一种高速地铁隧道入口段中间风井位置的计算方法与流程

1.本发明涉及高速地铁隧道空气动力学技术领域，尤其是一种高速地铁隧道入口段中间风井位置合理设置的计算方法。


背景技术：

2.城市轨道交通是现代大城市交通的发展方向。发展轨道交通是解决大城市病的有效途径，也是建设绿色城市、智能城市的有效途径。高速列车的运动会引起列车周围气流的显著变化，也会使列车周围的气流在一定距离内发生变化。与明线行驶不同，当列车高速通过隧道洞口时，由于隧道壁面的约束和阻滞作用，车头前方的气体不能及时向四周扩散，发生剧烈压缩，形成压缩波，气流沿列车周围形成绕流，列车尾部形成负压，车尾后方产生膨胀波。压缩波和膨胀波在隧道内以声速传播，并在隧道内反复反射，造成隧道内、隧道表面、列车外表面和车内压力剧烈变化，隧道内频繁变化的压力波通过车体缝隙传入车厢内恶化乘车环境，当车内压力波动、压力梯度超过一定值后，就会造成乘客、司乘人员耳部不适、耳膜疼痛等舒适性问题。


技术实现要素：

3.针对上述现有技术，本发明提供一种高速地铁隧道入口段中间风井位置合理设置的计算方法，通过理论计算，推导出不同工况下隧道入口段中间风井合理的设置位置，避免由入口段风井反射的膨胀波和列车车尾驶入隧道洞口产生的膨胀波同时作用到列车，造成地铁车厢内压力变化率不满足规范要求，对乘客的舒适性产生影响。
4.为了解决上述技术问题，本发明提出的一种高速地铁隧道入口段中间风井位置合理设置的计算方法，为了避免地铁列车车尾驶入隧道洞口时产生的膨胀波和隧道入口段中间风井反射回来的膨胀波叠加同时作用于列车表面，基于空气动力学建立隧道入口段中间风井的位置满足的条件，得出膨胀波、压缩波、地铁列车车头车尾位置随时间的变化关系，通过膨胀波、压缩波、地铁列车车头车尾位置随时间的变化关系，推导出中间风井反射的膨胀波与地铁列车车尾进入隧道洞口产生的膨胀波作用于列车车厢开始和结束时刻的表达式，最终确定入口段中间风井距隧道入口处的距离。具体方法如下：
5.所述压缩波和膨胀波在地铁隧道中以340m/s的速度传播，在一平面直角坐标系中，以隧道入口位置处为纵轴坐标原点，纵轴表示列车及膨胀波和压缩波距离隧道入口的距离，
6.横轴表示列车在隧道中行驶及压缩波和膨胀波在隧道中传播的时间；
7.t＝0时刻，地铁列车车头驶入隧道，则：地铁列车车头在隧道中的位置随时间的变化曲线：x1＝vt，t表示时间，单位：秒；v表示地铁列车运行速度，单位：米/秒；地铁列车车尾在隧道中的位置随时间的变化曲线：x2＝vt-l，l为地铁列车的总长度，单位：米；地铁列车车头驶入隧道洞口时产生的压缩波y1随时间传播的位置曲线：y1＝340t；地铁列车车头驶入隧道洞口时产生的压缩波y1传播至入口段中间风井时反射产生的膨胀波p1随时间传播的位
置曲线：p1＝-340t 2x，x表示入口段中间风井距隧道入口处的距离；地铁列车车尾驶入隧道洞口时产生的膨胀波p2随时间传播的位置曲线：为了避免地铁列车车尾驶入隧道洞口时产生的膨胀波和隧道入口段中间风井反射回来的膨胀波叠加同时作用于列车表面，满足如下条件：
8.t3＞t2或t4＜t19.式中：t1为膨胀波p2作用于列车开始的时刻；t2为膨胀波p2作用于列车结束的时刻；t3膨胀波p1作用于列车开始的时刻；t4膨胀波p1作用于列车结束的时刻；t1为膨胀波p2作用于列车车尾开始的时刻：t1＝l/v，t2为膨胀波p2作用于列车车头结束的时刻：t3为膨胀波p1作用于列车开始的时刻：t4为膨胀波p1作用于列车结束的时刻：中间风井距离隧道入口的距离如下：
10.或
11.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
12.本发明所述的方法中，为减小地铁车厢内的压力变化率，通过建立包括列车、入口隧道段和入口段中间风井的数值模型，对高速地铁列车由明线驶入隧道洞口时产生的压力进行模拟，分析压缩波和膨胀波的传播机理得出，应避免车尾驶入隧道洞口时产生的膨胀波和隧道入口段中间风井反射回来的膨胀波叠加同时作用于列车表面。据此，从空气动力学的角度考虑，对隧道入口段中间风井的位置应满足的条件进行理论计算。从而克服了乘客、司乘人员耳部不适、耳膜疼痛等舒适性问题。
附图说明
13.图1为高速地铁驶入隧道洞口时产生的压缩波和膨胀波的传播原理图。
具体实施方式
14.下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
15.如图1所示，在高速地铁驶入隧道洞口时产生的压缩波和膨胀波的传播原理图中，以隧道入口位置处为坐标原点，沿隧道长度方向为y轴正方向，横轴表示时间。图中，x表示中间风井在隧道入口段的位置；x1和x2分别表示地铁列车车头和车尾在隧道中的位置随时间的变化曲线；y1表示车头驶入隧道洞口时产生的压缩波随时间传播的位置曲线；p1表示压缩波y1传播至中间风井时发生反射产生的膨胀波，反射后的膨胀波向隧道洞口传播；p2表示车尾驶入隧道洞口时产生的膨胀波随时间传播的位置曲线。t表示时间，单位：秒(s)；v表示地铁列车运行速度，单位：米/秒(m/s)；l为地铁列车的总长度，单位：米(m)。
16.t＝0时刻，地铁列车车头驶入隧道，各变量关系式如下：
17.车头位置：x1＝vt
18.车尾位置：x2＝vt-l
19.车头产生压缩波：y1＝340t
20.风井反射y1产生的膨胀波：p1＝-340t 2x
21.车尾产生的膨胀波：
22.膨胀波p2作用于列车开始的时刻：t1＝l/v
23.膨胀波p2作用于列车结束的时刻：
24.膨胀波p1作用于列车开始的时刻：
25.膨胀波p1作用于列车结束的时刻：
26.为了避免膨胀波p1和p2同时作用于列车，应满足如下条件：
27.t3＞t2或t4＜t1ꢀꢀ
(1)
28.式中：t1为膨胀波p2作用于列车开始的时刻；t2为膨胀波p2作用于列车结束的时刻；t3膨胀波p1作用于列车开始的时刻；t4膨胀波p1作用于列车结束的时刻。
29.由式(1)可以求出风井的合理位置应满足：
30.或
31.根据以上分析结果可以看出，风井的合理位置受地铁列车运行速度和列车长度的影响。
32.若地铁列车速度等级为120km/h，即v＝120km/h＝33.33m/s，8节编组地铁列车长度为185m，即l＝185m，带入公式(2)进行计算，得x＞1149m或x＜944m，即中间风井距离隧道入口应大于1149m或小于944m，可以避免膨胀波同时作用于列车。
33.尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。


技术特征：
1.一种高速地铁隧道入口段中间风井位置合理设置的计算方法，由入口段中间风井反射的膨胀波和地铁列车车尾驶入隧道洞口产生的膨胀波同时作用到列车，压缩波和膨胀波在地铁隧道中以声速传播，其特征在于，避免地铁列车车尾驶入隧道洞口时产生的膨胀波和隧道入口段中间风井反射回来的膨胀波叠加同时作用于列车表面，基于空气动力学确立隧道入口段中间风井的位置满足的条件，得出膨胀波、压缩波、地铁列车车头车尾位置随时间的变化关系，最终确定入口段中间风井距隧道入口处的距离。2.根据权利要求1所述的高速地铁隧道入口段中间风井位置合理设置的计算方法，其特征在于，通过膨胀波、压缩波、地铁列车车头车尾位置随时间的变化关系，推导出入口段中间风井反射的膨胀波与地铁列车车尾进入隧道产生的膨胀波作用于列车车厢开始和结束时刻的表达式。3.根据权利要求2所述的高速地铁隧道入口段中间风井位置合理设置的计算方法，其特征在于，所述压缩波和膨胀波在地铁隧道中以340m/s的速度传播，在一平面直角坐标系中，以隧道入口位置处为纵轴的坐标原点，纵轴表示列车及膨胀波和压缩波距离隧道入口的距离，横轴表示列车在隧道中行驶及压缩波和膨胀波在隧道中传播的时间；t＝0时刻，地铁列车车头驶入隧道，则：地铁列车车头在隧道中的位置随时间的变化曲线：x1＝vtt表示时间，单位：秒；v表示地铁列车运行速度，单位：米/秒；地铁列车车尾在隧道中的位置随时间的变化曲线：x2＝vt-ll为地铁列车的总长度，单位：米；地铁列车车头驶入隧道洞口时产生的压缩波y1随时间传播的位置曲线：y1＝340t地铁列车车头驶入隧道洞口时产生的压缩波y1传播至入口段中间风井时反射产生的膨胀波p1随时间传播的位置曲线：p1＝-340t 2xx表示入口段中间风井距隧道入口处的距离；地铁列车车尾驶入隧道洞口时产生的膨胀波p2随时间传播的位置曲线：避免地铁列车车尾驶入隧道洞口时产生的膨胀波和隧道入口段中间风井反射回来的膨胀波叠加同时作用于列车表面，满足如下条件：t3＞t2或t4＜t1式中：t1为膨胀波p2作用于列车开始的时刻；t2为膨胀波p2作用于列车结束的时刻；t3为膨胀波p1作用于列车开始的时刻；t4为膨胀波p1作用于列车结束的时刻；t1为膨胀波p2作用于列车车尾开始的时刻：t1＝l/v，t2为膨胀波p2作用于列车车头结束的时刻：t3为膨胀波p1作用于列车车头开始的时刻：t4为膨胀波p1作用于列车车尾结束的时刻：
中间风井距离隧道入口的距离如下：或

技术总结
本发明公开了一种高速地铁隧道入口段中间风井位置合理设置的计算方法，由入口段中间风井反射的膨胀波和地铁列车车尾驶入隧道洞口产生的膨胀波同时作用到列车，压缩波和膨胀波在地铁隧道中以声速传播，为了避免地铁列车车尾驶入隧道洞口时产生的膨胀波和隧道入口段中间风井反射回来的膨胀波叠加同时作用于列车表面，基于空气动力学建立隧道入口段中间风井的位置满足的条件，得出膨胀波、压缩波、地铁列车车头车尾位置随时间的变化关系，进一步推导出中间风井反射的膨胀波与地铁列车车尾进入隧道产生的膨胀波作用于列车车厢开始和结束时刻的表达式。最终确定中间风井距离隧道入口的距离，从而克服了乘客、司乘人员耳部不适、耳膜疼痛等舒适性问题。耳膜疼痛等舒适性问题。耳膜疼痛等舒适性问题。


技术研发人员：叶天震 卜永和 王媛媛 那艳玲
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2021.11.25
技术公布日：2022/3/4