 经常坐火车出行的朋友，不知道你们的列车是否带你们穿行过火车隧道？不管是高速列车还是普速列车，在隧道内穿行的时候，噪声都很大。而高速列车速度较快产生的噪声更大，很多人还会出现耳鸣现象。这是咋回事呢？  我们先看看产生耳鸣这种现象的原因。 高速列车进入隧道前，隧道里的空气是基本静止的。列车高速驶入隧道时，从开阔的空间高速进入空间有限的隧道，列车就像枪管里快速向前运动的子弹，使空气振动，产生空气压缩波。  这种空气压缩波传导的速度远远大于列车行驶速度的声速，并像涨潮时的潮汐波一样，逐渐增大压力，向隧道另一头传播，使隧道内的空气随着列车行进。  空气压缩波到了隧道口的另一头时就往回走。这称为隧道内的“活塞效应”。这种空气压缩波不但增加列车在隧道中运行的阻力，还会产生噪声，使乘客产生耳鸣等不舒服的体验。  基于ANSYS CFX的两列车进隧道的活塞效应CFD分析（图片来源bilibili） 空气压缩波传出隧道口时，就像子弹射出枪管的瞬间，由于隧道横截面面积突然发生的急剧变化，传播到这里的一部分空气压缩波脉冲向四周发射，对洞口建筑物产生冲击作用，发出爆破声，使得列车车窗动，这种现象就是“音爆”。由于空气压缩波的压力大约是一个大气压的千分之一或更低，隧道口的这种波被称为微气压波。隧道微气压波可传播数百米远，严重干扰隧道口旁民众的生产和生活。  战斗机音爆瞬间 从上图中可以看到，飞机音爆的瞬间，飞行物四周的水珠也会因气温骤降而凝结，形成白蒙蒙的“雾”。 为了减少这现象的产生，通常情况可以从三个方面来解决。 优化设计车体形状 列车运行中受到空气阻力、升力、横向力，以及纵向摆动力矩、扭摆力矩和侧滚力矩等。制约高速列车速度的最主要的阻力是空气阻力，在时速200公里以上的高速区域，空气阻力占总阻力的70%以上，如果高速列车跑到时速500公里以上，那么总阻力的95%以上都是空气阻力。这其中，由车身与车底的表面（尤其是突起的表面）与空气的摩擦而产生的空气阻力占空气阻力总额的大部分。  高速列车在空旷地带直线行驶时，空气绕流列车外表面，列车受到表面空气压力。当列车转弯又遇到强侧风时，列车受到的表面空气压力极大，会有翻车的危险。  前面提到，列车在隧道中运行时，会引起隧道内空气压力急剧波动，因此列车表面上受到的压力也快速地、大幅度地变化。压力的变化与列车速度、列车长度、列车横截面积与隧道横截面积的比值、车头前端车鼻形部位长度与车头后部车身断面半径的比值等因素有关。其中，列车横截面积与隧道横截面积的比值和列车速度的影响比较大。  列车进入隧道时，可以在车体设计上减小车体横截面积并对车头流线型进行优化设计，使车头的形状变得平缓和光滑，并将车体完全密封起来，从而减少进入隧道时的阻力。  以CR400AF为例，车头采用了流线型设计，通过棱线曲面对空气进行导流，降低了空气阻力，头车气动阻力比原来的CRH380系列减小5%以上。车头的棱线曲面造型复杂，由80多块蒙皮拼接而成，车头造型有6条棱线，每条棱线长达11m，为了达到造型要求，棱线部位的内部骨架定位精度达到了0.5mm。 增大隧道横截面面积 通过上述原理可知，列车横截面积与隧道横截面积的比值和列车速度的影响是最大的，因此除了优化列车头部以外，还可以增大隧道的横截面面积。  增大整条隧道的横截面面积，使隧道横截面面积与高速列车的横截面面积的比值增大。这一方法虽然有效，但是，要扩大隧道横截面面积，会使得工程浩大和成本昂贵。 普速铁路隧道断面积67平米，高速铁路隧道断面积110～140平米，在建设过程中，必须采用全自动隧道激光断面仪进行爆破放样、检测光面爆破，实施毫米级控制，才能够确保安全（塌方）质量。 使隧道入口的口径逐步变化状除了上述两种方法以外还有一种方法，那就是可以使隧道入口处的口径逐步变化，从而使空气压缩波变化缓慢。  高速铁路隧道在隧道人口处设置缓冲段，使隧道口径逐步变化，越是接近隧道口，隧道口径越大，呈现喇叭形；并利用隧道中的分支坑道分流空气压缩波，从而使压力波变化缓慢。 这里还要说明的是，高铁隧道的可靠性和结构耐久性的要求要显著高于普速铁路，所谓可靠性，是指结构在规定的时间内，在正常规定的条件下，完成预定功能的能力，包括安全性、适用性和耐久性。当以概率来度量时，成为结构的可靠度。所谓结构耐久性，是指结构及其部件在可能引起材料性能劣化的各种作用下能够长期维持其应有性能的能力。高速铁路隧道由于其运营速度比较高，对结构和各种运营设施所产生的作用影响也就比较大，因此对相应工程结构的可靠性和耐久性的要求也就相应提高。 想不到吧？高铁隧道和动车组设计还能有这么多的学问！你学会了吗？欢迎给平台私信留言，一起分享知识 (部分内容来源：铁道知识局、铁小识、中国铁路、bilibili 等) |
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