3.2　研究方法

最直接的研究隧道会车压力波的方法是线路实测。与明线会车压力波测量方法相同，在列车侧壁一定位置安装瞬态压力传感器，当两列车在隧道内会车时测量列车侧壁上的气体压力变化历程。德国和瑞士的研究者[1]1979年在Heitersburg隧道测量了一列车在隧道内静止、另一列车高速通过和两列车相向行驶时列车侧壁上的压力变化；日本学者Komatsu[2]1999年测量了300系列车在隧道内会车时的压力变化和会车时列车横向加速度；Gred[3，4]2002年在罗马至佛罗伦萨的线路上测量了隧道内会车压力波。我国的研究者2009年在京广高速武广段的九子仙隧道和大瑶山隧道分别对CRH2型和CRH3型高速列车进行了隧道会车试验[5]，2011年在京沪高铁多个隧道测量了列车侧壁上的气体压力变化历程[6]。线路实测可以得到隧道内会车时比较准确的压力变化历程，一直以来是研究隧道会车压力波问题首选的方法。但是线路实测一方面试验费用昂贵，另一方面受所进行试验的隧道尺寸、隧道截面形状、列车长度、线路状况和车速的限制，很难得出规律性的结论。

图3-1　隧道内会车模型试验

研究隧道会车压力波也可以采用模型模拟的测量方法。采用双向弹射列车装置，使列车模型在缩小尺度的隧道中以一定速度相向弹射。在列车模型和模拟隧道的不同位置布设瞬态压力传感器，可以测量出列车模型运动引起的模拟隧道中的空气压力变化历程。日本学者Hara T.早在1962年就采用橡胶弹射式的发射模型试验，对列车过隧道时压力波的形成与传播、列车车头形状及隧道口形状对压力变化的影响以及相反方向两列车过隧道的压力变化情况进行了研究[7]。1979年小沢智采用圆头铝管模拟列车，以橡胶弹射方式发射，实验时模型车速为25m/s[8]。随着所希望的模拟速度的提高，弹射实验装置也不断改进。Ozawa S将发射模型改为以压缩空气为动力，发射速度达到了100m/s[9]。1997年法国学者研制的新发射实验装置速度高达500km/h[10]。我国中南大学“轨道交通安全”教育部重点实验室建造的列车动模型实验系统[11]，模型缩尺比可达1∶20，模型列车速度也达到280km/h。然而模拟试验中，缩尺列车和隧道模型的相对运动状况、列车模型引起的空气扰动和气体压力变化很难与实际隧道会车时引起的空气扰动与气体压力变化相似，因此模型试验的结果还不能尽如人意。

数值计算动态仿真方法，更适合于模拟两列车和隧道壁面三者具有相对运动的情况[12～14]。同时，改变车速、车长、隧道长度比在模型试验中改动模型尺寸更加方便。因此，计算流体力学方程数值求解的方法研究隧道会车压力波问题可能是最经济实用的方法[15～18]。计算流体力学方程数值分析方法研究隧道会车压力波问题可以分为一维模型分析，二维模型分析和三维模型分析。一维模型通常基于非定常可压缩不等熵流体流动数学模型，采用广义黎曼变量特征线法计算分析隧道内列车通过时或会车时的压力波动。二维和三维模型计算是基于连续性方程、Navier-Stokes方程和能量守恒方程描述的非定常可压缩流体流动数学模型，通常采用有限体积数值求解方法计算动态流场。一般来讲，一维模型比较适合于计算分析长大隧道内的空气动力学问题，因为，一方面相对于隧道横截面维度尺寸，长大隧道的长度方向尺寸是极大量，隧道内的气体流动状况有可能简化成一维流动；另一方面一维计算占用计算机资源少、计算过程耗时少，长大隧道的模型计算规模大，现有的计算机通常无法满足三维计算所需要的计算资源。因此一维模型分析可能更适合。一维模型分析方法已经在欧盟和日本的高速铁路隧道空气动力学研究中得到比较广泛的采用[19～25]，我国学者梅元贵2009年还出版了论述隧道空气动力学一维模型分析方法的专著[26]。但是列车在进入或驶出隧道、在隧道内会车时，都将引起强烈的三个方向的空气扰动，此时采用一维计算分析，其结果恐不能真实反映隧道口和会车位置的实际流场。因此，在计算条件允许的情况下，还是应采用三维模型作计算分析。