高速列车通过隧道时的压力波效应——车体压力载荷、压力舒适性和空气阻力是研究车体气动疲劳、改善旅客舒适性以及节能降耗所必须面对的问题,是事关安全性、舒适性和节能环保的重要问题。我国不断提速的高速列车将越来越多地面对西部艰险山区高隧线比线路和世界各地复杂多样环境,有必要系统研究高速列车隧道压力波效应问题,为其适应国内山区高速铁路环境和未来“走出去”提供必要的数据支撑。本文基于一维流动模型,揭示了高速列车隧道压力波效应诸问题间的关联关系,系统研究了其主要影响因素。本论文研究工作在国家重点基础研究发展计划(973项目)子课题、国家重点研发计划先进轨道交通重点专项子任务以及中国铁路总公司科技研究开发计划重点课题资助下完成。论文开展的主要研究工作如下:1、基于一维可压缩非定常不等熵流动模型和广义黎曼变量特征线法,在完善单列车通过隧道及两列车隧道内等速交会时的隧道压力波数值计算方法基础上,发展了两列车隧道内不等速交会时的隧道压力波数值计算方法及两列车隧道内等速交会时的空气阻力数值计算方法。验证结果显示,本文一维流动模型在预测高速列车隧道压力波时的误差小于10%,在预测高速列车通过隧道时空气阻力各指标的误差小于8.5%,满足工程设计要求。通过对隧道压力波动时空演化过程的分析,揭示了隧道内压力波动、车体压力载荷、车内压力波动和空气阻力等与压缩波、膨胀波的传播、反射及叠加引起的隧道压力波间的关联关系,奠定了本文采用统一的一维流动模型开展研究的基础。2、在研究隧道长度对车体压力载荷和空气阻力的影响特性时,结合压缩波和膨胀波的传播、反射和叠加过程,首次提出了基于高速列车最大空气阻力的最不利隧道长度解析计算方法,完善并扩展了最不利隧道长度理论体系。研究结果表明,本文一维流动模型计算得到的基于车头压力载荷正峰值和车尾压力载荷负峰值的最不利隧道长度与解析计算公式的差别在±12%以内。综合考虑8辆编组、16辆编组、单列车通过隧道和两列车隧道内等速交会等情形,车速250~380 km/h时基于车体压力载荷峰值的最不利隧道长度在0.6~3.0 km范围。车速250~500 km/h时基于列车最大空气阻力的最不利隧道长度在0.5~1.5 km范围。此外,通过一维流动模型计算结果给出了基于车体压力载荷峰峰值的最不利隧道长度,发现基于头、尾车压力载荷峰值的最不利隧道长度分别与基于车头压力载荷正峰值和车尾压力载荷负峰值的最不利隧道长度更接近。3、基于一维流动模型,首次系统研究了两列车隧道内不等速交会时的车体压力载荷变化特征,并与单列车通过隧道、两列车隧道内等速时的车体压力载荷进行了对比分析,系统研究了隧道长度、阻塞比、车速、编组长度以及相错时间等对车体压力载荷的影响特征。研究显示:从车头到车尾方向,除两列车隧道内等速交会时的车体压力载荷负峰值基本保持不变外,单列车通过隧道时车体压力载荷正负峰值和两列车隧道内交会时的车体压力载荷正峰值均依次递减;车体压力载荷峰值与车速的2.0~2.5次方成正比;隧道中央等速交会时车体压力载荷峰值通常为隧道内1/3处交会和洞口交会时的2倍以上;16辆编组高速列车头车压力载荷正峰值分别为8辆编组时的约1.5~2.0倍,而尾车压力载荷负峰值约为8辆编组时的1.1倍;由于存在最不利隧道长度,高速列车通过中长隧道时车体承受的压力载荷峰值相对更大。4、系统研究了隧道长度、阻塞比、列车编组长度和气密指数等对车内压力舒适性的影响特性,获到了隧道长度与最小气密指数的关系,并参照UIC779-11给出了基于中国标准动车组的隧道长度与阻塞比综合影响下的车内压力变化量分布规律。研究计算发现采用尾车内最大压力变化量作为整车最大压力变化量的误差小于12.8%,说明气密指数方法在评价车内压力舒适性时仍具有可取之处。研究结果表明,隧道长度越长、阻塞比越大、编组长度越长、气密指数越小且隧道内交会时,车内压力波动越剧烈,压力变化量也越大,压力舒适性越差。以UIC660标准评判,车速350和400 km/h时,长度8.0km左右的隧道对列车气密性要求最高。考虑交会的350 km/h高速列车通过净空面积100 m~2隧道时的气密指数最小要求达到34 s,提速到400 km/h时则需要50 s以上。5、系统研究了隧道长度、阻塞比、车速、编组长度以及相错时间等对高速列车通过隧道时列车空气阻力的影响特性。研究结果表明,隧道长度、阻塞比和车速对列车空气阻力的影响程度逐渐增大,隧道交会时相错时间对列车空气阻力的影响较小。采用幂指数形式拟合高速列车平均空气阻力与隧道长度、阻塞比和车速的关系时,幂指数n分别为约±0.005(8编组交会)~±0.1(单列车通过隧道)、1.0和2.0。单列车通过隧道时最大空气阻力随隧道长度先增大后维持不变,两列车隧道内交会的最大空气阻力随隧道长度先增大后减小,存在最不利隧道长度。350 km/h时,8辆编组和16辆编组单列车通过隧道时最大空气阻力的增长率分别为68%和55%,交会时分别达到135%和125%,计算结果均大于我国《高速铁路设计规范》给出的30%,建议按隧道及列车长度分类研究,并分别针对最大空气阻力和平均空气阻力对相关条目进行修改和完善。