高速铁路车-隧气动效应机理与抑控 关键技术及工程应用

中国铁道科学研究院集团有限公司

项目遵循“发展基础理论→阐明机理机制→掌握客观规律→构建预测模型→形成工程解决方案→构建技术体系”的技术路线，聚焦高速铁路车-隧空气动力学孕灾机理与抑控关键技术，在车-隧空气动力学效应基础理论、新型动车组气动外形设计与客室压力-声环境营造以及车-隧耦合空间气动效应缓解关键技术方面开展科研攻关并取得了重要突破。

项目阐明了高速铁路车-隧耦合空间压力波与气动噪声等关键安全及舒适性参数演化规律，提出了高铁隧道弱激波与音爆判定理论及风险评估方法，创新了低阻力、低噪声、强抗风的新一代高速列车气动外形优化方法，系统性构建了涵盖动车组源头降噪、隧道缓冲结构声能量衰减、辅助坑道强化泄压的车-隧协同全过程气动效应综合抑控技术，解决了压力波孕灾机理不清、附属设施伤损风险未知、音爆噪声预测难等问题，攻克了传统方法难以量化瞬态气动效应、噪声干扰及结构损伤协同作用的安全风险预测及评价技术瓶颈，提升了客室压力与噪声环境品质，降低了隧道行车安全风险，避免了音爆导致的停车停运难题，实现了时速200~400公里高速动车组隧道内安全、舒适行车。

一、主要科技创新

 1.发展了基于倾斜摄影的压力-声耦合高速铁路车-隧气动效应仿真模拟技术，提出音爆与微气压波峰值关联模型及噪声分离识别方法。

 

图1  音爆机理机制及预测、气动噪声源-传播规律等

 掌握复杂场景高铁隧道压力波演化规律及附属设施气动伤损机理。提出“复杂地形识别解译→三维地形复原→精细化仿真模型构建”的全过程链式仿真模拟技术，研发附属设施疲劳伤损监测装置，构建附属设施气动荷载预测模型，解决了高铁隧道压力波孕灾机理不清、气动荷载致灾机制不明、附属设施伤损风险预测难等痛点问题。

 揭示长大高铁隧道音爆产生机理、风险判识与多因素耦合影响机制。提出车-隧联动空气动力学测试及同步对标技术，阐明时速250~400公里高铁长大隧道音爆诱发机理，提出高铁隧道弱激波与音爆判定模型。

揭示车-隧耦合空间气动噪声源-传播规律及其时频域特性。阐明隧道内列车近远场气动噪声与音爆噪声的源-传播路径及噪声峰值衰减规律，构建隧道、动车组及环境参数耦合影响的音爆噪声与微气压波峰值关联模型，提出气动噪声分离识别方法。

 2.建立融合压力波响应、噪声源贡献度及结构损伤演化的多场耦合分析模型，创新提出基于舒适度控制的动车组客室压力-噪声评价方法，形成基于缺陷特征与疲劳损伤累积的行车安全风险评估体系。

提出复杂场景高速列车客室压力波特性及舒适性评价方法。建立隧道净空面积、动车组气密性能等多因素耦合影响的客室压力波动态响应模型，提出考虑压力变化率、压力波作用时长和乘客耳压敏感阈值的压力舒适性评价方法。

 复杂场景高速列车客室噪声舒适性评价方法。发展湍流-声学压力解耦分析方法，建立时速200~400公里高铁隧道动车组气动噪声数据库，构建基于声学传递路径分析的客室噪声源贡献度量化分析模型，提出融合声学控制参数与响度感受的噪声舒适性多维度评价模型与长大高铁隧道音爆噪声评价方法。

 含缺陷隧道气动效应作用下动车组行车安全风险评估技术。提出融合缺陷特征参数与气动载荷时变特性的行车安全风险动态评估方法，构建基于力学响应特性与疲劳损伤累积的附属设施结构脱落风险分析模型，解决了多场压力耦合作用下含缺陷隧道衬砌与附属设施结构脱落风险预测难题。

 3.提出基于人工智能遗传算法的动车组参数优化设计方法以及基于多变量响应面分析法的隧道气动效应缓解措施，形成车-隧协同气动效应综合抑控技术。

 

图2  车-隧协同全过程气动效应综合控制及防控技术体系

低阻力、低噪声与强抗风新型高速列车设计参数优化技术。提出基于人工智能遗传算法的动车组头型参数多目标自动寻优方法，创新低阻力、低噪声和强抗风的气动外形优化设计理论；构建基于舒适度控制的动车组气密性指标体系与分区优化设计方法，提出隧道内增设吸声沟槽盖板、衬砌吸声结构等降噪措施；获取了列车空气力学参数的最优解集空间。

高铁隧道内外协同气动缓解性能提升技术。提出基于多变量响应面分析法的高铁隧道内外协同气动效应缓解综合措施，明确洞口缓冲结构长度、斜切率、开孔率等关键结构设计参数与洞内辅助坑道长度、有效面积、位置等结构参数对压力波与气动噪声峰值的缓解效果，形成隧道内外协同、多参数组合条件下的谱系化压力波与气动噪声缓解率图谱。

车-隧协同全过程气动效应综合控制及防控技术体系。系统性阐明动车组与隧道耦合因素作用下的气动效应参数演化规律，揭示列车源头噪声抑制设计、隧道缓冲结构参数优化与内部吸声轨道板的协同气动缓解作用机理，提出涵盖动车组源头降噪、隧道缓冲结构声能量衰减、辅助坑道强化泄压、线路周边环境被动防护的车-隧协同全过程气动效应综合控制及防控技术体系。

二、项目评价

项目在高速铁路车-隧气动效应机理机制与客观规律等方面取得重要理论突破，解决了列车、隧道空气动力学效应导致的乘车舒适性下降、气动安全风险增大及动车组停车停运等难题。

研究成果总体达到国际先进水平，其中“车-隧”协同压力波-声场耦合解析和防控技术、隧道衬砌结构气动荷载与疲劳计算方法达到国际领先水平。

三、成果及效益

项目发表学术论文101篇，其中SCI、EI检索论文76篇；授权发明专利26项，软件著作权2项；编制行业标准10项；出版专著3部。

项目成果在贵广高铁、杭绍台铁路、成渝中线高铁、渝黔铁路等工程的百余座高铁隧道中成功应用，保障了高铁隧道行车安全按与运营秩序，创造直接经济效益超过7.8亿元，节支超过18.7亿元，技术经济效益和社会效益显著。