本文是一篇工程硕士论文，论文针对高速铁路250 km/h~350 km/h速度级下的隧道气动效应相关问题，围绕压力波传播机理、微气压波空间分布规律及其缓解措施开展了一系列数值仿真模拟及实车测试试验分析。
1 绪论
1.1 研究背景及意义
随着社会经济发展水平的逐渐增长，人们对于快速、便捷的出行需求日益增长。高速铁路因其运量大、速度快、能耗低等优点，而在世界各国交通运输系统中广泛采用。根据UIC（国际铁道联盟）的定义，高速铁路是指营运速度达每小时200 km/h的铁路系统。自世界第一条高速铁路投入运营至今，高速铁路技术在几十年内得到了长足的发展，世界高速铁路运营总里程逐年增加。总体来看，世界范围内的高速铁路发展经历了四个阶段：
（1）初期探索阶段。1964年前，最高运行速度的列车以试验车型为主，如AEG公司的动车（1903年，最高时速210.2 km/h）、Frank Kruckenberg公司的铁道飞艇（1931年，最高时速230.2 km/h）及德国铁路05型蒸汽机车（1936年，最高时速200.4 km/h）。这一阶段为高速铁路的诞生奠定了技术储备；
（2）第一次建设高潮。1964年竣工通车的日本东海新干线，标志着第一条长期稳定安全运行的高速铁路系统的诞生，同时也代表世界高速铁路迎来了新纪元。日本之后，法国、德国等国也逐渐开始加大对高铁技术的研究。1981年，法国的首条高速铁路TGV南线投入运营；1988年，德国ICE-V试验列车创造了406.9 km/h的世界记录。这一阶段，日、法两国的发展思路均是以首都为中心，建立与其他核心城市点对点联系的高铁干线。
（3）第二次建设高潮。德国在吸取日、法两国高铁建设经验的基础上，开始构建联系国内各大城市的高速铁路网ICE（Inter City Express）。1991年，第一条ICE开始投入运营，此外欧洲范围内法国、意大利、英国、荷兰、瑞典等发达国家，也开始大规模修建高速铁路网，逐渐形成了欧洲高速铁路网络。
（4）第三次建设高潮。世界范围内高速铁路的建设得到了长足的发展，中国、韩国、西班牙等国均加大了对高速铁路的投资和建设力度。其中，我国高铁建设速度最快、运营里程最长，是这一阶段的代表。
1.2 国内外研究现状
高速铁路隧道空气动力学效应是指：当动车组高速通过隧道时，由于列车车头突入隧道，列车与隧道衬砌内表面间的环形空间内空气受到剧烈挤压，由此在列车前方形成压缩波，以声速在隧道内传播。当压缩波传播至隧道洞口时，一部分能量以膨胀波的形式反射回隧道内，另一部分则辐射至隧道外环境中，形成微气压波如图1-5所示。
隧道空气动力学效应主要导致三方面的问题：
（1）隧道内压力波传递至列车车厢时，乘客在列车内可能经历耳鸣、呕吐等不适症状，导致乘车舒适性降低。
（2）压缩波与膨胀波在隧道内往复传播的过程中，形成的气动载荷将作用于车体、隧道衬砌及隧道内附属设施表面（如图1-6所示）。长期作用时，将对其结构造成一定损伤。
（3）隧道洞口处产生的微气压波中包含大量振动频率在0~20 Hz之间的低频次声波，容易引发洞外周边建筑物结构（如门、窗等）、人体腔体与重要器官的共振，在危害结构安全的同时对附近居民的生理、心理造成一定负面影响。同时，当微气压波幅值较大时，微气压波中的高频成分还将诱发“音爆”现象，在隧道洞口出形成一定的噪音污染。
2 高速铁路隧道空气压力波传播特性及变化规律
2.1 隧道空气动力学数值仿真模拟
2.1.1 数值仿真模型
数值模拟采用8编组CR400AF动车组模型，在计算域中建立1：1隧道和高速列车模型。其中，动车组高4050 mm，宽3360 mm，总长208.95 m，横截面积11.95 m2。由于研究重点是隧道内压力波及洞口微气压波变化规律而非列车车体的空气动力学效应，因此对动车组模型进行适当简化以缩短计算时间并降低计算资源消耗。列车模型如图2-1所示。
（1）简化动车组表面。真实动车组表面并非光滑曲面，有诸如门把手、车灯等凸出物，将动车组表面简化成光滑曲面，假定表面粗糙度沿车身均匀分布。
（2）简化车体转向架与受电弓。相对列车车体模型而言，由于转向架结构与形状非常复杂，因此在模型建立中进行了简化。
计算域均采用剪切体网格（Trimmed Mesh），考虑到一些几何构造复杂区域（如隧道缓解结构、列车头部和列车尾部）处的计算精度，网格模型中进行了局部网格加密。同时考虑到计算资源，外流场网格大小划分为四个尺寸（0.5 m、1.0 m、2.0 m和4.0 m）如图2-2所示。为改善边界层流场解，对于低雷诺数k-ω湍流模型族，要求y+≤1；因此在列车表面处第一层高度为1.5×10-6 m的列车体上，拉伸8层增长率为1.2的棱柱层网格；同样，在隧道壁面上拉伸了第一层高度为2.0×10-5 m的6层网格。同时考虑到流体的粘性，隧道衬砌、地面和列车车体的表面定义为无滑移壁面；进出口外流场域边界（地面除外）定义为压力出口。为了模拟壁面边界的真实情况，隧道壁面和地面的粗糙高度分别为2.0 mm和5.0 mm；同时，列车表面的粗糙高度均设置为1.0 mm，可在认为列车车体的粗糙度分布均匀。
2.2 隧道空气压力波传播特性及变化规律
2.2.1 列车速度影响
列车速度为250 km/h时，隧道内测点PA*-1至PA*-7压力峰值曲线如图2-15所示。从压力峰值变化规律来看，在靠近隧道进出口范围内，首波压力峰峰值变化明显，其中进口50 m范围内随着压力波传播压力峰峰值显著增加，出口250 m范围内随着压力波传播压力峰峰值显著减小。初始压缩波传播至隧道内200 m处，靠近列车一侧的压力峰值（PA*-1~ PA*-3）高于远离列车一侧压力峰值（PA*-4~ PA*-7）。当压缩波传播至隧道纵向位置250 m之后时，压力峰值在隧道断面的分布则相对均匀，不同测点的压力正峰值在横向空间分布上一致，初始压缩波由三维空间分布转变沿纵向方向的一维平面波。
列车速度为300 km/h时，隧道内测点PA*-1至PA*-7压力峰值曲线如图2-16所示。从压力峰值变化规律来看，在靠近隧道进出口范围内，首波压力峰峰值变化明显，其中进口100 m范围内随着压力波传播压力峰峰值显著增加，出口150 m范围内随着压力波传播压力峰峰值显著减小。初始压缩波传播至隧道内250 m处，靠近列车一侧的压力峰值（PA*-1~ PA*-3）高于远离列车一侧压力峰值（PA*-4~ PA*-7）。当压缩波传播至隧道纵向位置250 m之后时，压力峰值在隧道断面的分布则相对均匀，不同测点的压力正峰值在横向空间分布上一致，初始压缩波由三维空间分布转变沿纵向方向的一维平面波。
3 高速铁路隧道洞口微气压波影响因素及传播特性 .......................... 48
3.1 微气压波影响因素分析...................... 48
3.2 列车速度影响 ................................. 50
3.3 净空面积影响 ............................... 52
4 高速铁路隧道微气压波缓解措施研究 .......................... 81
4.1 不同速度级隧道洞口缓解结构的缓解效果研究 ........................ 81
4.1.1 250 km/h速度级洞口缓解结构研究 .................... 81
4.1.2 350 km/h速度级洞口缓解结构研究 ...................... 89
5 结论与展望.............................. 107
5.1 结论 .................................. 107
5.2 展望 .............................. 108
4 高速铁路隧道微气压波缓解措施研究
4.1 不同速度级隧道洞口缓解结构的缓解效果研究
高速铁路设计速度明确了速度分级为250 km/h、300 km/h、350 km/h 三挡[2]，其中列车250 km/h速度级隧道净空面积为92 m2，列车300 km/h、350 km/h速度级隧道净空面积均为100 m2。结合高速铁路设计速度为250 km/h（92 m2）及350 km/h（100 m2）隧道洞口缓解结构常见设计型式，分析不同缓解结构型式的首波压力峰值、压力梯度峰值及微气压波幅值的演化规律，并对比隧道洞口不同缓解结构型式下的缓解效果。
4.1.1 250 km/h速度级洞口缓解结构研究
图4-1所示为列车以250 km/h速度通过隧道洞口缓解结构为SH250-Ⅰ型、SH250-Ⅱ型、SH250-Ⅲ型、SH250-Ⅳ型时的计算结果云图。
5 结论与展望
5.1 结论
论文针对高速铁路250 km/h~350 km/h速度级下的隧道气动效应相关问题，围绕压力波传播机理、微气压波空间分布规律及其缓解措施开展了一系列数值仿真模拟及实车测试试验分析。通过数值模拟建立了不同隧道净空面积、洞口连接段的三维数值模型，分析了高速铁路250 km/h~350 km/h速度级下隧道内压力波的传播特性，揭示了隧道净空面积、洞口连接段等因素对初始压缩波压力峰值、压力梯度峰值及洞口微气压波幅值的影响规律。并明确了高速铁路隧道洞口常见缓解结构型式及长大隧道洞内辅助坑道对首波压力梯度峰值及微气压波幅值的缓解效果。
（1）当列车以同一速度通过不同净空面积隧道时，隧道进口测点50 m处的首波压力峰值与隧道净空面积为1.2次幂函数关系，首波压力梯度峰值与隧道净空面积约为1.5次
