列車隧道空氣動力

1、 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC.1-2008年12月23日簡簡 報報 者者黃黃 國國 倫倫中興工程顧問社中興工程顧問社土木水利工程應用研究中心土木水利工程應用研究中心- -20082008兩岸橋樑隧道工程學術(shù)研討會兩岸橋樑隧道工程學術(shù)研討會 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC.2-複雜列車隧道系統(tǒng)之空氣動力分析複雜列車隧道系統(tǒng)之空氣動力分析及結(jié)果動畫展示及結(jié)果動畫展示一、一、 前言前言二、二、 地下列地下列車車空空氣動氣動力分析之目的力分析之目的三、三、 地下地

2、下軌軌道列道列車車曾遭遇之情曾遭遇之情況況四、四、 地下列地下列車車空空氣動氣動力之物理力之物理現(xiàn)現(xiàn)象象五、五、 SAFTSAFT(S(Simulateimulate A Air ir F Flow in low in T Train-Tunnelrain-Tunnel) )之之驗證驗證六、六、 SAFTSAFT之之應應用及模用及模擬結(jié)擬結(jié)果果動態(tài)動態(tài)展示展示簡報內(nèi)容簡報內(nèi)容- 2 - 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC.3-一、前言一、前言海峽兩岸鐵公路之連結(jié)，長度約為海峽兩岸鐵公路之連結(jié)，長度約為130公里公里，水深約，水深約

3、60多米多米，無論，無論採用橋樑或隧道，都將是世界上最浩大及最艱鉅的大工程之。採用橋樑或隧道，都將是世界上最浩大及最艱鉅的大工程之。如考量如考量公路公路聯(lián)通兩岸，在聯(lián)通兩岸，在130公里長之海上距離再加上兩端引道，公里長之海上距離再加上兩端引道，無論橋隧是否有必要在中途設置無論橋隧是否有必要在中途設置休息站休息站，將是工程的大挑戰(zhàn)。，將是工程的大挑戰(zhàn)。目前世界上跨海目前世界上跨海公路橋樑公路橋樑都在都在40公里公里以下。而長隧道對公路汽車以下。而長隧道對公路汽車排氣將嚴重挑戰(zhàn)隧道內(nèi)之環(huán)境品質(zhì)，因此，世界上之排氣將嚴重挑戰(zhàn)隧道內(nèi)之環(huán)境品質(zhì)，因此，世界上之長隧道公路長隧道公路都在都在30公里公里以

4、下。在長公路橋樑之以下。在長公路橋樑之緊急事故救援緊急事故救援將會是嚴重的考將會是嚴重的考驗，對於長驗，對於長公路隧道公路隧道不僅救援外還要增加不僅救援外還要增加旅客緊急逃生旅客緊急逃生之考量。之考量。世界上世界上鐵路隧道鐵路隧道有多條在有多條在50公里以上，最長為瑞士之公里以上，最長為瑞士之Gotthard Base隧道隧道約為約為57公里公里。 - 3 - 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC.4-歐洲隧道歐洲隧道全長全長50.550.5公里，包括海底公里，包括海底37.937.9公里及陸地之公里及陸地之12.612.6公里，公

5、里，其平均深度為海床下其平均深度為海床下4545公尺，最大水深為公尺，最大水深為5555公尺。公尺。 - 4 -於於19741974年成立基金開始正式研究年成立基金開始正式研究( (之前已進行系列的研究，包括列車空氣動力之前已進行系列的研究，包括列車空氣動力研究研究) )，19861986年簽約開始建造，並於年簽約開始建造，並於19881988年開始隧道施工，而在年開始隧道施工，而在19901990年服務隧年服務隧道道(service tunnel)(service tunnel)貫通，並於貫通，並於19941994年完成列車隧道與通車。年完成列車隧道與通車。 財團法人中興工程顧問社 Sino

6、tech Engineering Consultants, INC.5-二、地下列車空氣動力分析之目的二、地下列車空氣動力分析之目的 依據(jù)瑞士及德國之經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)經(jīng)空氣動力分析之隧道斷面將可大依據(jù)瑞士及德國之經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)經(jīng)空氣動力分析之隧道斷面將可大為縮減，甚至為縮減，甚至可以縮減達四分之以上之開挖斷面可以縮減達四分之以上之開挖斷面。 長列車隧道通風分析將可使隧道佈置更合理化，不僅可顧及長列車隧道通風分析將可使隧道佈置更合理化，不僅可顧及旅旅客舒適度與安全性客舒適度與安全性，且可以，且可以節(jié)約工程建造及營運管理之費用節(jié)約工程建造及營運管理之費用。 當隧道通風發(fā)生問題時，當隧道通風發(fā)生問題時，事後的補救

7、措施可能非常棘手事後的補救措施可能非常棘手，且所，且所需之費用可能非常龐大。需之費用可能非常龐大。- 5 - 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC.6-三、地下軌道列車曾遭遇之情況三、地下軌道列車曾遭遇之情況 巡軌列車將地下車站出入口之鐵捲門破壞。巡軌列車將地下車站出入口之鐵捲門破壞。 列車通過不?？恐叵萝囌緯r，列車需減速而無法列車通過不?？恐叵萝囌緯r，列車需減速而無法以原設計速度通過。以原設計速度通過。 多起隧道內(nèi)的門受到風壓之破壞。多起隧道內(nèi)的門受到風壓之破壞。 列車於隧道之設計行車速度是否有改善之空間？列車於隧道之設計行車

8、速度是否有改善之空間？ 如何評估地下隧道或車站承受風壓之標準？如何評估地下隧道或車站承受風壓之標準？- 6 - 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC.7-四、四、 地下列車空氣動力之物理現(xiàn)象地下列車空氣動力之物理現(xiàn)象 列車進隧道之壓力產(chǎn)生列車進隧道之壓力產(chǎn)生 壓力之影響壓力之影響 各國對列車隧道之壓力標準各國對列車隧道之壓力標準 改善之方法改善之方法- 7 - 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC.8-1. 列車進隧道之壓力產(chǎn)生列車進隧道之壓力產(chǎn)生A. 壓力之瞬間產(chǎn)生壓力

9、之瞬間產(chǎn)生B. 瞬間壓力之再增加瞬間壓力之再增加C.C.壓力波之傳播壓力波之傳播D.D.列車通過短豎井列車通過短豎井- 8 -活活塞塞 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC.9-A. 壓力之瞬間產(chǎn)生壓力之瞬間產(chǎn)生 列車行車速度較大差異於隧道內(nèi)之空氣流速。 列車與隧道斷面之比值越大，產(chǎn)生之壓力越大。列車與隧道斷面之比值越大，產(chǎn)生之壓力越大。 車頭設計流線化將降低壓力強度。車頭設計流線化將降低壓力強度。 壓力約為列車車速之平方關(guān)係。壓力約為列車車速之平方關(guān)係。隧道列車- 9 - 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineer

10、ing Consultants, INC.10-Gawthorpe and Pope(1993)列列車車速速度度為為 140 公公里里/小小時時相對壓力Pa2/ 102 1mkgfkPa - 10 - 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC.11-B. 瞬間壓力之再增加瞬間壓力之再增加 受到列車前後隧道空氣流動之影響，將使隧道壓力有再增加之現(xiàn)象。 隧道壁摩阻係數(shù)越大，產(chǎn)生之壓力波越強。隧道壁摩阻係數(shù)越大，產(chǎn)生之壓力波越強。 車身摩阻係數(shù)越大，產(chǎn)生之壓力波越強。車身摩阻係數(shù)越大，產(chǎn)生之壓力波越強。 隧道隧道 列車列車- 11 - 財團法

11、人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC.12-C. C. 壓力波之傳播壓力波之傳播壓力波以空氣之音速傳播，約為 330 m/s。音速遠大於列車速度。 (目前世界最快之試驗列車速度約為：158 m/s)當壓力波傳抵下游之隧道口會反射回隧道內(nèi)；再傳至 車頭時產(chǎn)生較強烈之負壓波；該波部分反射回隧道出 口，部分經(jīng)車身往車尾傳送。列車車尾進入隧道產(chǎn)生另一股負壓波。各波交互作用成為隧道內(nèi)之壓力變化情況。 隧道隧道列車列車音速音速- 12 - 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC.13-D.

12、D. 列車通過列車通過短短豎井豎井 豎井斷面積越大，豎井通風效果越好，但在豎井下游產(chǎn)生新壓力波的強度越強。列列 車車 隧道隧道豎豎井井- 13 - 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC.14-1500-1000-50005001000150020000510152025303540時間(秒)相對壓力(Pa)SAFT試驗-1500-1000-50005001000150020000510152025303540時間(秒)相對壓力(Pa)SAFT試驗相對壓力Pa相對壓力Pa無豎井佈置之列車進入隧道之偵測點壓力情況有豎井佈置之列車進入隧道

13、之偵測點壓力情況- 14 - 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC.15-2. 壓力之影響壓力之影響.隧道內(nèi)隧道內(nèi).隧道外隧道外.設備設備.列車行進速度之穩(wěn)定性列車行進速度之穩(wěn)定性.隧道之通風隧道之通風.列車耗能情況列車耗能情況- 15 - 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC.16-. .隧道內(nèi)：隧道內(nèi)：旅客或隧道內(nèi)之維修人員在短時間內(nèi)受到過大的壓力改變，將產(chǎn)生耳鳴、頭暈等不舒服現(xiàn)象。. .隧道外：隧道外：高速列車進入隧道產(chǎn)生一股強烈之正壓力波，當此壓力波傳抵下游隧道出

14、口時，衝出隧道口對隧道口外之空氣產(chǎn)生撞擊，該撞擊波隨著空間擴大而稀薄化，此種波動稱為微壓波(Micro Pressure Wave) ，該微壓波將會產(chǎn)生令人不愉悅的噪音使隧道出口附近住民受到干擾，這種現(xiàn)象稱為音爆(Sonic Boom)。- 16 - 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC.17-. .設備：設備：隧道內(nèi)設備或結(jié)構(gòu)長期受高壓波震盪影響，容易損壞。妨礙排水功能。地下車站冷氣大量外洩。. .列車行進速度之穩(wěn)定性：列車行進速度之穩(wěn)定性：因隧道內(nèi)空氣壓力波傳播震盪之影響使列車行進有時受到較大之空氣阻力，有時甚至受到空氣推力，使

15、列車在隧道內(nèi)之行進速度忽快忽慢，造成旅客不舒服。. .隧道之通風：隧道之通風：良好之隧道佈置可藉由列車活塞效應達到自然通風之功效。. .列車耗能情況：列車耗能情況：隧道內(nèi)空氣壓力變化，大多數(shù)時間空氣會對列車做負功，但也有做正功的時候。減小負功強度，便能節(jié)約能源之耗損。- 17 - 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC.18-3. 各國對列車隧道之壓力標準各國對列車隧道之壓力標準日本新幹線日本新幹線(高鐵高鐵)興建標準為允許壓力最大變化興建標準為允許壓力最大變化 1 kPa，允許壓力最大改變率為，允許壓力最大改變率為200 Pa/s

16、(日本國道設備維修標準將允許壓力最大改變率放寬為日本國道設備維修標準將允許壓力最大改變率放寬為300 Pa/s )，為德國高鐵所依行，但允許壓力最大改變率則放寬為，為德國高鐵所依行，但允許壓力最大改變率則放寬為400 Pa/s。英國鐵道局之標準英國鐵道局之標準(鐵路及高鐵鐵路及高鐵)允許在允許在4秒內(nèi)壓力最大變化單軌為秒內(nèi)壓力最大變化單軌為 2.5 kPa，雙軌為，雙軌為 3.0 kPa，此，此標準應用於歐洲跨海隧道標準應用於歐洲跨海隧道(營運速度：營運速度：140公里公里/小時小時)，且亦為義，且亦為義大利及瑞士等歐洲國家所採用。大利及瑞士等歐洲國家所採用。美國運輸部之標準美國運輸部之標準(

17、捷運捷運)壓力大於及等於每平方吋面積受壓力大於及等於每平方吋面積受0.1磅磅(689.4 Pa)時，允許每秒在時，允許每秒在每平方吋面積受每平方吋面積受0.06磅磅(413.7 Pa)之壓力變化率。之壓力變化率。- 18 - 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC.19-UIC之壓力標準之壓力標準(2002)- 19 - 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC.20-UIC規(guī)範之建議規(guī)範之建議.UIC對於隧道系統(tǒng)之對於隧道系統(tǒng)之壓力壓力及及流速流速分析，建議採用分析，建議採用

18、一維之一維之CFD模式進行分析模擬。模式進行分析模擬。.UIC提供之隧道斷面設計圖表，僅適用在提供之隧道斷面設計圖表，僅適用在沒有豎沒有豎井井、旁通道等旁通道等其他設施之其他設施之簡單隧道簡單隧道。且其列車之。且其列車之長度、車頭阻力係數(shù)、列車行車速度等都僅適用長度、車頭阻力係數(shù)、列車行車速度等都僅適用在特定的車種。在特定的車種。 - 20 - 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC.21-慕尼黑機場高鐵空氣動力之研究方案慕尼黑機場高鐵空氣動力之研究方案4. 改善之方法改善之方法- 21 - 財團法人中興工程顧問社 Sinotech

19、Engineering Consultants, INC.22-隧道系統(tǒng)土木佈置改善之空氣動力效應 編號 功能 土木佈置 力舒適度 短延時壓 力舒適度 長延時壓 氣阻力 列車之空 微壓波 氣流速 車站內(nèi)空 空氣流速 車站入口 氣交換量 隧道內(nèi)空 1 隧道入口 100m內(nèi)佈置總面積約 302m之豎井 0 0 0 + 0 0 0 2 喇叭形隧道入口斷面積由隧道入口之1002m降至距隧道100m處之402m + 0 0 + 0 0 0 3 在隧道入口500m範圍佈置1與2 + + 0 + 0 0 0 4 將隧道斷面積由422m加大為522m + + + + + + - 5 隧道入口 100m內(nèi)，開啟

20、 0.3m之狹縫連接大氣 + 0 0 + 0 0 0 6 隧道入口 100m內(nèi)以橫坑或開孔逐漸降低開孔之大小 + 0 0 + 0 0 - 7 通道連結(jié)兩隧道，通道面積大於102m， 例如延隧道每隔300m設一通道 + + + + + + - 8 在隧道中央處設置502m之豎井 + + + + + + - 9 a.車站內(nèi)設置502m豎井 b.隧道進車站前設置502m豎井 0 + 0 + + + 0 + 0 + + + 0 0 10 月臺往大廳通道設置門 0 0 - 0 0 + - 11 降低進入車站之隧道斷面積 - 0 - 0 + + 0 12 開放月臺且加長尾軌之長度 0 0 0 0 + +

21、0 13 月臺加裝月臺門 0 0 - 0 + + 0 14 以雙軌隧道取代兩單軌隧道 +/- +/- + + + + - 註：改善效果之符號：+為非常有效，+為有效，0 為無效的及-為反效果。 - 22 - 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC.23-隧道隧道/車站名稱車站名稱長度長度(公尺公尺)淨斷面積淨斷面積(平方公尺平方公尺)明挖覆蓋段明挖覆蓋段潛盾隧道潛盾隧道明挖覆蓋段明挖覆蓋段潛盾隧道潛盾隧道市區(qū)鐵路車站市區(qū)鐵路車站311-42-機場車站機場車站426-42-Landshuter Allee160441360-4242Fe

22、ldmoching36021806042Tunnel Flughafen1212-60/52-慕尼黑機場高鐵之設計慕尼黑機場高鐵之設計最大行車時速：最大行車時速：350公里公里全長：全長：38公里公里行車時間：行車時間：約約10分鐘分鐘 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC.24- 24 -五、五、SAFT(S(Simulate imulate A Air ir F Flow in low in T Train-Tunnelrain-Tunnel) )之驗證之驗證- 24 -試驗者試驗者案案例例模擬概況模擬概況偵測點測量偵測點測量資

23、料組數(shù)資料組數(shù)備註備註Woods Woods andandPopePope一一列車以時速列車以時速125125公里通過公里通過Patchway Old Patchway Old TunnelTunnel長度為長度為1,1401,140公尺。公尺。一組斷面速度偵測一組斷面速度偵測三組壓力偵測：隧三組壓力偵測：隧道中央、列車車頭道中央、列車車頭前及列車車尾旁。前及列車車尾旁。 GlockleGlockle等人等人二二Loco-hauledLoco-hauled列車以列車以305305公里公里/ /小時通過小時通過MuhlbergMuhlberg隧道長度為隧道長度為5,5275,527公尺。公尺。四

24、組壓力偵測點散四組壓力偵測點散佈於隧道長度。佈於隧道長度。ICEICE為流線形為流線形車頭，阻力係車頭，阻力係數(shù)小於數(shù)小於Loco-Loco-hauledhauled列車。列車。EinmalbergEinmalberg隧隧道之斷面隨著道之斷面隨著長度而有所變長度而有所變化。化。三三Loco-hauledLoco-hauled列車以列車以242242公里公里/ /小時通過小時通過EinmalbergEinmalberg隧道長度為隧道長度為1,1401,140公尺。公尺。一組壓力偵測點。一組壓力偵測點。四四ICEICE列車以列車以242242公里公里/ /小時通過小時通過EinmalbergEin

25、malberg隧道。隧道。一組壓力偵測點。一組壓力偵測點。五五ICEICE列車以列車以250250公里公里/ /小時與小時與Loco-Loco-hauledhauled列車以列車以235235公里公里/ /小時在小時在EinmalbergEinmalberg隧道相會。隧道相會。四組壓力偵測點：四組壓力偵測點：隧道內(nèi)兩處、兩車隧道內(nèi)兩處、兩車之車身旁。之車身旁。六六ICEICE列車以列車以300300公里公里/ /小時通過小時通過EinmalbergEinmalberg隧道。隧道。一組壓力偵測點。一組壓力偵測點。Gawthorpe Gawthorpe and and PopePope七七列車以列

26、車以140140公里公里/ /小時通過隧道長度為小時通過隧道長度為1,2181,218公尺。公尺。一組壓力偵測點。一組壓力偵測點。比對豎井對於比對豎井對於隧道內(nèi)壓力之隧道內(nèi)壓力之影響。影響。八如上隧道，增設豎井長如上隧道，增設豎井長3030公尺。公尺。一組壓力偵測點。一組壓力偵測點。 財團法人中興工程顧問社 Sinotech Engineering Consultants, INC.25-六、六、SAFT之應用及模擬結(jié)果動態(tài)展示之應用及模擬結(jié)果動態(tài)展示 單列車進入擬歐洲隧道之模擬單列車進入擬歐洲隧道之模擬(ChannelTun) 雙列車進入擬歐洲隧道之模擬雙列車進入擬歐洲隧道之模擬(ChannelTun