基于壓力舒適性的400km/h雙線高速鐵路隧道凈空面積研究

王田天，吳小梅，張雷，錢博森，陸意斌

(1.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙，410075；2.湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，湖南 長沙，410082)

近年來，中國高鐵蓬勃發(fā)展，目前最高運(yùn)營速度已達(dá)350 km/h[1]。為滿足人們對(duì)更高出行速度的需求，國內(nèi)正在積極開展400 km/h 速度等級(jí)的高速鐵路研發(fā)工作[2-3]，其中一項(xiàng)重要研究是確定該運(yùn)行速度下的隧道凈空面積。確定鐵路隧道凈空面積時(shí)，不僅應(yīng)考慮隧道建筑限界和機(jī)車車輛界限，而且要考慮列車通過隧道時(shí)誘發(fā)的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)[4-5]。隨著運(yùn)行速度提升，列車隧道交會(huì)時(shí)瞬間氣動(dòng)載荷呈指數(shù)增大，不僅會(huì)對(duì)列車結(jié)構(gòu)和隧道附屬設(shè)施造成損壞，而且車外的劇烈壓力波動(dòng)會(huì)傳入車內(nèi)，沖擊乘客的耳膜，引起車內(nèi)人員壓力舒適性的問題[6]。列車內(nèi)瞬變壓力的變化能否符合乘客舒適度標(biāo)準(zhǔn)是確定高速鐵路隧道斷面尺寸時(shí)最重要的考量因素[7]。冉騰飛等[8]對(duì)速度為140 km/h的高速地鐵隧道凈空面積進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)隧道凈空面積采用現(xiàn)有速度為120 km/h、地鐵常用凈空面積26 m2時(shí)，所需地鐵列車密封指數(shù)為6 s；當(dāng)?shù)罔F列車密封指數(shù)取4 s和3 s時(shí)，所需地鐵隧道凈空面積分別為30.5 m2和35.7 m2。吳劍等[9]結(jié)合我國列車的實(shí)際密封條件和現(xiàn)行舒適度標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)車速分別為120，160 和200 km/h 的城際鐵路隧道凈空面積予以論證，為我國城際鐵路相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的制訂提供了參考依據(jù)。韓運(yùn)動(dòng)等[10]研究了車內(nèi)壓力幅值與列車速度的關(guān)系，構(gòu)建了車內(nèi)壓力幅值與列車速度的表達(dá)式，為高速列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)的安全性指標(biāo)提供了壓力評(píng)判依據(jù)。馬瑤等[11]對(duì)速度為350 km/h 的高速列車在不同時(shí)間間隔下高速列車通過不同長度隧道時(shí)車輛自身的動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù)進(jìn)行了探討。研究者對(duì)列車內(nèi)外壓力傳播機(jī)理和影響因素等也開展了研究，并基于舒適度標(biāo)準(zhǔn)對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用提出了建議。史憲明等[12]基于舒適性標(biāo)準(zhǔn)，探討了400 km/h 高鐵維持現(xiàn)有隧道凈空斷面運(yùn)行的可能性。

上述對(duì)于隧道凈空面積的研究大多集中于速度在350 km/h 及以下，對(duì)于速度為400 km/h 的高鐵研究缺乏具體的計(jì)算方法和過程展示。本文以16 車編組高速列車為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬和動(dòng)模型試驗(yàn)方法研究速度為400 km/h 的高速列車在不同凈空面積隧道交會(huì)時(shí)的氣動(dòng)載荷，并基于現(xiàn)有列車氣密性和壓力舒適性標(biāo)準(zhǔn)對(duì)速度為400 km/h的長編組高速鐵路雙線隧道凈空面積提出建議。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 數(shù)值模型

本研究選用16 車編組的高速列車，總長為413.2 m，模型如圖1所示，不同凈空面積雙線隧道模型橫截面如圖2所示。其中，凈空面積為100 m2的標(biāo)準(zhǔn)雙線隧道斷面高度為8.78 m，線間距為5 m[13]。凈空面積分別為90，95，105 和110 m2的隧道斷面參數(shù)則是由100 m2標(biāo)準(zhǔn)雙線隧道斷面乘以相應(yīng)的系數(shù)得到。為了模擬列車隧道交會(huì)時(shí)壓力波動(dòng)的極端情形，本文隧道長度采用最不利隧道長度Lcritical[14]，其表達(dá)式為

圖1 16車編組高速列車模型Fig.1 16-car unit high-speed train model

圖2 不同凈空面積雙線隧道橫截面Fig.2 Cross section of double track tunnel with different clearance area

其中：Ltr為列車長度；Mtr為列車運(yùn)行速度的馬赫數(shù)。由式(1)可得本研究對(duì)應(yīng)的最不利隧道長度為

1 265 m。

1.2 計(jì)算區(qū)域及邊界條件

圖3所示為本研究的計(jì)算區(qū)域尺寸及邊界設(shè)置示意圖。為了保證列車進(jìn)入隧道時(shí)計(jì)算域初始流場(chǎng)趨于穩(wěn)定，開始計(jì)算時(shí)，列車均距離隧道口50 m 處[15]。采用滑移網(wǎng)格技術(shù)模擬列車與列車以及列車與隧道之間的相互運(yùn)動(dòng)[16]，整個(gè)計(jì)算區(qū)域被劃分為3 個(gè)不重疊的區(qū)域。其中，2 個(gè)區(qū)域?yàn)榛朴?，分別包裹著列車A和列車B以速度400 km/h相向運(yùn)動(dòng)，其余域?yàn)殪o止域?；朴蚺c靜止域的交界面定義為交換面、列車和隧道壁面，外部空氣區(qū)域靠近隧道2個(gè)側(cè)面(山體面)以及地面設(shè)置為無滑移壁面。其他區(qū)域面設(shè)置為壓力出口。

圖3 計(jì)算區(qū)域和邊界條件Fig.3 Computational area and boundary conditions

1.3 計(jì)算網(wǎng)格

計(jì)算網(wǎng)格如圖4所示。本研究的高速列車帶有轉(zhuǎn)向架等復(fù)雜部件，因此，選擇混合網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行離散。將列車周圍區(qū)域離散為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余部分離散為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，列車表面上的最小網(wǎng)格邊長為0.05 m，隧道壁上最小網(wǎng)格邊長為0.2 m。在隧道凈空面積分別為90，95，100，105和110 m2工況下，網(wǎng)格總數(shù)分別為6 790萬、6 798萬、6 888萬、6 984萬和7 088萬個(gè)。

圖4 計(jì)算網(wǎng)格Fig.4 Computational grid

1.4 求解設(shè)置

本研究選用的求解軟件為FLUENT，這是一款基于有限體積法的商用求解器。列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，由于空氣受到隧道和車體壁面的影響，空氣應(yīng)視為可壓縮氣體[17]?？紤]到列車與隧道間的空氣受到摩擦和傳熱等影響，氣流為不等熵流動(dòng)，因此，采用非定常、黏性、可壓縮流的N-S方程來求解列車過隧道的流場(chǎng)。k-ε湍流模型目前廣泛應(yīng)用于列車通過隧道時(shí)的數(shù)值模擬[18]，其中，RNGk-ε湍流模型引入了時(shí)均應(yīng)變率，從而能提高列車流場(chǎng)求解的準(zhǔn)確性和可靠性，且與試驗(yàn)結(jié)果有更高的吻合度[19]，因此，本文選用RNGk-ε湍流模型求解。求解速度和壓力的耦合方式選用SIMPLE算法，基于格林高斯的單元法用來控制梯度變化，二階迎風(fēng)格式用于離散對(duì)流相[20]。為了保證滑移網(wǎng)格每步移動(dòng)的距離不會(huì)影響計(jì)算速度和可靠性，設(shè)置每步的時(shí)間為0.007 5 s，內(nèi)迭代50次[21]。

1.5 測(cè)點(diǎn)布置

列車模型部分測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示，頭車分布12個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別記為分別H1，H2，…，H12。中間車每節(jié)車外表面分布8個(gè)測(cè)點(diǎn)，14節(jié)中間車外表面共112 個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別記為M13，M14，…，M124。尾車與頭車前10 個(gè)測(cè)點(diǎn)分布一致，后2 個(gè)測(cè)點(diǎn)分別距離尾車鼻端點(diǎn)3.3 m和5.1 m，并位于列車中心面上，分別記為T125，T126，…，T136，16節(jié)車共布置136個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖5 列車表面測(cè)點(diǎn)Fig.5 Train surface measuring points

2 數(shù)值驗(yàn)證

2.1 動(dòng)模型試驗(yàn)

中南大學(xué)軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的動(dòng)模型試驗(yàn)平臺(tái)可使橡膠彈射使模型動(dòng)車組在模型線路上無動(dòng)力高速運(yùn)行，能準(zhǔn)確模擬兩動(dòng)車組在隧道中的交會(huì)過程。為了對(duì)本文采用的16 車編組隧道交會(huì)的數(shù)值方法可靠性進(jìn)行評(píng)估，在此平臺(tái)上展開速度為400 km/h 的高速列車隧道交會(huì)的動(dòng)模型試驗(yàn)。在進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了有效模擬實(shí)車在線路上運(yùn)行的實(shí)際情況，使測(cè)試數(shù)據(jù)具有真實(shí)性，應(yīng)確保一些重要的相似性參數(shù)在模擬試驗(yàn)和實(shí)車試驗(yàn)中一致。對(duì)于動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)，重要的相似性參數(shù)包括幾何相似、馬赫數(shù)相似、雷諾數(shù)相似[22]。在本次動(dòng)模型試驗(yàn)中，前2個(gè)參數(shù)保持一致，對(duì)于后1個(gè)參數(shù)，只需保持試驗(yàn)中模型列車?yán)字Z數(shù)大于等于臨界雷諾數(shù)(研究表明，臨界雷諾數(shù)約為3.6×105[23])，就可保證動(dòng)模型試驗(yàn)中列車模型周圍流場(chǎng)和產(chǎn)生的壓力滿足相似性原理和流動(dòng)現(xiàn)象的自模性。本動(dòng)模型試驗(yàn)選用的模型縮比為1:20，當(dāng)模型列車以400 km/h 運(yùn)行時(shí)，雷諾數(shù)為1.45×106，超過臨界雷諾數(shù)3.6×105，模型列車已進(jìn)入自模擬區(qū)。故本試驗(yàn)選擇縮比為1:20 的三車編組列車與隧道模型較合適。本次試驗(yàn)共進(jìn)行15 次彈射，其中，發(fā)射速度不在目標(biāo)速度1%以內(nèi)的工況不被選用，并采用所有選用工況的平均值為最終的試驗(yàn)結(jié)果。

試驗(yàn)選用的三車編組的高速列車模型，對(duì)應(yīng)總長為82 m的實(shí)際列車。頭車外表面分布12個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)數(shù)值模擬的測(cè)點(diǎn)H1，H2，…，H12，中間車外表面分布8 個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)數(shù)值模擬的M13，M14，…，M20，尾車外表面分布12 個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)為T125，T126，…，T136。隧道模型對(duì)應(yīng)的實(shí)際凈空面積為100 m2，長度為164 m，如圖6(a)所示。對(duì)比驗(yàn)證的數(shù)值方法采用的計(jì)算網(wǎng)格和求解設(shè)置分別與本文1.3 和1.4 節(jié)中的一致，數(shù)值模型為全尺寸模型。本次試驗(yàn)采用的Honeywell DC030NDC4壓力傳感器如圖6(b)所示，記錄高速列車通過隧道時(shí)壓力隨時(shí)間的變化。傳感器采樣頻率設(shè)置10 kHz，在重復(fù)性試驗(yàn)中所測(cè)量的壓力幅值誤差在±1%以內(nèi)。凈空面積為100 m2的隧道壁面上的測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示。試驗(yàn)中，在隧道壁面上共布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，圖7中可見的(即隧道長度的一半)隧道交會(huì)側(cè)壁面測(cè)點(diǎn)數(shù)為6個(gè)，非交會(huì)側(cè)壁面測(cè)點(diǎn)數(shù)(圖7(a)中括號(hào)內(nèi)測(cè)點(diǎn))為2個(gè)，分別記為S1，S2，…，S8。

圖6 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皦毫鞲衅鱂ig.6 The models and pressure sensor

圖7 隧道壁面測(cè)點(diǎn)分布Fig.7 Distribution of measuring points on tunnel wall

2.2 結(jié)果比較

3車編組動(dòng)車組以400 km/h于隧道交會(huì)，車體表面測(cè)點(diǎn)M13與隧道壁面測(cè)點(diǎn)S4的壓力時(shí)程曲線分別如圖8(a)和圖8(b)所示。由于數(shù)值模擬的隧道長度是動(dòng)模型試驗(yàn)長度的20 倍，因此，將試驗(yàn)的時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換。同時(shí)，由于雷諾數(shù)大于3.6×105，模型尺寸對(duì)列車周圍的流場(chǎng)影響很小，因此，試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的壓力可以代表全尺寸模型的壓力[15]。從圖8可見：除了隧道壁面測(cè)點(diǎn)S4在1.2 s后動(dòng)模型曲線比數(shù)值模擬曲線有所延后外，其余時(shí)間的數(shù)值計(jì)算曲線與動(dòng)模型曲線都較吻合；曲線的正負(fù)壓幅值之差為壓力峰峰值，表1所示為列車頭車測(cè)點(diǎn)H2、中間車測(cè)點(diǎn)M18、尾車測(cè)點(diǎn)T134以及隧道壁面測(cè)點(diǎn)S3。S5和S6的壓力峰峰值，最大壓力的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與動(dòng)模型試驗(yàn)結(jié)果的峰峰值之差在±3.2%之內(nèi)，證明本文采用的數(shù)值方法具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖8 數(shù)值模擬與動(dòng)模型試驗(yàn)壓力曲線對(duì)比Fig.8 Comparison of pressure curves between numerical simulation and dynamic model test

表1 數(shù)值模擬與動(dòng)模型試驗(yàn)壓力峰峰值比較Table 1 Comparison of pressure amplitude between numerical simulation and moving model test

3 結(jié)果分析

3.1 隧道壓力波分析

高速列車在凈空面積為100 m2標(biāo)準(zhǔn)雙線隧道等速交會(huì)時(shí)的壓力波動(dòng)傳播和隧道中間測(cè)點(diǎn)的壓力變化如圖9所示。規(guī)定列車車頭駛?cè)胨淼罆r(shí)(t=0 s)，到車尾駛出隧道整個(gè)過程持續(xù)15 s。取隧道中點(diǎn)處豎直方向?yàn)? m的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行隧道壓力波傳播分析，壓力波動(dòng)經(jīng)歷了2 次上升和上次下降過程。從圖9可見：列車A和列車B進(jìn)入隧道時(shí)，初始?jí)嚎s波在隧道中點(diǎn)相遇疊加導(dǎo)致C處壓力上升；壓縮波以聲速沿隧道傳播到隧道出口時(shí)反射成膨脹波并向隧道內(nèi)傳播，當(dāng)該膨脹波傳播至隧道中點(diǎn)時(shí)，與此同時(shí)，2列列車車尾進(jìn)入隧道引起的膨脹波到達(dá)此處并疊加導(dǎo)致D處壓力急劇下降，這些膨脹波以聲速傳播到隧道終點(diǎn)反射成壓縮波在隧道中點(diǎn)疊加導(dǎo)致E處壓力上升，這些波又反射回來導(dǎo)致F處壓力下降。隧道長度的改變將使壓力波在隧道內(nèi)疊加情況發(fā)生變化，進(jìn)而改變壓力波的最大幅值與出現(xiàn)位置。本文隧道模型采用列車隧道交會(huì)時(shí)的最不利隧道長度，車頭和車尾進(jìn)入隧道的時(shí)間間隔恰好等于波沿隧道單程傳播的時(shí)間，進(jìn)而導(dǎo)致車頭進(jìn)入隧道的初始?jí)嚎s波反射的膨脹波和車尾進(jìn)入隧道引起膨脹波在隧道兩側(cè)同時(shí)產(chǎn)生且恰好在隧道中點(diǎn)處疊加，在隧道中點(diǎn)處產(chǎn)生最大負(fù)壓，使得隧道內(nèi)的氣動(dòng)效應(yīng)最大，壓力波動(dòng)情況也最劇烈。

圖9 隧道中部測(cè)點(diǎn)的壓力傳播圖以及點(diǎn)壓力曲線Fig.9 Pressure propagation diagram and pressure curve of measuring points in the middle of tunnel

3.2 車內(nèi)外壓力傳遞

為反映列車氣密性能，常常使用密封指數(shù)進(jìn)行量化[24]。密封指數(shù)分為靜態(tài)密封指數(shù)與動(dòng)態(tài)密封指數(shù)。靜態(tài)密封指數(shù)在數(shù)值上等于車內(nèi)外壓差由初始值減少到初始值的37%所用的時(shí)間[24]。在試驗(yàn)過程中，車外的壓力保持恒定，而列車在隧道運(yùn)行過程中，車身經(jīng)歷的壓力是瞬態(tài)且劇烈變化的，因此，靜態(tài)密封指數(shù)無法很好地評(píng)估車內(nèi)的壓力波動(dòng)情況。而動(dòng)態(tài)密封指數(shù)能表征車外瞬變壓力傳遞至車內(nèi)的能力，可反映列車通過隧道時(shí)室內(nèi)壓力的變化，因此，本文選用的是動(dòng)態(tài)密封指數(shù)τ。國內(nèi)現(xiàn)無針對(duì)400 km/h列車密封性能的標(biāo)準(zhǔn)，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，350 km/h列車的靜態(tài)密封指數(shù)要求不小于50 s[25]，國際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中規(guī)定車輛動(dòng)態(tài)密封指數(shù)通常僅為車輛靜態(tài)密封指數(shù)的1/3～1/2[25]，這樣可得出350 km/h 列車的估算動(dòng)態(tài)密封指數(shù)為18～25 s。由于長隧道使傳遞過程壓力波能量產(chǎn)生更大衰減，隧道長度增加，列車的密封性能更好，動(dòng)態(tài)密封指數(shù)升高，可達(dá)到20 s。經(jīng)綜合考慮，本文采用動(dòng)態(tài)密封指數(shù)τ=20 s進(jìn)行研究。車內(nèi)部壓力變化率與內(nèi)外壓差呈正比，與密封指數(shù)呈反比，表達(dá)式為

其中：Pi為車內(nèi)部壓力；Pe為外部壓力；τ為動(dòng)態(tài)密封指數(shù)。當(dāng)列車密封指數(shù)為0即列車內(nèi)外壓力相等時(shí)，車內(nèi)壓力與車外壓力同步變化。列車密封性能越好，則車內(nèi)外壓力平衡的速率越小，即車內(nèi)的壓力波動(dòng)越滯后于車外的壓力波動(dòng)。由于2列列車速度相等，在隧道交會(huì)過程中壓力波動(dòng)完全對(duì)稱，因此，只需分析列車A 壓力波動(dòng)情況。將每節(jié)車廂的測(cè)點(diǎn)車內(nèi)外壓力峰峰值取平均值得到車內(nèi)和車外表面平均壓力峰峰值，分別如圖10(a)和圖(b)所示。從圖10 可以看出：隨著隧道凈空面積增大，車內(nèi)和車外表面的平均壓力峰峰值都不斷減?。粡念^車到尾車，車外表面的平均壓力峰峰值不斷減小，尤其尾車處壓力減小得很快；車內(nèi)的平均壓力峰峰值則呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，尾車部位增大的較快；車內(nèi)外平均壓力峰峰值在從頭車向尾車呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，說明車內(nèi)的壓力波動(dòng)情況不僅與車外表面壓力峰峰值有關(guān)，而且與車外表面壓力峰峰值的形成、持續(xù)時(shí)間以及衰減的時(shí)間有關(guān)。

圖10 從頭車到尾車方向列車平均壓力峰峰值變化Fig.10 Peak to peak variation of train average pressure from head to tail

為了進(jìn)一步探究列車內(nèi)外壓力傳遞關(guān)系，選取列車在凈空面積為100 m2的雙線隧道交會(huì)的情況下進(jìn)行分析。以列車剛駛?cè)胨淼罆r(shí)刻為時(shí)間零點(diǎn)，到車尾駛離隧道整個(gè)過程持續(xù)15 s。分別取頭車交會(huì)側(cè)測(cè)點(diǎn)H3，中間車交會(huì)側(cè)測(cè)點(diǎn)M40和M104以及尾車交會(huì)側(cè)測(cè)點(diǎn)T134車內(nèi)外壓力進(jìn)行對(duì)比，如圖11所示。從圖11 可見：車內(nèi)的壓力振動(dòng)情況較車外平緩，壓力幅值比車外約小1個(gè)數(shù)量級(jí)；列車各車廂外表面經(jīng)歷的壓力波動(dòng)有很大差異，測(cè)點(diǎn)H3，M40和M104都有第一個(gè)波峰，測(cè)點(diǎn)T134缺少第一個(gè)波峰。這是由于列車在隧道交會(huì)過程中，當(dāng)列車A的尾車駛?cè)胨淼廊肟跁r(shí)，對(duì)向列車駛?cè)胨淼酪鸬某跏級(jí)嚎s波已經(jīng)在隧道入口反射為膨脹波反向傳播，測(cè)點(diǎn)T134沒有經(jīng)歷初始?jí)嚎s波帶來的第一次壓力上升。隨后，測(cè)點(diǎn)H3，M104，M42和T134的壓力依次經(jīng)歷了車尾進(jìn)入隧道的膨脹波引起的下降，10 s以后，車內(nèi)外壓力趨于平穩(wěn)。

圖11 列車在凈空面積為100 m2隧道的交會(huì)壓力曲線Fig.11 Pressure curves of train crossing in 100 m2 tunnel

3.3 隧道凈空面積的影響

在不同隧道凈空面積下，頭車測(cè)點(diǎn)H3、中間車測(cè)點(diǎn)M64和尾車測(cè)點(diǎn)T134車內(nèi)外壓力波動(dòng)曲線分別如圖12～14所示。以列車剛進(jìn)入隧道的時(shí)刻為零點(diǎn)，到車尾離開隧道整個(gè)過程持續(xù)15 s。在列車駛?cè)氩煌瑑艨彰娣e隧道過程中，測(cè)點(diǎn)H3，M64和T134的車內(nèi)外壓力峰峰值都隨著隧道凈空面積增加而減小。由于隧道長度不變，不同隧道凈空面積下車內(nèi)外壓力波動(dòng)趨勢(shì)一致，車內(nèi)的壓力波動(dòng)滯后于車外的壓力波動(dòng)。12 s后，頭車在離開隧道，測(cè)點(diǎn)H3車外表面壓力趨近于零，車內(nèi)壓力穩(wěn)定在-700 Pa左右。對(duì)于測(cè)點(diǎn)H3車外表面的第一個(gè)波峰和波谷，車內(nèi)的壓力都有所響應(yīng)。當(dāng)車外表面壓力穩(wěn)定即車內(nèi)外壓差保持不變時(shí)，車內(nèi)的壓力以極小的速率和車外表面壓力平衡。測(cè)點(diǎn)M64車外表面壓力經(jīng)歷了波峰和波谷后趨于平穩(wěn)，車內(nèi)壓力變化趨勢(shì)和車外表面的相同。測(cè)點(diǎn)T134車外表面壓力缺少第一個(gè)波峰，在8 s 左右達(dá)到第一個(gè)波谷后迅速回升到初始值，之后又開始小幅度下降，車內(nèi)壓力對(duì)于第一個(gè)波谷有很好的響應(yīng)，對(duì)于之后的壓力迅速回升幾乎沒有響應(yīng)，12 s后又開始穩(wěn)步下降。

圖12 測(cè)點(diǎn)H3壓力波動(dòng)曲線Fig.12 Pressure fluctuation curves of measuring point H3

圖13 測(cè)點(diǎn)M64壓力波動(dòng)曲線Fig.13 Pressure fluctuation curves of measuring point M64

表2所示為測(cè)點(diǎn)H3，M64和T134車內(nèi)外壓力峰峰值。從表2可見：相較于90 m2凈空面積的隧道，列車在110 m2凈空面積的隧道交會(huì)時(shí)，測(cè)點(diǎn)H3車外表面壓力降低了29%，車內(nèi)壓力下降了22%；測(cè)點(diǎn)M64車外表面壓力降低了28%，車內(nèi)壓力降低了16%；測(cè)點(diǎn)T134車外表面壓力降低了25%，車內(nèi)壓力下降了28%?？梢姡^車的車外表面壓力峰峰值和尾車的車內(nèi)壓力峰峰值受隧道凈空面積影響較大。在同一個(gè)隧道凈空面積下，測(cè)點(diǎn)H3車外壓力峰峰值都大于測(cè)點(diǎn)T134車外壓力峰峰值，而車內(nèi)壓力峰峰值則相反。測(cè)點(diǎn)H3車內(nèi)壓力峰峰值都小于測(cè)點(diǎn)T134車內(nèi)壓力峰峰值。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是頭車車外壓力2個(gè)峰值之間的幅值大，但持續(xù)的時(shí)間很短，車內(nèi)壓力對(duì)車外的壓力波動(dòng)響應(yīng)不完整。而尾車車外壓力未經(jīng)歷第一個(gè)峰值，正峰值幾乎為零，因此，車外壓力峰峰值比頭車的小。尾車壓力負(fù)峰值形成以及持續(xù)的時(shí)間很長，車內(nèi)的壓力響應(yīng)很完整，尾車車內(nèi)的壓力峰峰值比頭車的大。

3 s 內(nèi)最大的壓力波動(dòng)是車內(nèi)人員出現(xiàn)耳感不適的主要原因[26]。根據(jù)“鐵路隧道設(shè)計(jì)施工有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)充規(guī)定”[27]，當(dāng)線路中隧道所占比例大于25%或通過隧道大于4座/h時(shí)，單、雙線隧道對(duì)應(yīng)的舒適度標(biāo)準(zhǔn)分別為800 Pa/(3 s)和1 250 Pa/(3 s)。本文研究的是16 車編組以速度400 km/h 在隧道中交會(huì)的情況，因此，選用車內(nèi)壓力波動(dòng)幅值不超過1 250 Pa/(3 s)為基準(zhǔn)對(duì)速度為400 km/h的高速鐵路隧道凈空面積進(jìn)行研究。

圖14 測(cè)點(diǎn)T134壓力波動(dòng)曲線Fig.14 Pressure fluctuation curves of measuring point T134

表2 不同測(cè)點(diǎn)車內(nèi)外壓力峰峰值Table 2 Comparison of pressure amplitude inside and outside the train of different measuring points Pa

圖15所示為列車交會(huì)側(cè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的3 s內(nèi)車內(nèi)最大壓力波動(dòng)幅值。從圖15可見：從頭車到尾車，列車車內(nèi)3 s 壓力波動(dòng)幅值先逐漸增大又緩慢下降，在中間車測(cè)點(diǎn)M104達(dá)到最大值；當(dāng)隧道凈空面積從90 m2增加到110 m2時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的壓力波動(dòng)幅值呈現(xiàn)穩(wěn)步下降的趨勢(shì)，測(cè)點(diǎn)M104的壓力波動(dòng)幅值從1 393 Pa 下降到1 102 Pa，下降20.9%；尾車的附近車外表面壓力波動(dòng)幅度較大，對(duì)氣密性能要求較高。由于車體總的氣密性受氣密性最差的部件影響最大，可局部加強(qiáng)車內(nèi)壓力波動(dòng)幅度較大、氣密性較差部位的密封性能來提升車輛總體氣密性。參考車內(nèi)壓力波動(dòng)的舒適性標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)隧道凈空面積為90 m2和95 m2時(shí)，分別有15 節(jié)、10 節(jié)車廂的車內(nèi)壓力波動(dòng)幅值超過規(guī)定舒適值，對(duì)于凈空面積為100，105 和110 m2的隧道，車內(nèi)壓力波動(dòng)都滿足規(guī)定舒適值，并且對(duì)于凈空面積為105 m2和110 m2的隧道，車內(nèi)的壓力波動(dòng)幅值離舒適度標(biāo)準(zhǔn)還有較大差距。增加隧道凈空面積，可以有效減少列車內(nèi)壓力波動(dòng)，但同時(shí)也會(huì)增加隧道土建部分的建造成本?；诂F(xiàn)有列車能達(dá)到的氣密性標(biāo)準(zhǔn)，在保證車內(nèi)壓力舒適度的前提下，400 km/h速度等級(jí)的長編組列車推薦的隧道凈空面積為100 m2。

圖15 不同凈空面積隧道3 s內(nèi)車內(nèi)壓力波動(dòng)幅值Fig.15 Amplitude of pressure fluctuation in vehicle within 3 s in tunnels with different clearance areas

4 結(jié)論

1)16 車編組的高速列車以速度400 km/h 在凈空面積為100 m2的標(biāo)準(zhǔn)雙線隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，從頭車到尾車上，車外表面的平均壓力峰峰值不斷減小，車內(nèi)的平均壓力峰峰值不斷增大。

2)列車在凈空面積為90 m2和95 m2的隧道交會(huì)時(shí)，分別有15 節(jié)、10 節(jié)車廂的車內(nèi)壓力波動(dòng)幅值超過規(guī)定舒適值。凈空面積為100，105 和110 m2的隧道車內(nèi)壓力波動(dòng)都滿足舒適性標(biāo)準(zhǔn)，并且凈空面積為105 m2和110 m2的隧道車內(nèi)的壓力波動(dòng)幅值離舒適性標(biāo)準(zhǔn)還有較大差距。綜合考慮現(xiàn)有高速列車氣密性與舒適度標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)行速度為400 km/h的長編組高速列車雙線隧道凈空面積推薦采用100 m2。