地铁列车瞬态压力与乘客舒适度研究

陈建乐 吴睿

摘 要：近年来国内各大城市地铁建设高速发展，地铁隧道内空气压力波控制成为我国地铁快线设计的关键技术之一。本文以成都地铁18号线为例，借助CFD仿真计算，对地铁隧道内瞬态压力进行分析研究，以提出提高乘客舒适度的可行建议，同时为其他新建快速地铁线路的设计优化提供参考。

关键词：地铁;隧道;瞬态压力;舒适度;CFD;仿真模拟

中图分类号：U451.3;U270.1 文献标识码：A

0 引言

随着我国城镇化建设的推进，城市轨道交通也得到快速发展。与此同时，隧道的空气动力学效应随着列车设计时速的提高愈加明显，列车通过隧道时产生的空气动力学效应对列车运行安全性、乘客舒适性造成了不良影响[1]。地铁速度提升到120 km/h后，设计上保证了牵引和制动等性能，也充分考虑转向架和车体等结构件的安全和可靠，但是有一些地铁行业内未识别的问题也伴随而来，其中之一就是，在某些条件下司乘人员会有短时间耳鸣、耳压感觉，身体感觉不舒服。地铁作为轨道交通主要的实现方式，其建设要求已经逐渐从节能、环保、安全的层面提高到满足乘客舒适度、提供更优质服务的层面，随着乘客对服务质量要求的提高，提高乘客舒适度迫在眉睫[2-3]。

1 瞬态压力概述

当高速列车进入隧道时，会在列车前方形成压缩波，以接近音速沿隧道传播，当该压力波到达隧道出口时，部分压力波被反射回隧道。由于压力波的连续反射，隧道内部会产生复杂的压力波相互作用，最终形成交变压力波[4]。列车和隧道设备上的空气动力学载荷很大程度上取决于隧道内这些压力波的大小和随时间的变化率。由于列车在隧道中通过时多次遇到压力波，它们会对隧道结构和列车本身产生相应的正负气动载荷。列车内外压力的变化是时间的函数（强度取决于复杂的反射波现象），并被乘客感知为听觉不适[5]。

与其他地铁系统相比，成都地铁18号线设计的超高列车速度（140 km/h）将会在整个地下系统内产生高瞬态压力。压力载荷不仅影响阻尼器、站台屏蔽门等各种设备的结构强度和安装要求，而且会严重影响乘客的听觉舒适度[6]。因此，必须在设计初期通过有效的手段来减少瞬态压力波的产生和传播。

2 瞬态压力研究

2.1 研究方法

参考国内外地铁设计的已有经验，影响压力波及其在隧道内传播的主要因素包括列车速度、列车头尾阻力系数、列车和隧道的横截面积、列车长度、通风井的数量和隧道内的交叉通道等[7]。本文根据成都地铁18号线的实际情况，借助CFD仿真模拟，研究列车的运行速度和阻力系数对瞬态压力的影响。

2.2 研究内容

基于成都地铁18号线前期设计确定的线路、隧道、列车、行车及通风系统的设计参数，利用CFD软件进行数值建模，采用通用的一维简化模型，模拟得出成都地铁18号线隧道段内距离入口1 500 m处的瞬态压力时变曲线，模拟的车体分别为压力密封系数[8]为0.1的流线型列车和货运列车。

因为本次试验主要研究列车运行速度和阻力系數对瞬态压力的影响，故采取对比试验方法，具体的试验参数如表1所示：

除了上表给出的可变参数外，还采用了以下边界条件（对于所有对照组都是恒定的）：

环境条件：气温16.8[℃]，大气压力95[kPa];

隧道几何参数：横截面积40.6[m2]，阻力系数0.025[-]，长度3 000[m];

车站几何参数：面积31[m2]（4.7[m]x6.6[m]），长度200[m];

列车参数：长度185[m]，面积11.4[m2]（3[m]x3.8[m]），

密封系数0.1[s]。

本文模拟的是地铁列车进入没有任何泄压井的隧道段的情况（最不利的情况），这种情况的示意如图1所示。

2.3 试验结果

根据建立好的参数模型进行仿真试验，为了方便后续的对比分析，将试验结果以曲线的形式呈现。流线型列车和货运非流线型列车以90 km/h和140 km/h的速度行驶时隧道内瞬态压力随时间的变化情况如图2、图3所示。

1 500 m处的瞬态压力曲线

模拟结果初步显示：当列车驶入隧道时，隧道内的瞬态压力最高，同时可以看出，与阻力系数相比，列车速度对瞬态压力的影响要大得多（见表2）。试验结果也验证了列车运行速度和阻力系数这两个因素出发，探求提升乘客舒适度方案的可行性。

2.4 结果分析

对比上述试验结果可以看出，列车速度从140 km/h降低到90 km/h，会导致瞬态压力较为明显的降低，压力降低了约700 Pa。除此之外，列车以140 km/h的速度行驶时，隧道中由于列车类型不同（即阻力系数变化）而导致的压力降低约为300 Pa;以90 km/h的速度行驶时，隧道中由于列车类型（流线型或非流线型）的变化而导致的压力降低约为100 Pa。

分析结果表明，在最坏的情况下，即在没有任何泄压井和泄压旁路的情况下，列车以140 km/h的速度通过成都地铁18号线地铁站时产生的瞬态压力会对相关设备（屏蔽门、风门、OTE管道和风机等）和性能要求（电机功率、最佳风机曲线等）产生较大的影响[9]，对司乘人员的舒适度的影响更是不言而喻。

因此，必须考虑合理的措施来降低瞬态压力，以达到提升乘客舒适度的目的，通过参考相关标准[10]和仿真结果可知，降低瞬态压力的可行性方法如下：

（1）加大隧道面积（会增加建设成本，但是减少了车辆投资与运营成本）;

（2）增加车辆密封指数（可减小隧道面积，降低建设成本，但是空气阻力增加，运营成本增加）;

（3）局部降低速度（可降低列车进入隧道时的车速，同时浪费不了多少时间）;

（4）结构局部处理（隧道入口的结构可以处理，减小隧道面积）;

（5）利用好竖井、横通道、岔道降低瞬态压力[11]（可减小隧道面积）。

3 结论

借助CFD仿真模拟，对成都地铁18号线地铁隧道内瞬态压力进行分析研究，发现瞬态压力随列车速度的降低和阻力系数的减小而降低，并且从国内外应用实例和仿真结果出发，提出了降低瞬态压力、提高乘客舒适度的可行建议，地铁工程设计者在设计初期可以根据工程实况，选择最具经济和社会效益的解决方案，同时为进一步推动线路规划和车辆设计提供参考，为乘客舒适出行提供保障。

参考文献：

[1]宋剑伟.关于隧道空气动力学效应造成地铁列车客室压力变化的探讨与建议[J].铁道机车车辆，2021（3）：119-124.

[2]林世生.关于广州地铁隧道空气动力学效应缓解措施的研究[J].隧道建设，2013（8）：650-658.

[3]王秀珍.地铁列车气动效应分析[J].中国科技信息，

2011（21）：85-86.

[4]王建宇，吴剑，万晓燕.车辆的密封性及瞬变压力向列车内传递规律[J].现代隧道技术，2009（3）：12-16.

[5]张海天，陈健.深圳地铁11号线隧道空气压力波研究[J].都市快轨交通，2011（5）：62-65.

[6]许利深.深圳地铁11号线地铁列车客室压力变化率超标分析及改进[J].现代城市轨道交通，2019（5）：32-34.

[7]刘伊江.高速地铁隧道压力波研究及隧道断面的拟定[J].铁道标准设计，2010（S2）：119-124.

[8]车轮飞.城市地铁隧道中间风井处车箱内瞬变压力模拟分析[J].建筑熱能通风空调，20110（3）：89-91.

[9]徐世南，张继业，熊骏，等.地铁列车通过隧道时的气动性能研究[J].城市轨道交通研究，2016（9）：99-104.

[10]Song Pan，Li Fan，Jiaping Liu et al.A Review of the Piston Effect in Subway Stations[J].Advances in Mechanical Engineering，2013.

[11]杨宁.地铁快线隧道内空气压力波控制技术方案与效果[J].城市轨道交通研究，2018（7）：54-57.