Page 152 - 《振动工程学报》2026年第5期

1356 振 动 工 程 学 报 第 39 卷

缩波传播至隧道出口会释放高强度微气压波，进而 接通道阻尼对隧道内压缩波传播特性的影响。结果
产生可听音爆，并对隧道周围居民和建筑物结构造 表明，短隧道首选线性压力流量特性的低阻尼连接
成低频共振危害 。 通道，而长隧道更适合二次压力流量特性的高阻尼
[8]
微气压波本质上是一个低频脉冲波，其特性与 连接通道。截止目前，已有研究基本单独考虑洞口
初始压缩波的产生、传播和释放过程相关。当列车 缓冲结构或隧道内构，两者相结合的缓解措施研究
由大气环境驶入隧道空间时，列车类似于“空心活 近乎空白 [20-21] 。而多孔板与道砟碎石均可视为多孔
塞”，对隧道内空气产生压缩作用 [9-10] 。在非线性效 介质，其孔隙率差异导致两者在缓解微气压波方面
应和摩擦效应共同作用下，初始压缩波以接近音速 具有不同功能：前者主要降低初始压缩波梯度幅值，
的速度向前传播并持续演化 [11] 。非线性效应迫使初 后者则有效抑制压缩波非线性累积激化。高速磁浮
始压缩波在传播中逐渐陡峭，而摩擦效应则与之相 隧道普遍采用无砟轨道设计，且其洞口微气压波往往
反 [12] 。初始压缩波波后为加压空气，考虑空气可压 超出标准限值。基于上述两种传统缓解方案的功能特
缩性，其波后的温度和传播速度均超过波前，导致压 性，开展微气压波的多孔介质抑控方法研究，有助于
缩波逐渐非线性陡峭，压力梯度持续增加，该作用即 深入揭示隧道洞口的泄能机制与洞身段的耗能特性。
为初始压缩波的非线性效应。而在有砟隧道中，有砟 本文提出隧道洞口多孔介质缓冲结构和隧道洞
道床的碎石类似于多孔介质或一系列亥姆霍兹谐振 身多孔涂层相结合的抑控方案，用于缓解磁浮列车
器，这些结构通过黏性摩擦、微小涡旋耗散及颈部阻 高速穿越隧道引起的微气压波问题。首先建立高速
尼振动消耗能量，使初始压缩波发生色散并持续耗 磁浮隧道洞口微气压波数值仿真模型，并通过动模
散能量，进而削弱其幅值和压力梯度。然而，高速磁 型试验数据和网格无关性分析验证计算模型的准确
浮隧道均采用无砟道床，导致非线性效应在初始压 性。接着，分析多孔介质缓冲结构对初始压缩波的
缩波传播过程中占据主导地位。由于车速提高和压 缓解规律，并讨论多孔涂层对压缩波非线性效应的
缩波非线性效应的共同影响，高速磁浮隧道的微气 抑制效果，最后评估抑控方案对微气压波、隧道壁
3
压波量级已达到 10 Pa [13] ，且初始压缩波的主要频率 面压力和车体表面压力的整体影响。

低于 34 Hz [14] ，导致磁浮隧道内压缩波传播难以色散
且持续陡峭，给相应的缓解措施研究带来较大挑战。 1 计 算 模 型 与 边 界 条 件
微气压波幅值通常与隧道出口位置的压缩波梯度
幅值成正比，因此，初始压缩波梯度和隧道内部结构将 1.1 几何模型
直接影响微气压波特性。目前缓解初始压缩波梯度的
图 1 为 1∶20 缩比高速磁浮列车计算模型。列车
研究主要考虑在隧道洞口加设缓冲结构，以缓解列车突
模型建模保留了关键外形特征，包括车体端部风挡、裙
入隧道的质能交换过程，从而降低初始压缩波梯度。而
板结构和车底滑橇等构件。以列车高度 H=0.21 m 为特
关于隧道内部结构方面，隧道内道床形式、竖井、横通
征长度，列车全长 L t 与宽度 W 分别为 19.8H 和 0.88H。
r
道、分支和辅助坑道等均会改变压缩波的传播、反射和
头车、中车和尾车的长度分别为 6.95H、5.9H 和 6.95H，
叠加形式 [12] ，进一步影响压缩波轮廓的演化特性。
其中流线型长度 L 1 为 4H。数值计算模型的详细尺寸
为解决高速磁浮隧道洞口微气压波严重超标问
参数如图 2 所示。双线磁浮隧道长度 L t 为 u 238.1H，实
题，张洁等 [15-17] 提出了安装于隧道两侧的扩大截面
2
际横截面积为 140 m ，线间距为 1.33H。列车与隧道横
渐变开孔缓冲结构，分析了渐变开孔缓冲结构周围
截面积的比值，即阻塞比 β 为 0.085。
的空气流动趋势和泄压规律。渐变开孔缓冲结构可
在简化轨道导向下，磁浮列车以 V t =600 km/h 的
将隧道出口 20 m 处微气压波幅值降低 86.7%。潘发
速度穿越双线隧道，其计算域和边界条件如图 2 所
兴 [18] 比较了隧道入口渐变开孔缓冲结构的开孔大小
示。本文设置密封结构和抑控方案两组对照工况，
对初始压缩波梯度的影响，该渐变开孔缓冲结构长 密封结构工况仅在隧道洞口两端设置 5 m 长气密缓
150 m，与隧道等截面。研究表明，1 m 方孔的缓解效

L tr
果优于 0.4 m 方孔，其对初始压缩波梯度的缓解率为
x tr
65.7%。在隧道内构方面，TEBBUTT 等 [19] 研究了亥
姆霍兹谐振器阵列对压缩波非线性激化的抑制机 尾车
理，通过对非线性效应和壁面摩擦的对比分析，证明 中车 H
了亥姆霍兹谐振器阵列可避免隧道内压缩波发生激 头车 W

化。为避免欠阻尼连接通道导致的亥姆霍兹谐振器 图 1 列车几何模型
腔室共振，LIU 等 [9] 采用了多孔连接通道并研究了连 Fig. 1 Train geometric model