陳建樂 吳睿

摘 要：近年來國內(nèi)各大城市地鐵建設(shè)高速發(fā)展，地鐵隧道內(nèi)空氣壓力波控制成為我國地鐵快線設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文以成都地鐵18號線為例，借助CFD仿真計算，對地鐵隧道內(nèi)瞬態(tài)壓力進行分析研究，以提出提高乘客舒適度的可行建議，同時為其他新建快速地鐵線路的設(shè)計優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵;隧道;瞬態(tài)壓力;舒適度;CFD;仿真模擬

中圖分類號：U451.3;U270.1 文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進，城市軌道交通也得到快速發(fā)展。與此同時，隧道的空氣動力學(xué)效應(yīng)隨著列車設(shè)計時速的提高愈加明顯，列車通過隧道時產(chǎn)生的空氣動力學(xué)效應(yīng)對列車運行安全性、乘客舒適性造成了不良影響[1]。地鐵速度提升到120 km/h后，設(shè)計上保證了牽引和制動等性能，也充分考慮轉(zhuǎn)向架和車體等結(jié)構(gòu)件的安全和可靠，但是有一些地鐵行業(yè)內(nèi)未識別的問題也伴隨而來，其中之一就是，在某些條件下司乘人員會有短時間耳鳴、耳壓感覺，身體感覺不舒服。地鐵作為軌道交通主要的實現(xiàn)方式，其建設(shè)要求已經(jīng)逐漸從節(jié)能、環(huán)保、安全的層面提高到滿足乘客舒適度、提供更優(yōu)質(zhì)服務(wù)的層面，隨著乘客對服務(wù)質(zhì)量要求的提高，提高乘客舒適度迫在眉睫[2-3]。

1 瞬態(tài)壓力概述

當(dāng)高速列車進入隧道時，會在列車前方形成壓縮波，以接近音速沿隧道傳播，當(dāng)該壓力波到達隧道出口時，部分壓力波被反射回隧道。由于壓力波的連續(xù)反射，隧道內(nèi)部會產(chǎn)生復(fù)雜的壓力波相互作用，最終形成交變壓力波[4]。列車和隧道設(shè)備上的空氣動力學(xué)載荷很大程度上取決于隧道內(nèi)這些壓力波的大小和隨時間的變化率。由于列車在隧道中通過時多次遇到壓力波，它們會對隧道結(jié)構(gòu)和列車本身產(chǎn)生相應(yīng)的正負(fù)氣動載荷。列車內(nèi)外壓力的變化是時間的函數(shù)（強度取決于復(fù)雜的反射波現(xiàn)象），并被乘客感知為聽覺不適[5]。

與其他地鐵系統(tǒng)相比，成都地鐵18號線設(shè)計的超高列車速度（140 km/h）將會在整個地下系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生高瞬態(tài)壓力。壓力載荷不僅影響阻尼器、站臺屏蔽門等各種設(shè)備的結(jié)構(gòu)強度和安裝要求，而且會嚴(yán)重影響乘客的聽覺舒適度[6]。因此，必須在設(shè)計初期通過有效的手段來減少瞬態(tài)壓力波的產(chǎn)生和傳播。

2 瞬態(tài)壓力研究

2.1 研究方法

參考國內(nèi)外地鐵設(shè)計的已有經(jīng)驗，影響壓力波及其在隧道內(nèi)傳播的主要因素包括列車速度、列車頭尾阻力系數(shù)、列車和隧道的橫截面積、列車長度、通風(fēng)井的數(shù)量和隧道內(nèi)的交叉通道等[7]。本文根據(jù)成都地鐵18號線的實際情況，借助CFD仿真模擬，研究列車的運行速度和阻力系數(shù)對瞬態(tài)壓力的影響。

2.2 研究內(nèi)容

基于成都地鐵18號線前期設(shè)計確定的線路、隧道、列車、行車及通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，利用CFD軟件進行數(shù)值建模，采用通用的一維簡化模型，模擬得出成都地鐵18號線隧道段內(nèi)距離入口1 500 m處的瞬態(tài)壓力時變曲線，模擬的車體分別為壓力密封系數(shù)[8]為0.1的流線型列車和貨運列車。

因為本次試驗主要研究列車運行速度和阻力系數(shù)對瞬態(tài)壓力的影響，故采取對比試驗方法，具體的試驗參數(shù)如表1所示：

除了上表給出的可變參數(shù)外，還采用了以下邊界條件（對于所有對照組都是恒定的）：

環(huán)境條件：氣溫16.8[℃]，大氣壓力95[kPa];

隧道幾何參數(shù)：橫截面積40.6[m2]，阻力系數(shù)0.025[-]，長度3 000[m];

車站幾何參數(shù)：面積31[m2]（4.7[m]x6.6[m]），長度200[m];

列車參數(shù)：長度185[m]，面積11.4[m2]（3[m]x3.8[m]），

密封系數(shù)0.1[s]。

本文模擬的是地鐵列車進入沒有任何泄壓井的隧道段的情況（最不利的情況），這種情況的示意如圖1所示。

2.3 試驗結(jié)果

根據(jù)建立好的參數(shù)模型進行仿真試驗，為了方便后續(xù)的對比分析，將試驗結(jié)果以曲線的形式呈現(xiàn)。流線型列車和貨運非流線型列車以90 km/h和140 km/h的速度行駛時隧道內(nèi)瞬態(tài)壓力隨時間的變化情況如圖2、圖3所示。

1 500 m處的瞬態(tài)壓力曲線

模擬結(jié)果初步顯示：當(dāng)列車駛?cè)胨淼罆r，隧道內(nèi)的瞬態(tài)壓力最高，同時可以看出，與阻力系數(shù)相比，列車速度對瞬態(tài)壓力的影響要大得多（見表2）。試驗結(jié)果也驗證了列車運行速度和阻力系數(shù)這兩個因素出發(fā)，探求提升乘客舒適度方案的可行性。

2.4 結(jié)果分析

對比上述試驗結(jié)果可以看出，列車速度從140 km/h降低到90 km/h，會導(dǎo)致瞬態(tài)壓力較為明顯的降低，壓力降低了約700 Pa。除此之外，列車以140 km/h的速度行駛時，隧道中由于列車類型不同（即阻力系數(shù)變化）而導(dǎo)致的壓力降低約為300 Pa;以90 km/h的速度行駛時，隧道中由于列車類型（流線型或非流線型）的變化而導(dǎo)致的壓力降低約為100 Pa。

分析結(jié)果表明，在最壞的情況下，即在沒有任何泄壓井和泄壓旁路的情況下，列車以140 km/h的速度通過成都地鐵18號線地鐵站時產(chǎn)生的瞬態(tài)壓力會對相關(guān)設(shè)備（屏蔽門、風(fēng)門、OTE管道和風(fēng)機等）和性能要求（電機功率、最佳風(fēng)機曲線等）產(chǎn)生較大的影響[9]，對司乘人員的舒適度的影響更是不言而喻。

因此，必須考慮合理的措施來降低瞬態(tài)壓力，以達到提升乘客舒適度的目的，通過參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[10]和仿真結(jié)果可知，降低瞬態(tài)壓力的可行性方法如下：

（1）加大隧道面積（會增加建設(shè)成本，但是減少了車輛投資與運營成本）;

（2）增加車輛密封指數(shù)（可減小隧道面積，降低建設(shè)成本，但是空氣阻力增加，運營成本增加）;

（3）局部降低速度（可降低列車進入隧道時的車速，同時浪費不了多少時間）;

（4）結(jié)構(gòu)局部處理（隧道入口的結(jié)構(gòu)可以處理，減小隧道面積）;

（5）利用好豎井、橫通道、岔道降低瞬態(tài)壓力[11]（可減小隧道面積）。

3 結(jié)論

借助CFD仿真模擬，對成都地鐵18號線地鐵隧道內(nèi)瞬態(tài)壓力進行分析研究，發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)壓力隨列車速度的降低和阻力系數(shù)的減小而降低，并且從國內(nèi)外應(yīng)用實例和仿真結(jié)果出發(fā)，提出了降低瞬態(tài)壓力、提高乘客舒適度的可行建議，地鐵工程設(shè)計者在設(shè)計初期可以根據(jù)工程實況，選擇最具經(jīng)濟和社會效益的解決方案，同時為進一步推動線路規(guī)劃和車輛設(shè)計提供參考，為乘客舒適出行提供保障。

參考文獻：

[1]宋劍偉.關(guān)于隧道空氣動力學(xué)效應(yīng)造成地鐵列車客室壓力變化的探討與建議[J].鐵道機車車輛，2021（3）：119-124.

[2]林世生.關(guān)于廣州地鐵隧道空氣動力學(xué)效應(yīng)緩解措施的研究[J].隧道建設(shè)，2013（8）：650-658.

[3]王秀珍.地鐵列車氣動效應(yīng)分析[J].中國科技信息，

2011（21）：85-86.

[4]王建宇，吳劍，萬曉燕.車輛的密封性及瞬變壓力向列車內(nèi)傳遞規(guī)律[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2009（3）：12-16.

[5]張海天，陳健.深圳地鐵11號線隧道空氣壓力波研究[J].都市快軌交通，2011（5）：62-65.

[6]許利深.深圳地鐵11號線地鐵列車客室壓力變化率超標(biāo)分析及改進[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2019（5）：32-34.

[7]劉伊江.高速地鐵隧道壓力波研究及隧道斷面的擬定[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2010（S2）：119-124.

[8]車輪飛.城市地鐵隧道中間風(fēng)井處車箱內(nèi)瞬變壓力模擬分析[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，20110（3）：89-91.

[9]徐世南，張繼業(yè)，熊駿，等.地鐵列車通過隧道時的氣動性能研究[J].城市軌道交通研究，2016（9）：99-104.

[10]Song Pan，Li Fan，Jiaping Liu et al.A Review of the Piston Effect in Subway Stations[J].Advances in Mechanical Engineering，2013.

[11]楊寧.地鐵快線隧道內(nèi)空氣壓力波控制技術(shù)方案與效果[J].城市軌道交通研究，2018（7）：54-57.