城市快速轨道交通空气动力学相关问题探讨.pdf

都 市 怏 轨 交 通 第 2 4 卷第 2 期2 0 1 1 年4 月 学术探讨 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 2 6 0 7 3 ． 2 0 1 1 ． 0 2 ． 0 1 5 城市快速 轨道 交通 空气 动 力学相关 问题 探讨 吴 炜 高慧翔 彭金龙 中铁二 院工程集 团有 限责任公 司地下铁道设计研究 院成 都6 1 0 0 3 1 摘要随着城 市轨道 交通 的快速发展， 其设 定的最 高速 度 目标值 突破 了现 行地铁 相 关规 范最 高速度 的 适 用 范 围， 许 多在 低 速 时 可 以忽 略 的 空 气动 力 学现 象在 快速 时就 变得 不容 忽 视 ． ．结 合 目前 的 隧道 阻塞 比， 给 出城 市快速轨 道 交通 所 出现 的 由空 气动 力 学效 应 引起 的相关现象， 并结合地铁 自身特 点进行定性分析， 提 出 相应的减缓措施 ， 以期对进一步的研 究提供参考方向， 对类似 工程 有所 帮助 关键词城 市快 速轨 道 交通 空 气动 力学 阻塞 比 减缓措 施 中图分 类号 1 2 l 文献标 识码A 文章编 号1 6 7 2 6 0 7 3 2 0 1 1 0 2 0 0 6 3 0 5 随着地铁 客流量 的增 大 ， 尤 其是 日益严 重 的交通 运输压力 ， 促使 各地轨 道交 通运 营部 门对 已投入 运 营 的线路 ， 不断提 高其 运行 速度 ， 缩 短列 车行 车 间隔 ， 以 达到提高 系统 输送 能力 的 目的。 目前 ， 部分 地铁 的最 大行车速度 已经达到 1 2 0 k m ／ h ， 甚 至超过 该值 。一 些 城市 的新建线路更是直接将首条线 路的最高速 度 目标 值直接提 到 1 2 0 k m ／ h或 以上标准 。 根 据 国内已建 成 的设 计 时速在 1 0 0 k m ／ h以下 的 城市轨道交通系 统的运 行情 况 ， 表 明乘 客对 隧道 内 由 于列车运 行所 造 成 的压 力和 压 力变 化 尚未 有不 良反 应 l 1 ， 地铁设计 和运营已臻成熟 。 采用 1 2 0 k m ／ h的最高运行速 度 目标值 ， 突破 了现 行 地铁设计规范 和项 目建设标准所限定的1 0 0 k m ／ h 最高速度 限值 2 _ 3 J 。国内采用 盾构 内径为 5 ． 4 m 的地 铁线路 ， 当运 营时 速 达 到 1 2 0 k m时 ， 已有 部分 司乘 人 收稿 日期 2 0 1 0 0 6- 2 9 修 回日期 2 0 1 0 0 8。 2 4 作者简介吴炜 ， 男 ， 四川省 成都市 通锦路 3号 ， 工程 师， 工学硕 士 从事地铁环控设计工作 ， wu 2 2 w e i 1 6 3． c o m 员 出现耳呜 、 耳痛等身体不适 的情 况 ， 如广州地 铁 3号 线 、 香港地 铁新 机场 快线 等 _ 4 J ， 这 就是 由于隧 道空 气 动力学效应所致 。 对隧道空气动力学效应 ， 目前 国内外学者针对高速 铁路进行 了大量的相关研究 ， 但是针对城 市轨道交 通隧道空气动力学效应的研究却鲜有报道 。 l 快速地铁隧道空气动力学 问题 1 ． 1 快速地铁 速度标 准的设定 目前 ， 国内城市轨 道交 通列 车速 度并 无 明确划 分 高 、 低速 ， 根据现行 地铁设计规范 ， 常规地铁列车最高 运行速度一般为 8 0 k m ／ h ， 即便是 最高时速在 1 2 0 k m的 快速地铁 ， 由于信号限速 ， 其最高 运营时速也仅在 1 1 0 ～ 1 1 5 k m， 相比我国铁路列车运营速 度的划分标准_ o J 而言， 城市轨道交通列车速度也只算是介于常速和中速之间。 但 同时应注意到 ， 地铁 隧道断面很小 ， 隧道阻塞 比 列车横截 面积 与隧道净 流通断 面比值 较之于 国铁 而 言要大 很 多。 比 如 ， 对 于一 般 B型 列 车 ， 相 对 常 规 5 ． 4 m盾构 内径断 面 ， 其 隧道 阻塞 比达 到 0 ． 5左 右 ， 从 高速铁路隧道空气 动 力学 的研究来 看 ， 阻塞 比是影 响 隧道空气动力学现象 的一 个关键 因素 _ 6 J ， 结合 目前既 有时速 1 2 0 k m线路 所 出现 的一 系列涉 及空 气动 力学 的问题 ， 由时速在 l O 0 k m以上 的地 铁列车诱 发的隧道 空气动力学效应不容忽视 。 因此 ， 针对列 车速度 突破 1 0 0 k m ／ h的城市轨 道线 路 ， 同时区别 于国铁 的“ 高速 ” ， 将其定义为快 速地铁 。 1 ． 2 快速地铁 隧道 空气动力学工况分析 针 对快速 地铁 隧道 空气动 力学 工况 分析 ， 必 须要 分析其 空气动 力学效 应产 生 的原 因， 可借 助对 国铁隧 道空气动力学研究方法进行分析 。 1 ． 2 ． 1 隧道内空气压力波的形成 当列车在 开阔 的地面 上运行 时 ， 列 车前 面的空 气 都市快轨交通 第2 4卷 第2期 2 0 1 1 年 4月 可以毫无阻挡地被排挤 到列 车的两侧 和上部 ， 形成 亚 音速绕流运动 ， 而列车前 方 和周 围 的空气压力 变化很 小 J 。但 当地铁 列车 进入 隧道并 在隧 道 内快速运 行 时， 由于隧道 内壁 大大 限制 了空气 的侧 向流动 和向上 流动 ， 从而使列车前方的空气 受压缩 ， 即列 车前方的空 气压力突然升高 ， 被列 车排挤 的空气一 部分沿 隧道 向 前流动 ， 另一部分 空气则 通过列 车与 隧道 壁之 间的环 状空 间向列车后 方流动 ， 环状空 问流 到后 面 的空气流 量小于列车所排 开的空气 流量 ， 在 列车尾 部形成很 强 的负压。列车头部前方部分空气受到压缩形成 初始压 缩波 ， 该压缩波在 隧道 内类 似于一 平面波 阵面在 管道 内的传播 ， 以近似声 音 的速度沿着 隧道长 度 向着 隧道 远端传播 8 J 。图 1 给 出了列车进入隧道时初 始压缩波 的产生及隧道 内气流的流向。 一 ／ ／ ／ ／ ⋯⋯一． ① 图 1 列车进入隧道时压缩波的产生 在初始压缩波的传播过程 中， 一方面 ， 压缩波经 过 的地方压力会升 高 ； 另一方 面 ， 对 于压缩波 而言 ， 南于 非线性 因素的影 响l ， 波上各 点 的速度 不一样 ， 波 后 的速度及音速都大 于波前 ， 因此随着 波传播 距离 的增 加 ， 其波形会发生改变 ， 波前会逐渐变 陡。当压缩波 遇 到截面突变处 如 活塞风孔 、 中间风井 、 联 络通道 、 隧道 出 口等 ， 会产生膨胀 波沿隧道反 射 ， 并 与不 断产生 的 压缩波交会 ， 使得 隧道 内空气压力产生频繁的波 动。 可见 ， 压力 波动就是 诱发 隧道空气 动力学 相关 问 题的根本原因。 1 ． 2 ． 2 由隧道空气动力效应诱发的问题 结合高速铁路 以及既有快速地铁 出现 的空气动 力 学现象可知 ， 由快速地铁 所诱发 的这一 现象会 带来一 些不利影响。 1 ． 2 ． 2 ． 1 对乘 车舒 适度 的影响 从前述分析可知， 地铁列车快速在 区间隧道内运行 经过中间风井或从地面进人地下洞 口时 ， 气压变化尤为 剧烈。此外 ， 由于存 有配线 分岔 区间为一 大断面 ， 包 含几条股道 ， 因此存在列 车两线交会 的情况 ， 此时隧道 内的气压变化亦较 为强烈 ， 这将通过车体直接影响车 内 环境的压力变化， 导致车 内压力波动频繁， 造成司乘人员 瓤 j 醇 u R 队 N R A P ID R A IL T R A N S IT 出现耳鸣等不舒适感 ， 从而降低乘车舒适度。 1 ． 2 ． 2 。 2对 隧道 内行 车 阻力的影响 列车在隧道 内的行车 阻力主要包 括两部 分 机械 阻力 D M 和气动阻力 DA E 7 J ， 下面给 出 目前 常用 的一个 拟合公式 ， 即 DDMDA n6 2 1 式中， n 、 6 、 C 为与 实验有关 的测试 系数 ， “IJ 表示 列车速 度 ， 表示列车质量。 以下是 目前用 于计算气动阻力 的经验公式 ， 有 1 DA _ p A C d pA ／ d f 2 厶 式 中， 为列 车速度 ， p为 空气 密度 ， A 为列 车 断面积 ， c d 为车体前后压差引起 的压差 阻力系数 ， d 为列车水 力直径 ， 2 为 列车长度 ， A 为综合 水力摩擦 系数 综合 考虑了列车壁面、 各车厢连接处、 受电弓、 列车底部结 构等形体因素与空气之间的摩擦 ， 可见括号 内第 1 项 表示 由于车体前 后压 差所带 来的阻力 ， 第 2项 表示 由 于综合考虑摩擦所带来的阻力消耗项。 从式 1 和式 2 可知 ， 列 车运 行阻力不仅 与列车 速度有关 ， 而且 与隧道内引起 的车体前后压差有关联。 1 ． 2 ． 2 ． 3对 隧道通 风 的影响 南前述 可知 ， 隧道 内列 车运行 阻力 随着车速 和车 体前后压差而增加 ， 且运 营能耗增加 ， 列 车隧道 内散热 量就会相应地增 大 ， 将直接 引起 隧道 内热量积 聚和温 度升高 ， 给隧道 内活塞通风运营带来不利影响 。 1 ． 2 ． 2 ． 4 对车站屏 蔽 门的影响 目前 ， 大部分南方城市的地铁快线均考虑加装屏蔽门 系统 ， 将车站轨行区和公共区分隔开， 以确保人员的安全 ， 同时降低车站公共区负荷 ， 利于系统节能。但同时也注意 到 ， 随着列车速度的增加， 导致隧道 内风压的变化， 使屏蔽 门两侧空气压力发生变化 ， 对整个系统产生不利影响。 I 门体两侧 风压 变化直接 导致屏 蔽 门门体漏 风 严重 ， 从而使站 内隧道和车站公共 区两股不 同温 、 湿度 的气流混合 ， 影响车站内的设计参数 ， 而 降低候 车环境 舒适度 ， 造成车站公共 区冷量损失严重 ， 降低 了预期 的 系统节能效果 。 2 两侧压差直接给屏蔽门体 的承压标准提 出了更 高的要求。在 G B 5 0 4 9 0 --2 0 0 9 城 市轨 道交 通技术 规 范 中专门针对站台屏蔽门的承压提出了定性 的要求 。 可见 ， 针对快速地 铁下屏 蔽 门承 受风压 应给予充 分重视 。 1 ． 2 ． 2 ． 5对 隧道 洞 口周 围地 面的影 响 对隧道洞 口周 围地 面 的影响 ， 主要 是考虑 到列车 城 市快速轨道交 通空气 动力学相关 问题 探讨 持续在隧道 运行 ， 并 冲 出洞 口时 ， 产 生 的压 力 脉 冲波 即微气压波 对 周边环境 造成 的噪声和振 动影 响 见 图 2 。 隧道 入 口 出口 匠 ⋯ ， ， 图 2 洞 口压 力脉 冲波 的形成过 程 2 快速地铁网络特性分析 针对快速地铁 内空气动力学效应带来 的不利影响， 如何采取相应的措施来减缓这种影响， 是在新线快线设 计 中需要引起设计者注意的问题。与 国铁不 同， 地铁 网 络特性复杂 ， 既有地 面部分 ， 也有地下部分 ， 隧道阻塞 比 大， 行车密度也较 国铁大 。在分 析提 出相应 的措施前 ， 必须要对快速地铁 的网络特性加 以分析。 2 ． 1 隧道 阻塞 比 快速地铁作为城 市 轨道公 共交 通 ， 主要 用 于解决 城市内部交通 ， 线路 一 般沿城 市道 路敷 设 。为 降低 工 程造价 、 风险以及建设期 间对城 市交通 的影 响 ， 需尽量 减小土建工 程 规模 ， 对 隧道 而 言 ， 需 尽 量减 小 隧 道 断 面 。在常规 车速下 ， 其断面往往根 据地铁 限界 ， 满 足最 低要求 即可， 几 乎不 考虑 空气 动力 学效应 的影 响 。当 地铁列 车的最 高运 行速 度 为 8 0 k m ／ h时 ， 标准 的单洞 单线 隧道断 面积一般为 2 0～ 2 2 n 1 2 ， 而地铁 车辆断面积 一 般 为 1 0～1 1 m ， 故针对快线地铁隧道 的阻塞 比值一 般在 0 ． 4 5～ 0 ． 5 ， 远大 于国铁 隧道 的阻塞 比值 。 2 ． 2 地铁隧道 网络 相 比国铁隧道 网络 而 言， 地 铁 网络 内往往 既有地 面线 、 高架线 又 有地 下 线 ， 且 地 下段 隧道 所 占比重很 大 ， 沿线设置若干车站以及相应 的通风竖 井 ， 为保证 运 营组织需要 ， 宜在沿线每隔 3～ 5个车站 加设停车线 或 渡线 _ 2 j ， 此外 为保 证 内部 的消 防疏 散 ， 两 条单 线 区间 隧道 内应设置联络通道 _ 9 ， 相 邻两个联 络通道 之 间的 距离不应大于 6 0 0 m， 联络通道 内应设 置 甲级 防火 门。 从上述分析可知 ， 地铁隧道网络不仅长 ， 而且复杂。 2 ． 3 行 车密度 地铁 网络内的高峰小时发车间隔通常为 9 0～ 2 4 0 S ， 且根据平峰、 高峰时段密度有 所变化 。对 同一 条线 左 线或右线 的整个地下 区段而言 ， 同时在 线的列车均 为 同向追踪运 行 ， 地铁列车在 网络内往往是 经历进站 、 停 靠 、 加速 、 巡航 、 惰 行 ， 最 后制 动减速 进站 的循 环过 程 ， 前后车 的相对速度随时变化 。针对站 间距 较长 的特 长 区间 ， 还可能 出现几 列 车 同时在一 条隧 道 内运 行 的情 况 ， 因此与 国铁相 比， 地铁 系统具 有阻塞 比大 、 隧道 网 络复杂 、 发车密度大等特点 。 3 压力舒适度的确定 目前针对常规地铁线路 ， 由于车速 H X ,-J- 较低 ， 并未 出现不 良反应 ， 因此 相关 规范 并未就 此做 出 明确 要求 和规定 。从 既有线 路 出现 的问题来 看 ， 出现不 良反应 的都是 由压力变化 所导 致 的， 因此针 对快 速地铁 网络 内关 键指标压 力舒 适度 的确 定至 关重 要 ， 同时该 指标 的确定也是开展其余相应研究 的基础 。 3 ． 1 压力舒适度指标制订复杂性 舒适度标 准的制 订有 较大 的复杂 性 ， 主要 体 现在 如下 几个方 面 o J 。 1 不 同 的 人 感 受 同样 的 压 力 变 化 ， 个 体差 异 较大 。 2 同一个人在不 同场 合下 ， 对 同样 的压力变化感 觉也不相 同， 对 压力 的反应 取决 于健 康 、 疲 劳程度 、 心 情和环境 。 3 人耳对压力升高 比对 压力降低感 觉更敏感 ， 尤 其对大而缓慢 的压力升降变化区别更为明显。 4 压力快速 变化 带来 的不舒适 性 与压 力 波动 的 幅值有关。 5 人对压力波动会 有“ 短期 记忆 ”， 即早期感受 的 剧烈压力 波动很快 会被 随后 的压力 波 动感受所 替代 。 后期 感受的记忆 时间更 长 ， 可提供更持久 的感受。 压力舒 适度标 准不 宜太高 ， 也不宜太低 ， 太高则相 应的措施跟不上 ， 导致成本增加 ， 太低则起不到作用。 所 以， 改善司乘环 境 的前提 或 者说原 则 是必 须 可靠 、 低成本地维持车 内环境 。 3 ． 2 压 力舒适度指标研究现状 目前 ， 压力舒适度指标分为 3种 不同 的表达 形式 最大压力变化 幅值 P 、 最 大压力变化梯 度 D P ／ D T和 单一 时间间 隔内的最大 压力变 化值 P I I S ， 并 由此 得到下面 2种压力平 均指标 j 。 单一型 以某一指定时间 内的压力 增量作为指标 ， 即采用第 3种的判断形 式。 复合型 对不 同 时间 内 的压力 变化 作 了规定 ， 要 求 同时满足前两种形式的压力变化值 。 表 1 给 出了 目前国内外所 采用 的舒适度标准 。 城 市快速轨道 交通空 气动力学相关 问题探 讨 2 利于引入室外新风到地 下区 间内 ， 以满足列 车 内人员 的最小新风量 要求 ， 避免 出现 因隧道 内新 风 不 足造成 的列车 内人员 的不舒适感 。 3 车站两端活塞通风道流通 断面增 大 ， 利于将 列 车的活塞气流分流 ， 减小屏蔽 门承受活塞风荷载 。 从上述分析可看 出 ， 针对通 风竖井断 面 的大小 ， 存 在一个 理论上 的最佳值 ， 应综合进一步研究 。 4 ． 1 ． 3 洞 口的处理 快线地铁 列车 突入 洞 口时 ， 会 引起 列 车周 围气压 发生剧 烈波动 ， 影响乘车舒适度 ， 此 外一些线路 列车快 速驶 出洞 口时 ， 会在洞 口周 围释放 压力脉 冲 ， 给周 围环 境带来不利影 响。借鉴国铁隧道空 气动力 学 的研 究经 验 ， 采用设置缓冲的结构型式 ， 可 以减缓上 述不利 现象 的发生 。至于采用 缓 冲 的型式 ， 要 结合 实 际土建 工程 的外部条件 ， 加以数值模 拟研究做进～步分析 。 4 ． 2列车方面措施 目前 ， 针对地铁 列 车采取 的措施 主要 体现 在增 加 列车气密性能和改善列车流线型两方 面。 国内外 高速 铁路为保证乘客的舒适度要求采取 了提 高列车气 密性 的措施 ， 也能够解决 当速度 目标 值提 高到 1 2 0 k n v ／ h时 乘客的舒适性 。 4 ． 2 ． 1 提高列车气密性 1 优点 提高车辆的气密性 ， 是从地铁 车辆本 身考 虑的， 不影 响隧道结构 ， 因此建设期土建投资不会增加 。 2 缺点 提高 车辆 的气 密性 ， 需 要 对车 辆增 加气 密性设计 ， 制造工艺 中增加保证气 密性 的措施 与工序 ， 会大大增 加车辆 的制 造成本 。此外 ， 车辆一 旦投 入运 营 ， 为保证 气 密性 ， 车辆 的维护 工 作 量较 普 通 列 车增 加 ， 会增大维护成本 。另外 ， 地铁列 车绝 大部分 时间在 区间隧道 内运行 ， 区 间隧道 内 的新 鲜空 气没 有外 界充 足 ， 提高列 车 的气 密性 ， 势 必会 减 少 车 内外 的 空气 交 换 ， 造成车 内的空气质量下 降。因此 ， 提 高车辆 的气密 性解决空气动力 学舒 适度 的 同时 ， 会带 来列 车通 风 问 题 ， 对此还需要与车辆厂家联合做进一 步研究 。 4 ． 2 ． 2改善列车流线型 1 流线型车头 。根据 国铁 的研究 经验 ， 车辆 采用 流线型 车头亦 能减缓 隧道 压力 波动 ， 但 应注 意与地 铁 限界 的关 系 ， 确保满 足限界要求 。 2 流线型车身 。转 向架 的处理 、 车身下部裙 板和 车外 附件 的设计 、 车底设备 的布置等 ， 减少气动影 响。 5 结语 随着城市的发展， 快线地铁的建设 已是大势所趋。从 既有线路 出现 的不 良反应来看 ， 对 于时速超过 1 0 0 k m ／ h 的快线地铁 ， 必须要 考 虑采取 措施 来缓解 由空 气动力 学带来 的不利影响 。针对要开展 的快线地 铁建设建议 做相 关的快 线专题研 究 ， 对各种 措施 的采 取要采 用全 局把握 ， 并结合投 资 、 运 营维护等方面综合进行考虑。 参考 文献 [ 1 ]王迪 军， 罗燕萍 ， 张智力． 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E r y u a n E n g i n e e r i n g G r o u p C o ． ，L t d ． ，C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 Ab s t r a c t W it h t h e h i g h- s p e e d d e v e l o p me n t o f u r b a n r a il t r a n s i t ， t h e t a r g e t ma x i mu m t r a i n v e lo c i t y h a s e x c e e d e d t h e v e lo c i t y r an g e s p e c i fi e d i n t h e c u r r e n t me t r o d e s i g n c o d e s ．S o me a e r o d y n a m ic p h e n o m e n a w h i c h c o u M b e i g n o r e d u n d e r t h e l o we r v e lo c i t ie s h a v e b e c o me v e r y p r o m i n e n t t rad e r t h e h ig h s p e e d ．T h i s p a p e r p r e s e n t s r e la t iv e a e r o d y n a mi c p h e n o me n a c o n c e r n e d wi t h t h e b l o c k a g e r a t io a n d q u a l i t a t ive ly an a ly z e s s o me a l l e v i a t i o n me a s u r e s a c c o u n t i n g f o r t h e s p e c ial t i e s o f s u b wa y ． Ke y wo r d s urb a n r a p i d r a i l t r a n s it ；a e r o d y n am i c s ； b l o c k a g e r a t i o ；a ll e v ia t i o n 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