3.2　研究方法

最直接的研究隧道會車壓力波的方法是線路實測。與明線會車壓力波測量方法相同，在列車側壁一定位置安裝瞬態壓力傳感器，當兩列車在隧道內會車時測量列車側壁上的氣體壓力變化歷程。德國和瑞士的研究者[1]1979年在Heitersburg隧道測量了一列車在隧道內靜止、另一列車高速通過和兩列車相向行駛時列車側壁上的壓力變化；日本學者Komatsu[2]1999年測量了300系列車在隧道內會車時的壓力變化和會車時列車橫向加速度；Gred[3，4]2002年在羅馬至佛羅倫薩的線路上測量了隧道內會車壓力波。我國的研究者2009年在京廣高速武廣段的九子仙隧道和大瑤山隧道分別對CRH2型和CRH3型高速列車進行了隧道會車試驗[5]，2011年在京滬高鐵多個隧道測量了列車側壁上的氣體壓力變化歷程[6]。線路實測可以得到隧道內會車時比較準確的壓力變化歷程，一直以來是研究隧道會車壓力波問題首選的方法。但是線路實測一方面試驗費用昂貴，另一方面受所進行試驗的隧道尺寸、隧道截面形狀、列車長度、線路狀況和車速的限制，很難得出規律性的結論。

圖3-1　隧道內會車模型試驗

研究隧道會車壓力波也可以采用模型模擬的測量方法。采用雙向彈射列車裝置，使列車模型在縮小尺度的隧道中以一定速度相向彈射。在列車模型和模擬隧道的不同位置布設瞬態壓力傳感器，可以測量出列車模型運動引起的模擬隧道中的空氣壓力變化歷程。日本學者Hara T.早在1962年就采用橡膠彈射式的發射模型試驗，對列車過隧道時壓力波的形成與傳播、列車車頭形狀及隧道口形狀對壓力變化的影響以及相反方向兩列車過隧道的壓力變化情況進行了研究[7]。1979年小沢智采用圓頭鋁管模擬列車，以橡膠彈射方式發射，實驗時模型車速為25m/s[8]。隨著所希望的模擬速度的提高，彈射實驗裝置也不斷改進。Ozawa S將發射模型改為以壓縮空氣為動力，發射速度達到了100m/s[9]。1997年法國學者研制的新發射實驗裝置速度高達500km/h[10]。我國中南大學“軌道交通安全”教育部重點實驗室建造的列車動模型實驗系統[11]，模型縮尺比可達1∶20，模型列車速度也達到280km/h。然而模擬試驗中，縮尺列車和隧道模型的相對運動狀況、列車模型引起的空氣擾動和氣體壓力變化很難與實際隧道會車時引起的空氣擾動與氣體壓力變化相似，因此模型試驗的結果還不能盡如人意。

數值計算動態仿真方法，更適合于模擬兩列車和隧道壁面三者具有相對運動的情況[12～14]。同時，改變車速、車長、隧道長度比在模型試驗中改動模型尺寸更加方便。因此，計算流體力學方程數值求解的方法研究隧道會車壓力波問題可能是最經濟實用的方法[15～18]。計算流體力學方程數值分析方法研究隧道會車壓力波問題可以分為一維模型分析，二維模型分析和三維模型分析。一維模型通常基于非定常可壓縮不等熵流體流動數學模型，采用廣義黎曼變量特征線法計算分析隧道內列車通過時或會車時的壓力波動。二維和三維模型計算是基于連續性方程、Navier-Stokes方程和能量守恒方程描述的非定常可壓縮流體流動數學模型，通常采用有限體積數值求解方法計算動態流場。一般來講，一維模型比較適合于計算分析長大隧道內的空氣動力學問題，因為，一方面相對于隧道橫截面維度尺寸，長大隧道的長度方向尺寸是極大量，隧道內的氣體流動狀況有可能簡化成一維流動；另一方面一維計算占用計算機資源少、計算過程耗時少，長大隧道的模型計算規模大，現有的計算機通常無法滿足三維計算所需要的計算資源。因此一維模型分析可能更適合。一維模型分析方法已經在歐盟和日本的高速鐵路隧道空氣動力學研究中得到比較廣泛的采用[19～25]，我國學者梅元貴2009年還出版了論述隧道空氣動力學一維模型分析方法的專著[26]。但是列車在進入或駛出隧道、在隧道內會車時，都將引起強烈的三個方向的空氣擾動，此時采用一維計算分析，其結果恐不能真實反映隧道口和會車位置的實際流場。因此，在計算條件允許的情況下，還是應采用三維模型作計算分析。