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1、第 卷 第 期年 月兰州交通大学学报 文章编号 ：（）：铁路隧道列车活塞风的简化计算方法李炎， 周鸣镝， 张健（兰州交通大学 环境与市政工程学院 ，甘 肃 兰州 ；兰州市城市建设设计院 ，甘 肃 兰州 ）摘 要 ：提 出了一种适用于工程设计的活塞风简化计算方法 该 方法从运动列车与隧道气流的功能转换出发 ，以 列 车作用段作为活塞风压源 ，利 用流体力学的基本原理 、基 本方程和湍流半经验理论 ，提 出了活塞风压力和速度的计 算方法 以 现场实车的隧道空气动力学试验资料为参照进行对比 ，活 塞风速度的计算值与实测符合度较好 ，这 表明 以不可压缩定常流动为计算模型的活塞风简化计算方法可为活塞风
2、的工程实际应用提供理论基础关键词 ：铁 路隧道 ；活 塞风 ；计 算方法中图分类号 ：文献标志码 ： ， ， （ ，；，）： ， ， ：；经济的快速发展，人口的大量流动，对铁路运输 能力的要求日益增长在修建铁路时，大量的铁路隧 道，特别是长及特长单线隧道的大量修建 ，为列车活 塞风的合理利用提供了条件目前国内外对活塞风计算进行全面性研究的不 多见，只是涉及隧道内列车空气阻力 、隧道环境以及 隧道工作人员安全性问题时有所触及 隧 道空气动 力学研究一般有 种一维流动模型，即 不可压缩 非定常流动模型、不可压缩准定常流动模型 、定密度有限声速非定常流动模型 、可压缩非定常等熵流动 模型、考虑摩擦的
3、 可压缩非定常等熵流动模型和可 压缩非定常不等熵流动模型 除了第种模型，其余 种均为非稳态，在计算中 都会涉及数值计算，这 对 于工程应用来说并不方便 工程实际应用中需要的 是简单实用、相对准确的活塞风计算方法 针对这一 情况，本文提出了一种简单实用的活塞风计算方法 ， 同时又不同于国内所采用的活塞作用系数法，其 对环隙部分和列车与气流之间力的作用关系处理过 收稿日期 ：学报网址 ：作者简介 ：李 炎（），女 ，湖 南益阳人 ，副 教授 ，工 学博士 ，主要研究方向为隧道通风 ：兰州交通大学学报第 卷于简单 活塞风计算的流动模型）不可压缩流体的定常流动 ）列车壁（动 壁 ）与 隧道壁 （静 壁
4、 ）构 成 的 复 合 流动通过理论分析可知：该 理论模 型 能 够 充 分 反 映气流在隧道内的流动特征 ，同时 又满足理论分析 和数学求解的便利，因而可以保证 研究结论的通用 性、可行性和实用性 活塞风压力的构成 列车作用区间如图所示，取个流动断面，这 个断面 涵盖了列车头部、列车壁与隧道壁组成的环状空间 （环隙）和列 车 尾 部， 个 流 动 断 面 组 成 列 车 的 个 流动作用区间，为列车在隧 道内的绕流运动， 个作 用区间对应环隙进口流段 ，环隙均匀流段 和环隙出口流段43214321v2v0+v2v1v0v1v0-v1v0-v1FDv2v0+v243214321a 隧道参照系b
5、 列车参照系图 列车作用区间流动示意图 设隧道和列车的截面积分别为 和 ，环 隙 面积则为 图为隧道参照系，流动满足连 续性条件，即： （ ）（） 式中： 为活塞 风 速 度； 为环 状空间气流速度 ； 为列车速度引入阻塞比 ，得环状空间平均速度 ：（） （） 式中： 即为活塞风压力，由列车作用区间个流段 的增压构成； 为环隙均匀段增压； 和 为环隙进、出口流段增压式（）是 计算活塞风的控制方程之二进口段推动力增压取图中环隙进口流段为控制体，根据 式（）和式（），可得流段的静压差为（）式（）是计算活塞风的控制方程之一 活塞风压力的确定若取运动列车为参照系（见 图 ），可 将列车环 隙进口和出口
6、流段的非定常流动转化为定常流动 按相对性原理，流 体的力学规律不随参照系的不同 （ ） （） （）若不考虑车头流动表面的剪切力，控 制体的动 量方程为（ ）（）（ ） （）而改变，即 各断面的静压不论是对隧道参照系还式中：为列车头部作用于控制体的外力之一 ，数是对列车参照系都是相同的取列车参照系，建立和流段的能量 方程：值上为列车头部的绕流阻力 可采用其通用表达式， 即： （ ）（） （）（） ，（）式中： 为列车在隧道内 （受 限空间 ）的 绕流阻力 系数?将式（）代入式（）中，有： （）（） （） （ ） （ ） （） 式中： 和 分别是环状空间进、出 口流动的局 部阻力压降两式相加可得：
7、式（）与式（）联立，可得列车头部的推动力增压为第 期李炎等 ：铁路隧道列车活塞风的简化计算方法 活塞风的计算与检验（）（）（ ）均匀段剪切力增压对于列车壁（动 壁 ）与 隧道壁 （静 壁 ）所 组成的 环状空间而言，列车速度保 持不变时，均 匀段 活塞风压作用下的隧道气流，满足隧道纵向通 风的能量平衡，即： 为定常流动对环状空间速度分布规律进行分析 ，提 （ ）（）出其流动是由列车壁（动壁）的 型湍流和隧 道壁（静壁）的型湍流组合构成 按壁面流 动的无滑移条件，列车壁剪切力为与 方向一致的曳力，隧道壁剪切力为与 方向反向的摩擦力取环隙均匀段为控制体，根据动量原理， 均匀段增压为式（）是计算 活
8、塞风的第 个控制方程在 相 关特征参数和经验系数确定后 ，联立各控制方程和 相关关系式，即可求得活塞风压力和速度 为检验活塞风计算方法的可靠性，以 实际隧道 和列车为例，将计 算结果与实车现场测试结果进行 比较现场实车 试验中，活塞风速的测试结果较 少， 文献选取了英国 隧 道和法国的 （） 隧道 测试结果进 行 对 比 ，对 比 结 果 表 式中： 和 分别为列车壁和隧道壁的剪切力 ，明活塞风计算值与 隧 道的实测的方向与 的方向相反；和 分别为列车壁和值吻 合 度 较 好，与 隧道的实测值 偏 差 相隧道壁剪切力作用的有效面积根据湍 流 半 经 验 式，同 时 应 用 流 动 变 换 方
9、法，得列车壁面的摩擦速度为对较大，这与 隧 道 长 度 和 测 试 条 件 有 关文 中 的 现场实车试验选取了 年 月至 月铁道部在遂 渝线 提速综合试验中，对 动 车 组 通 过松林堡隧道和荆竹岭隧道的活 塞 风 进 行 的 现 场 测（ ） 试 第条隧道 是地铁 隧 道 ， 年 月 对 上式中： 是列车壁面当量粗糙高度 ； 是环状空间半当量厚度，其值等于环隙水力半径 列车壁切应力 为 （）以 表示隧道壁面当量粗糙高度 ，同 理，隧 道壁面摩擦速度为 海地铁四号线鲁班路站至大木桥站隧道活塞风的现场测试实车试验中列车 和隧道的基本参数见表，表汇总了主要计算结果，并 列出活塞风速 计算值与实测
10、值的相对差表和表中的试验序号、分别代表松林堡隧道、荆竹岭隧 道和上海地铁四号线鲁班路站至 大木桥站之间的隧道表 中表面当量粗糙高度相 关文献中未明确给出 ，依 照文献 的 分析，均 取为 （） 表 中活塞风速度的实测值 均 为 列 车 全 部进入隧道后的测量值 ，其中：松林堡隧道为距洞口隧道壁切应力为 （）出口段牵引力增压分析方法同，取列 车参照系，环 隙出口流 段为控制体，建 立能量方程、动 量方程、流 段 静压差和列车尾部的牵引力增压方程为 （） 和 处的实测活塞风速平均值 ；荆 竹岭 隧道为距洞口 处的实测活塞风速；上 海地铁四号线鲁班路站至大木桥站隧道为实测活塞风速最 大值，在 本次测
11、试中，列 车运行的 时 间 内 活塞风速度比较稳定 ，均趋向最大值表中对比结果显示：序号和 活塞风计算值与实测值吻合度 ，（）较好；序号的活塞风计算值与实测值相对差较大 ，（）（）造成的原因主要为（ ）（ ）（），（） （ ），（）实车试验 中隧道长度只有 ，而 行 车速度 达到 了 ，将 使 得 隧 道 内 的 活塞风在未完全达到稳定（即充分发展完全）时列车 就已经行出隧道，这是造成实车试验值与计算值存 （）（）（ ）在较大相对差的主要原因兰州交通大学学报第 卷）实车试验中，行车速度 仍为，而隧道 长度 增加到 ，使 得 列 车 在 进出隧道时有足够的时间保证活塞风充分发展至稳定 阶段，这种
12、状况与 本文提出的不可压缩流体定常流 动相符，所以实车试验值与计算值相对差较小 ）实 车 试 验 中，隧 道 长 度 和 行 车 速 度 均较小，分别是 和 ，与试验 相比，列车在隧道内行驶时间较长（试验中列车在 隧道内的行车时间是 ，试 验 中为 ），这 同样使得活塞风有充分发展至稳定的条件 ，所 以实车试验值与计算值相对差也较小表 实车试验中列车和隧道的基本参数 隧道参数列车参数试验阻塞比环状空间序号 （）当量厚度 表 活塞风计算结果 壁面切力压力活塞风速度试验静壁序号动壁剪切力增压 推动力增压牵引力增压总压力（计 算值）（实 测值）相对差（）（）（） （） （）（） 结论）活塞风 现场
13、实 测值与 计 算值的对比结果表 明，本文所提出的计算方法可行性较高 ，由于计算简 单，可用于单线隧道的活塞风工程设计计算 ）影响活塞风的主要因 素包括行车速度 、阻 塞 比、隧道长度和列车长度 ，但计算所涉及的一些次要 因素（例如壁面摩 擦系数 、表面当量粗糙高度 、车 头 绕流阻力系数等）也较重要，它们对计算结果的准确 性有一定影响，因此对这些参数的取值应慎重 这些 参数的取值参考范围及需要考虑的因素在文献 中给出了合理的建议和依据）表中的计算结果表 明，对 活塞风压贡献最 大的是均匀段剪切力增压 ，且列车越长效果越明显 ； 隧道长度相对较短时，活塞风速的波动增强 ，同理其 他的隧道空气动
14、力效应也增强参考文献： 梅 元 贵 ，周 朝 晖 ，许 建 林 高 速铁路隧道空气动力学 北 京 ：科 学出版社 ， 金学易 ，陈 文英 隧 道通风及隧道空气动力学 北 京 ：中国铁道出版社 ， 李炎 铁路隧道列车 活塞风特性分析及理论研究 兰州 ：兰 州交通大学 ， 普朗特 流 体力学概论北 京 ：科 学出版社 ， ： ，： ，： 李炎 ，周 鸣镝 ，张 健 铁路隧道内车头 绕流阻力系数的 确定兰州交通大学学报 ，（）： 章梓雄 ，董 曾南 粘 性流体力学北 京 ：清 华大学出 版社 ， 怀特 粘性流体动力学 北 京 ：机 械 工 业 出 版 社 ， 万晓燕 ，吴 剑 时 速 动车组通过隧道时空气动 力学效应现场试验与研究现 代隧道技术 ，（）： 万晓燕 ，吴 剑 ，余 南阳 客运专线铁路隧道瞬 变压力现 场试验及单维 效 应 分 析 现 代 隧 道 技 术 ，（）： 于连广 ，吴 喜 平 ，彭 博 ，等 隧 道列车活塞风解析方法 新探制冷空调与电力机械 ，（）：（责任编辑：赵冬艳）