關(guān)于隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)造成地鐵列車客室壓力變化的探討與建議

宋劍偉

（深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東深圳518026）

軌道交通作為我國(guó)城市公共交通的一種重要運(yùn)輸方式，其運(yùn)量大、速度快、全天候的特點(diǎn)已經(jīng)成為人們?nèi)粘３鲂械膬?yōu)選方式。各大城市鼓勵(lì)優(yōu)先發(fā)展軌道交通，通過(guò)拓展和完善城市軌道交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，可以有效疏通交通流量，解決城市交通擁堵問(wèn)題［1］。地鐵作為軌道交通主要的實(shí)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性、提供更優(yōu)質(zhì)服務(wù)的層面，隨著乘客對(duì)服務(wù)質(zhì)量要求的提高，提高乘客舒適性迫在眉睫［2-3］。

1 研究背景

目前“一小時(shí)都市圈”的城市發(fā)展目標(biāo)，設(shè)計(jì)速度為80 km/h的地鐵速度等級(jí)已經(jīng)逐漸不能滿足城市覆蓋范圍要求，隨著設(shè)計(jì)速度100 km/h、120 km/h等較高速度等級(jí)地鐵的建設(shè)，一些在低速下被忽略的地鐵隧道空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題逐漸暴露出來(lái)。地鐵列車在高速運(yùn)行時(shí)，由于外界空間環(huán)境的改變，導(dǎo)致列車客室壓力瞬間發(fā)生較大變化，引起乘車人員出現(xiàn)耳鳴、耳痛等不適，影響了乘車舒適度，并且對(duì)列車的安全性具有潛在危害［4-5］。

某城市新建地鐵線路列車最高速度100 km/h，全線集高架線路、地下隧道、山體隧道于一體，且列車在運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，多次進(jìn)行高架—隧道線路轉(zhuǎn)換。在試運(yùn)行階段，隨車人員發(fā)現(xiàn)在列車運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)過(guò)隧道區(qū)間段時(shí)存在耳鳴、耳痛等不舒適感，在前進(jìn)方向?yàn)檎较虻奈曹囓囬T附近區(qū)域能夠聽(tīng)到明顯的嘯叫聲，并且尾車個(gè)別車門中間膠條下端出現(xiàn)短暫抖動(dòng)分離現(xiàn)象。通過(guò)觀察分析，判斷該現(xiàn)象為列車在經(jīng)過(guò)高架—隧道線路情況變化、隧道斷面突變運(yùn)行時(shí)，車輛內(nèi)外壓力變化引起的不適，并造成客室車門穩(wěn)定性下降。上述現(xiàn)象將會(huì)對(duì)乘坐體驗(yàn)造成不良影響，并且列車高速運(yùn)行中列車尾端門頁(yè)持續(xù)閃縫震動(dòng)影響部件壽命。文中通過(guò)對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行討論研究，分析了產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因，并提出了改善建議。

2 空氣動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)分析

作為有限空間內(nèi)的細(xì)長(zhǎng)體繞流問(wèn)題，隧道中運(yùn)行的地鐵列車在空氣動(dòng)力學(xué)方面其流場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，車外壓力波動(dòng)性明顯，且可通過(guò)車體孔縫致使車內(nèi)壓力變化，引起人體對(duì)壓力變化的感知，極大程度影響了乘客的舒適性。

2.1 壓力舒適度及壓力變化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

因個(gè)體差異性的存在，每個(gè)人對(duì)空氣壓力變化的感受不同，即使同一個(gè)人在同樣的空氣壓力變化情況下，由于健康狀態(tài)、環(huán)境感受、身心狀態(tài)等體感、情感因素的改變，仍然會(huì)有不同感受。同時(shí)，人耳在感受空氣壓力升高方面尤為敏感，特別對(duì)于升降大而緩慢的變化更為明顯，這些人體所感受到的壓力舒適度變化歸結(jié)于空氣波動(dòng)幅值的大小。

當(dāng)客室內(nèi)壓力變化率超過(guò)一定限定值時(shí)，會(huì)引起乘車人員耳部不適，降低乘車舒適度。通常，一個(gè)健康的人在承受1 000 Pa/s的壓力波動(dòng)的情況下，耳部生理癥狀不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響［6］，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)受高變化率壓力波動(dòng)的司乘人員，還可能會(huì)對(duì)耳部功能造成不可逆的傷害。因此，國(guó)內(nèi)外在空氣壓力變化對(duì)人體舒適度造成的影響展開(kāi)過(guò)不同程度的研究，并且對(duì)于壓力變化的研究成果也制定了不同的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［2］。一些發(fā)達(dá)國(guó)家通過(guò)壓力變化幅值和壓力變化率來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，制定了適合本國(guó)人群的指標(biāo)，見(jiàn)表1。國(guó)內(nèi)在借鑒國(guó)外研究成果的同時(shí)，經(jīng)過(guò)一定的試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)，在部分標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)這2項(xiàng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)作出規(guī)定，見(jiàn)表2。

表1 國(guó)外車內(nèi)壓力控制標(biāo)準(zhǔn)

表2 國(guó)內(nèi)部分車內(nèi)壓力控制標(biāo)準(zhǔn)

2.2 空氣壓力波動(dòng)理論分析

由列車縫隙傳入列車客室內(nèi)部而產(chǎn)生的壓力波動(dòng)，造成了車內(nèi)人員的不適［7-8］。因此，通過(guò)泄漏模型對(duì)列車密封效果的研究，可以對(duì)列車內(nèi)部壓力變化率進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

利用線性原理，假定列車內(nèi)部壓力變化率與列車內(nèi)外壓差成正比，為式（1）：

式中：Pin為列車內(nèi)部壓力，Pa；Pe為列車外部壓力，Pa；τ為列車密封指數(shù)，s；Δt為時(shí)間長(zhǎng)度，s。密封指數(shù)τ指在封閉車廂內(nèi)充至指定壓力降至目標(biāo)壓力所需的時(shí)間，時(shí)間越長(zhǎng)密閉性越好，可經(jīng)泄漏試驗(yàn)測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

同時(shí)，根據(jù)目前現(xiàn)有研究成果［6，9］，列車車體外表面壓力變化幅值可通過(guò)計(jì)算關(guān)系式：

式中：ΔP為列車車體外表面壓力變化幅值，Pa；ρ為空氣密度，kg/m3；v為列車運(yùn)行速度，m/s；β為阻塞比。

通過(guò)上述兩個(gè)計(jì)算公式可知，列車客室空氣壓力變化率與列車外部壓力成正比，與列車密封指數(shù)成反比；列車車體外表面壓力變化幅值與列車阻塞比成正比，與列車速度的平方成正比。

由此可知，通過(guò)減小列車外部壓力、改善列車密封性、減小阻塞比、降低列車速度等方面進(jìn)行控制，可以改變列車內(nèi)部壓力變化率和列車車體外表面壓力變化幅值，進(jìn)而提高乘車舒適度［7-8，10］。

3 線路試驗(yàn)分析

針對(duì)此新建地鐵線路在試運(yùn)行階段存在的引起人員耳部不適的現(xiàn)象，為了能夠準(zhǔn)確掌握列車在不同條件下客室壓力的變化情況，為了能夠準(zhǔn)確分析影響因素及提出改進(jìn)措施，對(duì)此選取列車進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

為了準(zhǔn)確分析列車內(nèi)外壓力變化，在選定列車的1車、2車、6車內(nèi)部，1車、6車的司機(jī)室側(cè)窗（雙側(cè)）、2號(hào)門（雙側(cè)）、5號(hào)門（左側(cè)）、新風(fēng)口及廢排口，2車2號(hào)窗（雙側(cè)）進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置，見(jiàn)表3。

表3 列車測(cè)點(diǎn)布置圖

3.2 試驗(yàn)工況設(shè)置

由于本線路為已完工線路，線路阻塞比已為定值，所以通過(guò)改變阻塞比的方式進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整的方案不可行，但不影響其作為分析因素。因此，本次試驗(yàn)工況的從列車速度、新風(fēng)口及廢排口的開(kāi)閉、車門結(jié)構(gòu)調(diào)整作優(yōu)化對(duì)比考慮，分析各因素所產(chǎn)生的的效果如何。工況設(shè)置見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)工況設(shè)置

3.3 試驗(yàn)工況對(duì)比

首先，列車以ATO模式由車站1運(yùn)行至車站15，對(duì)在正常行駛狀態(tài)下的車外壓力變化進(jìn)行試驗(yàn)記錄。經(jīng)試驗(yàn)記錄，以1車2號(hào)車門處壓力變化為例，得到車外壓力曲線如圖1所示。

圖1 1車2號(hào)門車外壓力曲線

由圖1可知，有5個(gè)區(qū)段壓力變化值較為嚴(yán)重，分別為車站1至車站2區(qū)間，車站3至車站4區(qū)間，車站8至車站9區(qū)間，車站9至車站10區(qū)間，車站10至車站11區(qū)間，并且車輛左側(cè)壓力幅值變化要大于右側(cè)壓力幅值變化。

3.3.1 阻塞比的影響

為了具體分析車外壓力突變的原因，特選取車站4至車站3區(qū)間，以工況4的方式進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。在此區(qū)間運(yùn)行時(shí)，列車依次經(jīng)過(guò)矩形隧道（425 m）、圓形隧道（2 228 m，含通風(fēng)井）、矩形隧道（37 m）、單洞單線馬蹄形隧道（211 m）、單洞雙線馬蹄形隧道（392 m，中間設(shè)有隔墻）。發(fā)現(xiàn)車外壓力在各類型隧道區(qū)間的變化值存在差異，如圖2、圖3所示。

圖2 1車車外壓力變化值

圖3 6車車外壓力變化值

通過(guò)分析該區(qū)間隧道阻塞比發(fā)現(xiàn)，大部分阻塞比在0.48~0.5范圍（見(jiàn)表5），高于地鐵快線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（CJJT 298-2019）中對(duì)100 km/h以上列車阻塞比標(biāo)準(zhǔn)不大于0.45的要求。通過(guò)分析壓力變化曲線可知，阻塞比對(duì)壓力變化具有一定影響。

表5 車站4至車站3區(qū)間阻塞比

3.3.2 速度的影響

以工況2和工況3作對(duì)比，在空調(diào)正常模式下，通過(guò)改變列車形式速度，對(duì)車內(nèi)最大壓力差做記錄，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 速度對(duì)車內(nèi)最大壓力差的影響

由于地鐵快線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)于2020年3月1日起實(shí)施，本條線路建設(shè)時(shí)期早于該標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布日期，遂根據(jù)地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范中壓力變化率415 Pa/s的指導(dǎo)要求進(jìn)行判定。由數(shù)據(jù)分析可得：在80 km/h的速度下，1車、6車均可以滿足要求，但隨著速度提高至95 km/h時(shí)，6車在2處區(qū)段不滿足要求。

3.3.3 新風(fēng)口及廢排口的影響

以工況3和工況4作對(duì)比，在速度相同的條件下，通過(guò)調(diào)整空調(diào)模式，對(duì)車內(nèi)最大壓力差做記錄，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

表7 新風(fēng)口及廢排口的開(kāi)閉對(duì)車內(nèi)最大壓力差的影響

根據(jù)壓力變化率415 Pa/s的指導(dǎo)要求，由數(shù)據(jù)分析可得：在改變空調(diào)模式，關(guān)閉新風(fēng)口和廢排口可抑制車內(nèi)壓力變化，但壓力改善約10 Pa/s，效果不理想。

3.3.4 車門結(jié)構(gòu)調(diào)整的影響

以工況3和工況5作對(duì)比，在空調(diào)正常模式和相同試驗(yàn)速度條件下，通過(guò)調(diào)整1車、6車客室車門結(jié)構(gòu)和車門密封膠條換型，對(duì)車內(nèi)最大壓力差做記錄，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表8。

表8 車門結(jié)構(gòu)對(duì)車內(nèi)最大壓力差的影響

根據(jù)壓力變化率415 Pa/s的指導(dǎo)要求，由數(shù)據(jù)分析可得：通過(guò)調(diào)整1車、6車客室車門結(jié)構(gòu)，6車車內(nèi)壓力變化得到了約12%~20%的改善，數(shù)據(jù)均滿足415 Pa/s的要求。如果可以結(jié)合關(guān)閉新風(fēng)口與廢排口，可進(jìn)一步改善效果。雖然車門結(jié)構(gòu)調(diào)整后的改善效果也較為明顯，但其實(shí)際調(diào)整過(guò)程中受制因素較多。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，在阻塞比確定的前提下，分析了不同速度、新風(fēng)口及廢排口開(kāi)閉、車門結(jié)構(gòu)調(diào)整等條件下的車內(nèi)外壓力變化，得到以下結(jié)論：

（1）列車在局部隧道存在耳部壓迫、嘯叫現(xiàn)象，究其原因是由于隧道斷面大小的影響，引起的車內(nèi)外壓力突變，壓迫耳部；列車尾部受氣流影響，車門穩(wěn)定性降低，發(fā)生車門輕微抖動(dòng)分離，造成車門密封不嚴(yán)，加劇了嘯叫聲。

（2）速度對(duì)比。在80 km/h及95 km/h速度下，1車均可滿足車內(nèi)415 Pa/s的要求，但6車受影響較大，并且隨著速度的提高，空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)更加明顯，變化率超標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象更加嚴(yán)重。

（3）開(kāi)閉新風(fēng)口和廢排口對(duì)比。關(guān)閉新風(fēng)口和廢排口可抑制車內(nèi)壓力變化，但改善效果不明顯。

（4）車門結(jié)構(gòu)調(diào)整對(duì)比。1車、6車車門結(jié)構(gòu)調(diào)整后，車內(nèi)壓力變化改善了約12%~20%，壓力變化率滿足415 Pa/s的要求。

（5）如果以地鐵快線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中壓力變化率作為判定依據(jù)，降低運(yùn)行速度為最優(yōu)選擇，但可能會(huì)對(duì)增加旅行時(shí)間，且對(duì)于司機(jī)室仍然有較大影響。

4.2 建議

目前，部分影響地鐵建設(shè)的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)落后于地鐵建設(shè)前進(jìn)的步伐，通過(guò)后期運(yùn)營(yíng)方式的改善，不能從根本上解決建設(shè)過(guò)程中遺留的問(wèn)題。特別是在提高人體乘坐舒適性方面，列車車內(nèi)壓力大幅度反復(fù)波動(dòng)對(duì)乘車人員耳部的沖擊，不僅影響乘坐舒適性，長(zhǎng)期可對(duì)司乘人員的身體健康造成影響。

（1）增加隧道斷面。在新建線路設(shè)計(jì)階段，要充分考慮阻塞比的影響，通過(guò)擴(kuò)大隧道斷面，能夠降低空氣壓力幅值、減緩壓力波動(dòng)，從根本上降低空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。同時(shí)，可綜合考慮線路速度目標(biāo)值、線路阻力、牽引能耗等因素，尋求建設(shè)成本與運(yùn)營(yíng)成本的平衡點(diǎn)，優(yōu)化線路設(shè)計(jì)。

（2）車輛設(shè)計(jì)優(yōu)化。地鐵列車設(shè)計(jì)主要為非密閉車輛，氣密性較低，通過(guò)結(jié)合線路設(shè)計(jì)要求，增加列車氣密性指標(biāo)要求。同時(shí)，可結(jié)合改進(jìn)車輛通風(fēng)口、車門結(jié)構(gòu)、密封膠條選型等措施，進(jìn)一步提高列車的氣密性。

（3）區(qū)間限速運(yùn)行。由于對(duì)已完工隧道進(jìn)行改建的復(fù)雜性，可以通過(guò)適當(dāng)調(diào)整列車進(jìn)入特定區(qū)間段的速度，犧牲一定的運(yùn)行時(shí)間，以達(dá)到降低列車內(nèi)外壓力波動(dòng)幅值目的，進(jìn)而改善乘車舒適性。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在運(yùn)營(yíng)線路上的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)對(duì)列車客室壓力變化具有較大影響，雖然設(shè)計(jì)考慮上的不足可以通過(guò)后期采取相關(guān)措施進(jìn)行改善，但是終究不能解決根本問(wèn)題。客室壓力變化造成乘車人員耳部舒適度問(wèn)題不容忽

視，應(yīng)避免由此問(wèn)題帶來(lái)的健康危害。因此，針對(duì)今后快速地鐵的建設(shè)，需要總結(jié)前期問(wèn)題的根本原因，為后期設(shè)計(jì)優(yōu)化提供方向，可以充分發(fā)揮快速線路應(yīng)有的價(jià)值。