东莞轨道交通2号线空气动力学及运行舒适度的研究与实践（上）

东莞轨道交通2号线空气动力学

及运行舒适度的研究与实践（上）

东莞市城市轨道交通线网由4条线路组成，是东莞市连接各镇街及珠三角周边城市，具有“内聚外联”功能的骨干线网。其中1号线总长69.6 km，2号线总长55.7 km，3号线总长66.2 km，4号线总长26.8 km，线网总里程218.3 km（见图1）。

东莞市城市轨道交通2号线（后简称2号线）首通段（一期、二期）37.8 km，是东莞市轨道交通线网中连接东莞北部与西南部的骨干线，居住人口密集、交通繁忙、城镇间客运交通来往量较大，共设车站15座，其中高架车站1座，地下车站14座，在东城区茶山站西侧设车辆段1座，线网控制中心设于西平站西北侧，全线共设置2座主变电所。

由于东莞市城市轨道交通线网 1～3号线线路比较长，为了满足乘客全线网整体出行的时间要求及全线网主要技术标准的统一，东莞市城市轨道交通线网拟定的最高运行速度目标值为120 km/h。

图1 东莞市城市轨道交通线网

1 标准及理论分析

目前我国现行《地铁设计规范》（GB 50157—2013）和《城市轨道交通工程项目建设标准》（建标 104—2008）限定的列车最高运行速度为100 km/h，地铁列车在隧道内一般以不高于100 km/h的速度运行，在隧道内高于100 km/h的速度运行需要另行专题研究设计。为了缓解地铁列车在隧道内高速运行对乘客造成的影响，2号线在设计之初就隧道空气动力学、乘客舒适度、隧道断面的选择、车辆气密性及流线型设计开展了专题研究，形成专题报告指导后续相关设计工作。

1.1 车辆空气动力学及舒适度标准

随着列车在隧道内运行速度的提高，空气压力变化传入车厢内给乘客造成的不舒适程度逐渐增加。为了解气压变化对人体舒适性的影响，英国、日本、德国等高速列车发达国家对此开展了大量研究。目前，国际上对气压变化环境下人体舒适度评价有两种方法：一种是通过压力变化幅值和压力变化率两个指标来进行评估；另一种是考核某一时间段内的压力变化幅值，这一时间段是根据人耳对外界气压变化完成自我调整所需时间来确定的。世界各国根据各自的试验研究结果、线路条件等，制定了不同的人体舒适度评价标准。

慕尼黑德国联邦铁路总局（BZA）对志愿受试人员在试验压力舱和新建线路运行列车中进行了大量的试验，得出结论：对于空气压力波的忍受力没有绝对不变的极限。对旅客舒适度的影响取决于：

1）空气压力波动变化的幅度（Pa）；

2）压力上升或压力下降的梯度（Pa/s）；

3）发生该波动的频繁性。

在压力变化幅度和梯度之间确定了一种关系：压力变化越大，压力变化加速度就越小，如图2所示。

图2 耳感不舒适度评定曲线

图2中曲线为大多数乘客“正好还没有不舒适感觉”的压力变化与所需时间的关系。这些值偶尔超过1次（例如，1h1次），绝大多数乘客能够无抱怨地接受，而较频繁地超过该值时就会感到不舒适，并会越来越敏感。在遇到隧道断面变化、通风井时，随着压力迅速上升会出现明显不适的感觉。

回顾国内外研究制定空气动力学舒适度标准的过程，绝大多数国家都在最初制定的标准基础上进行了调整，逐渐趋于中间水平。在舒适度标准中，越来越多地采用单一时间间隔内的最大压力变化值标准。根据欧洲和日本近期对压力舒适性方面的研究，发现人体建立中耳和外界的压力平衡所需时间大约为3～4s，即人耳对压力的反应时间为3～4s，采用单一时间间隔内的压力变化值能较准确地反映出人体舒适度。因此，2号线空气动力学舒适度准则采用单一时间间隔内（3s）的最大压力变化值标准作为空气动力学舒适度评价指标，在此基础上，兼顾气压变化率不超过一个固定值。

综上所述，参考我国高速铁路对舒适度标准的研究，综合国内外相关数据，选择2号线车辆客室内压力≤700 Pa/3s，同时兼顾气压变化率在330～370 Pa/s。

对于司机室，司机在其中的工作时间相对较长，经受压力波动的频次更多，其标准应比客室车厢内的标准高一些，选择司机室车厢内压力≤600 Pa/3s。

1.2 空气动力学仿真计算

1.2.1 主要影响因素

1）列车方面：运行速度、横截面积、车头和车尾形状、编组长度及车辆的气密性等；

2）隧道方面：隧道有效净空面积、阻塞比、通风井缓冲结构设置、隧道出口缓冲设置等；

1.2.2 仿真计算数值模型

根据2号线工程隧道通风与列车隧道阻力、舒适度分析研究技术专题研究成果，隧道空气动力分析考虑连续和动量方程式，而在能量变化剧烈的位置或相应情况下，还需要考虑增加能量方程式。

微分形式的连续方程、动量方程和能量方程分别为：

其中ρ为隧道中的空气密度，为速度矢量，SM为动量源项，SE为能量源项，*h为比总焓，且有

三维模型计算中采用了基于有限元的有限体积法，在保证有限体积法的守恒特性基础上，吸收了有限元法的数值精确性。考虑守恒形式的控制方程，无源项条件下，笛卡尔坐标系（,,ijk）中，对于一个确定的控制体应用高斯定理，得到积分形式的控制方程：

式中：V表示控制体的体积，S表示控制体的表面积，djn表示垂直控制体表面指向外的法向量。对于六面体网格单元，采用24点积分，对于四面体网格单元，采用60点积分。

1.2.3  三维模型的选择

标准B型地铁列车模型，如图3所示，中间风井模型如图4所示。

图3 标准B型地铁列车模型

1.2.4  2号线仿真计算方案

通过2号线的空气动力学及影响因素分析，需要分析的情况有以下几种。

1）列车在无中间风井的短区间隧道内运行情况。

隧道断面取现行地铁通用内径5.4 m，区间隧道长度为3 km。根据计算情况，如空气动力学舒适度指标不能满足要求，将进一步计算扩大衬砌内径的情况。

图4 无过渡段及有过渡段通风井位置局部放大及网格划分

2）列车在有中间风井的长大区间隧道内运行情况。

隧道断面从现行地铁通用内径开始选取，分别取5.4、5.6、5.8、6.0 m（隧道轨面以上净空面积分别为：21.6、23.3、25.1、26.9 m2）等。根据2号线实际情况，区间隧道长度为5 km。

3）哈地站至陈屋站区间特殊分析。

哈地站至陈屋站区间总长4.4 km，中间暗挖，两边盾构，在区间正中间的位置设有中间风井。长度分别为：靠近哈地站段的盾构长度1.4 km、中间暗挖段长度2.4 km、靠近陈屋站的盾构段长度0.6 km。

4）列车突入洞口情况。

结合展览中心站（至东莞虎门站方向）附近有列车突入洞口的情况，现行地铁隧道通用内径为 5.4 m的断面，隧道长度为1.5 km。

计算数据分析时，根据车辆漏气点的位置，计算数据选取车头与车厢连接处、每节车厢连接处、车尾与车厢连接处的压力数据进行分析，这些数据既能反映漏气处的车外压力，又覆盖了整个车身外的压力情况。具体数据选取位置如图5所示。

图5 数据分析位置选取

1.3 数值仿真计算结果

1.3.1 压力波形图

列车在无中间风井的隧道内运行时，选取位置压力波形图如图6所示（H-1为车头，1-2为第1、2节车连接处，2-3为第2、3节车连接处，3-4为第3、4节车连接处，……，6-T为车尾）。

图6 车速120 km/h、隧道长度3 000 m、直径5.4 m车身周围压力波形

计算结果表明，在没有中间风井的短区间隧道内，车内3 s压力变化最大值为450 Pa，远小于各国的舒适度标准。地铁隧道通用内径5.4 m，可以满足舒适度的要求。

1.3.2 空气压力波

列车运行空气压力波见图7。

图7 车速120 km/h、隧道直径6.0 m车身周围压力波形

3s内车内压力变化最大值如表1所示。

表1 3s内车内压力变化最大值

1.3.3 隧道突入洞口及设置缓冲结构

列车突入洞口时，无缓冲结构及增加缓冲结构，计算空气压力波车内3 s时间内最大变化值如表2所示。

计算结果表明，列车突入地铁通用内径5.4 m隧道洞口时，车内压力变化已不能满足要求，需要在洞口设置缓冲结构，缓冲结构设置成喇叭口形。优化结果显示，当喇叭口面积为原隧道面积的1.5倍、缓冲长度大于20 m时，车内压力变化能够满足舒适度的要求。

1.3.4 中间风井过渡措施的模拟计算

不同隧道直径下，中间风井过渡段长度不同时的3 s内压力变化最大值如表3所示。

表2 车内3 s时间内最大变化值

表3 中间风井过渡段长度不同时的3 s内压力变化最大值

计算结果表明，中间风井过渡段措施能够缓解空气动力学效应，但当中间风井过渡段长度大于 40 m后，空气动力学效应不会继续随过渡段长度得到改善。

当地铁隧道内径为6.0 m时，中间风井与隧道相接处过渡段长度为20 m，基本可以满足舒适度的要求。

从3 s气压变化最大值的角度分析，当车速为120 km/h，隧道内径为6.0 m时，3 s气压变化最大值仍高于800 Pa/3s时，耳膜反应增强，从超限的数值上分析可以采取优化隧道局部结构的措施或提高列车密封性能来解决。

（未完待续）

本文来源：《都市快轨交通》2018年第3期

中国城市轨道交通网

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