列车气动特性；列车表 面压力分布；列车空气绕流。 隧道： 与隧道通风问题的区别
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2、问题的提出
什么是隧道空气动力学问题？ 最常见的最容易感觉的：耳膜不适；列车风 最早出现： 出现在1964年10月1日日本东海道新干线高速铁路隧道 （速度为210km/h，阻塞比为60.5～63.4 m2）。 隧道空气动力学包括下列几个方面
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隧道空气动力学相关问题 滑流及列车风 隧道洞口微气压波（声爆） 隧道 隧道内热环境，通风运营及防火
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控制措施一
增大隧道断面积
削减压缩波及噪声的最主要的解决方案是选取较大的隧 道断面，减低阻塞比。 根据各国高速铁路的分析可以得到这样的结论，当阻塞 比小于0.15（德、法等国）时，高速列车进洞诱发的空 气动力学问题基本上可以缓解。由此得出满足压力变动 的临界值（3.0kPa/3s）的阻塞比：车速为250km/h，阻 塞比为0.14；车速为350km/h，阻塞比为0.11。
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隧道压缩波的最大值与列车移动速度的二次方成比例。 并确定了波形变化的曲线。
1 1 (1 RT ) 2 p 0U 2 (1 M ){M (1 RT ) 2 }
2 *
1 1 1 Ut p (t ) p ( tan ) 2 0.3d
*
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0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 缓冲结构长度/直径 3 3.5 4
压缩波与微压波形成机理
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（2）当列车尾端进入隧道后，由于车尾产生的负压低 于大气压力，原先经过环状空间流到隧道入口外的空气 改变流向，流入列车后方的隧道空间，而且隧道外的空 气也流入该空间。由于经环状空间流入车后隧道空间的 空气流量小于列车所排挤开的空气流量，于是在列车尾 端形成了低于洞口外大气压的压力，即产生膨胀波，该 波沿隧道以声速向出口方向传播。传播到出口端后，大 部分以压缩波形式反射回来，沿隧道长度方向向进口端 传播。
影响旅客舒适度的压力指标有两个：一是压力变 化的最大值，另一个是压力变化率的最大值。 日本:1000Pa，300Pa/1.0s。 美国：800Pa, 410Pa/1.7s
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5.2、压力波传播和形成机理及其计算方法的研究
初期，采用一维流。采用特征线理论来得到隧道 轴线方向压力、速度等指标。 M.Schultz等人对短隧道进行研究，指出：在隧 道直径与隧道长度的比值不是很小时，隧道断面 上的压力几乎为常数，可用一维理论分析，但在 车头和车尾处要考虑三维效应，并提出了改进措 施。
2016/10/22
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5.3、削减压缩波及噪声的各种方案的研究
微压波问题主要发生在日本的新干线隧道上，在七十年代末，由 于最初的隧道断面较小（60.5-63.4m2），阻塞比（列车断面与 隧道断面的比值）大于0.2，在列车提速到200km/h后，出现了较 明显的空气噪声问题，由于隧道已经建成，无法扩大断面，于是 就提出了多种修建附属构筑物的改造措施。 微气压波（micro compression wave） 高速列车进入隧道产生的压缩波以声速传播到隧道出口时，一部 分压缩波以膨胀波的形式反射回隧道，另一部分压缩波以球面波 的形式向隧道外空间辐射出去，并伴有爆炸声，造成对周围环境 的污染。辐射出去的压力脉冲波形状为尖三角形，三角形的高度 （压力脉冲的最大值）与列车速度的三次方成正比，与距离隧道 出口处的外部距离成反比。
2016/10/22
列车进出隧道过程的实现
要很好地模拟列车进出隧道的过程可以采取两种方法： 移动网格法和网格重划分法。