郭玉華 ，陳治亞，周丹

(1. 中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙，410075；2. 鐵道部 運輸局，北京，100844)

列車高速通過隧道及在隧道內交會引起的隧道空氣動力問題對列車運行安全性、經濟性、旅客舒適性及隧道周圍環(huán)境均產生嚴重影響，是高速鐵路隧道設計中必須解決的關鍵技術問題，同時也是既有隧道能否適應列車提速需要必須考慮的重要問題[1-3]。世界高速鐵路發(fā)達國家均在對隧道空氣動力問題進行研究[4-7]。2008年12月本文作者在合武(合肥—武漢)鐵路上進行了250 km/h等級實車綜合試驗，列車過隧道及隧道內交會空氣動力學試驗是本次試驗的重要測試內容之一。合武鐵路全長359.361 km，全線共計新建隧道36座，隧道總長為63.822 km，全部為單洞雙線隧道，線間距為4.6 m，隧道凈空面積為92.09 m2，其中大別山隧道(隧道長 13.256 km)及鷹嘴石隧道(隧道長1.080 km)是測試的重點隧道。合武鐵路初期為兼顧貨運的客運專線，旅客列車最高運行速度為250 km/h，貨物列車最高運行速度為120 km/h[8]。由于雙層集裝箱車裝箱后比普通車輛的高，箱體外形為鈍性，通過隧道阻塞比較大。當雙層集裝箱車過隧道時，隧道內壓力波動劇烈，尤其是在隧道內交會時，氣動性能惡化，影響行車安全[9-11]。在此，本文作者對雙層集裝箱平車以不同速度通過隧道及在隧道內交會時，集裝箱車體表面的壓力變化歷程及所受的氣動力進行分析和研究。

1 測點布置

本次試驗貨物列車編組由牽引機車、1 輛試驗車、26 輛敞車、2輛 25型客車、1輛雙層集裝箱車和 1輛棚車組成。為測量雙層集裝箱平車過隧道時壓力波動和及在隧道內交會時的側向力，本次試驗在集裝箱箱體及車體上共布置64個動態(tài)壓力傳感器，其中：在集裝箱箱體的側面對稱位置各布置8個傳感器，在集裝箱箱體的上頂面布置8個傳感器以測試雙層集裝箱車的橫向力、升力，同時，在集裝箱平車迎風側及背風側也各布置8個傳感器，用于測試空氣壓差阻力。測點具體布置情況如圖1所示。

2 測試方法

實車測試系統(tǒng)的組成及原理如圖2所示。該系統(tǒng)由動態(tài)壓力傳感器、多通道放大器、A/D轉換器、計算機及相應的分析軟件組成。該系統(tǒng)以計算機為中心，在軟件支持下集成多種虛擬儀器的功能，能對多點、多種隨時間變化的參量(主要是瞬態(tài)壓力信號)進行動態(tài)在線實時測量，并能快速地對信號進行分析處理，有效排除噪聲干擾，消除偶然誤差，修正系統(tǒng)誤差，從而實現(xiàn)測量結果的高準確度和具有對被測信號的高分辨能力。

3 測試結果及分析

3.1 集裝箱表面測點壓力隨時間的變化歷程

列車在隧道內運行的空氣動力特性與明線運行空氣動力特性顯著不同。列車高速通過隧道，類似于活塞在氣缸內運動，在列車頭、尾部進、出隧道瞬間，繞列車運動的氣流受到隧道壁面制約形成壓縮波、膨脹波，這2種波在隧道內以音速向前傳播并在另一端隧道口反射，導致隧道內不同空氣壓力波相互疊加。當同種類型的波疊加時，壓力波幅值增加，而不同類型的波疊加時，壓力波幅值減小，使隧道內空氣壓力發(fā)生劇烈變化[12-13]。尤其當2列車在隧道內交會時，交會壓力波與隧道內的壓力波動疊加，使得隧道內列車交會產生的壓力變化幅值遠比明線交會時的大。

圖1 雙層集裝箱車測點布置Fig.1 Sensor locations on double container car

圖2 實車試驗動態(tài)壓力測試系統(tǒng)Fig.2 Sketch of full-scale train test system

圖3所示為貨物列車以120 km/h的速度與CRH2高速動車組以250 km/h速度在鷹嘴石隧道交會時，位于集裝箱箱體側面24號測點及其對應的52號測點壓力隨時間的變化曲線。由于雙層集裝箱車在裝載情況下車體高度很高，阻塞比較大，且箱體外形為鈍性，2車輛之間車載集裝箱間距較大，列車在隧道中運行時，隧道內壓力波動劇烈。由圖3可以看出：兩測點壓力波形基本相似，僅壓力幅值有所差異，24號測點和52號測點壓力幅值分別為2.984 kPa 和 2.572 kPa。這是由于24號測點位于集裝箱列車交會側，當交會瞬間列車交會壓力波疊加與隧道內壓力波動相互疊加時，其壓力幅值比非交會側的壓力幅值增加16%。

3.2 雙層集裝箱車所受氣動力

利用分塊積分方法[14]得到雙層集裝箱車所受的空氣壓差阻力、側向力及升力。根據(jù)測點布置位置將車體分成32個區(qū)域。然后，將各個區(qū)域的壓力乘以區(qū)域面積即可得到空氣對該區(qū)域的作用力。將各個區(qū)域的空氣作用力相加可得到該端面的總作用力，分別計算出交會側和非交會側的空氣作用力，相減后即可得到該輛雙層集裝箱車在隧道內交會的側向力曲線。采用同樣的方法，可以得到雙層集裝箱平車上箱所受的空氣壓差阻力及升力。

圖3 雙層集裝箱車測點壓力變化曲線Fig.3 Relationship between pressure of double container car and time

圖4 所示為貨物列車以120 km/h的速度與CRH2高速動車組以 250 km/h速度分別在大別山隧道及鷹嘴石隧道內交會時，2車交會瞬間被測集裝箱平車所受側向力隨時間變化曲線。從圖4可以看出：雙層集裝箱車在隧道內交會，由于列車在交會瞬間車體側壁會受到強烈的壓力沖擊，將引起較大的側向力。交會過程的側向力變化曲線變化趨勢與列車在明線交會的情況基本相同[15]。

圖5所示為貨物列車以120 km/h的速度通過鷹嘴石隧道時，單列雙層集裝箱車所受空氣壓差阻力隨時間變化曲線；圖6所示為貨物列車以120 km/h的速度與CRH2高速動車組以250 km/h的速度在鷹嘴石隧道內交會時，集裝箱平車所受空氣壓差阻力隨時間變化曲線。從圖5和圖6可以看出：不論單列車過隧道還是2列車在隧道內交會，當雙層集裝箱車輛進入隧道口時，空氣壓差阻力均急劇上升，之后又逐漸回落。平均阻力約為明線運行時阻力的1.56倍，對于列車在隧道內交會的情況，由于列車在交會瞬間交會壓力波的沖擊作用，雙層集裝箱車所受空氣壓差阻力也波動劇烈。

圖4 隧道內交會時雙層集裝箱車側向力隨時間變化曲線Fig.4 Relationship between side force on double container car and time when trains pass each other in tunnel

圖5 單列雙層集裝箱車過隧道空氣壓差阻力隨時間變化曲線Fig.5 Relationship between pressure drag on double container car and time when train enters into tunnel

圖6 隧道內交會時雙層集裝箱車空氣壓差阻力隨時間變化曲線Fig.6 Relationship between pressure drag on double container car and time when trains pass each other in tunnel

3.3 側向力與列車運行速度的關系

國外研究表明：臨界空氣動力持續(xù)作用于車體表面2～5 s才可能造成車體傾覆。據(jù)此，此次試驗計算列車交會過程中氣動力引起的車體2 s平均傾覆系數(shù)。

貨物列車與動車組在大別山隧道(隧道長 13.256 km)及鷹嘴石隧道(隧道長1.080 km)交會時，雙層集裝箱車所受側向力、升力及氣動力引起的2 s平均傾覆系數(shù)測試結果如表1所示。由表1可以看出：貨物列車以120 km/h的速度與CRH2動車組不等速交會，當動車組的速度從180 km/h增至250 km/h時，雙層集裝箱車所受氣動力及氣動力引起的2 s平均傾覆系數(shù)顯著增加，側向力增加60%左右，升力增加約90%。這說明列車在隧道內交會時，列車所受氣動力不僅與列車本身的速度有關，而且與之交會的列車運行速度密切相關；當貨物列車以120 km/h的速度和動車組以250 km/h的速度在大別山隧道和鷹嘴石隧道內交會時，雙層集裝箱車由氣動力引起的最大2 s平均傾覆系數(shù)分別為0.063和0.067，對車輛運行安全影響較小。

表1 貨物列車與動車組交會時雙層集裝箱車測試結果Table 1 Tested results of double container car as goods train and high speed train passing each other

4 結論

(1)當 2列車在隧道內交會時，交會壓力波與隧道內的壓力波動疊加，使得隧道內列車交會產生的壓力變化幅值遠比明線交會時的大，而車體交會側壓力變化幅值比非交會側的壓力變化幅值大16%。

(2)當雙層集裝箱車輛進入隧道口時，空氣壓差阻力均急劇上升，之后又逐漸回落。在隧道內運行的平均阻力約為明線運行時阻力的1.56倍，對于列車在隧道內交會的情況，由于列車在交會瞬間交會壓力波的沖擊作用，雙層集裝箱車所受空氣壓差阻力也波動劇烈。

(3)列車在隧道內交會時，列車所受氣動力不僅與列車本身的速度有關，而且與其交會的列車運行速度密切相關。

(4)貨物列車以120 km/h的速度和動車組以250 km/h的速度在大別山隧道和鷹嘴石隧道內交會時，雙層集裝箱車由氣動力引起的最大2 s平均傾覆系數(shù)分別為0.063和0.067，對車輛運行安全影響較小。

[1] 王英學, 高波. 高速列車進出隧道空氣動力學研究的新進展[J]. 中國鐵道科學, 2003, 24(2): 83-88.WANG Ying-xue, GAO Bo. New development of the aerodynamics of high-speed trains passing in and out tunnels[J].China Railway Science, 2003, 24(2): 83-88.

[2] Aschetz J. 高速列車空氣動力學[J]. 力學進展, 2003, 33(3):404-423.Aschetz J. Aerodynamic performance of a typical high-speed train[J]. Advanced in Mechanics, 2003, 33(3): 404-423.

[3] Auvity B, Bellenoue M, Kageyama T. Experimental study of the unsteady aerodynamic field outside a tunnel during a train entry[J]. Experiments in Fluids, 2001, 30(2): 221-228.

[4] Raghu S, Kimb H D, Setoguchi T. Aerodynamics of high-speed railway train[J]. Progress in Aerospace Sciences, 2002, 38(1):469-514.

[5] Howe M S. Pressure transients generated when high-speed trains pass in a tunnel[J]. IMA Journal of Applied Mathematics, 2000,65(3): 315-34.

[6] Bellenoue M, Morinie' re V, Kageyama T. Experimental 3-D simulation of the compression wave, due to train-tunnel entry[J].Journal of Fluids and Structures, 2002, 16(5): 581-595.

[7] 田紅旗. 中國列車空氣動力學研究進展[J]. 交通運輸工程學報, 2006, 6(1): 1-9.TIAN Hong-qi. Study evolvement of train aerodynamics in China[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering,2006, 6(1): 1-9.

[8] 鐵道部工程設計鑒定中心. 高速鐵路隧道[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2006: 20-35.Engineering Design Department of Ministry of Railways.High-speed railway tunnels[M]. Beijing: China Railway Press,2006: 20-35.

[9] Baron A, Mossi M, Sibilla S. The alleviation of the aerodynamic drag and wave effects of high-speed trains in very long tunnels[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2001, 89(5): 65-401.

[10] 劉堂紅, 田紅旗. 不同外形列車過隧道實車試驗的比較分析[J]. 中國鐵道科學, 2008, 29(1): 51-55.LIU Tang-hong, TIAN Hong-qi. Comparison analysis of the full-scale train tests for trains with different shapes passing tunnel[J]. China Railway Sicence, 2008, 29(1): 51-55.

[11] 田紅旗. 列車空氣動力學[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2007:268-303.TIAN Hong-qi. Train aerodynamics[M]. Beijing: China Railway Press, 2007: 268-303.

[12] Mashimo S, Iwamoto K, Aoki T. Characteristics of compression wave generated by a high-speed train entering tunnel[J].Engineering Sciences Reports, 1997, 18(4): 297-302.

[13] 何德昭, 徐鶴壽, 王厚雄. 列車通過隧道誘發(fā)的氣動變化規(guī)律的試驗研究[J]. 中國鐵道科學, 1997, 18(4): 42-43.HE De-zhao, XU He-shou, WANG Hou-xiong. Research on the variation regularities of aerodynamic events in tunnels arising from passing trains[J]. Engineering Sciences Reports, 1997,18(4): 42-43.

[14] 熊小慧, 梁習鋒. 雙層集裝箱列車過隧道空氣壓差阻力實驗研究[J]. 實驗流體力學, 2006, 20(3): 18-22.XIONG Xiao-hui, LIANG Xi-feng. Experimental research on pressure drag of the double container car passing through tunnel[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2006,20(3): 18-22.

[15] 田紅旗, 梁習鋒. 準高速列車交會空氣壓力波試驗研究[J].鐵道學報, 1998, 21(4): 37-42.TIAN Hong-qi, LIANG Xi-feng. Test research on crossing air pressure pulse of quasi-high-speed train[J]. Journal of the China Railway Society, 1998, 21(4): 37-42.