[科普中国]-隧道空气附加阻力

隧道空气附加阻力是指列车进入隧道时所附加的空气阻力。由于列车进入隧道，使空气流动的截面积减小，因而空气的流速提高，以及列车头部的空气被压缩和尾部的空气被稀释的情况比隧道外加剧，所以作用在列车上的空气阻力增大。1

简介隧道空气附加阻力(additional air resistance due to tunnel)是指列车在隧道内运行时，较空旷路段额外增加的空气阻力。在隧道内的空气因受列车挤压，不易向四周扩散，列车前面空气压力增大，尾部空气稀薄，形成压力差，空气还与列车侧面和隧道表面产生摩擦，因此较之空旷路段空气阻力大为增加，其值与隧道长度、行车速度、列车长度、列车外形、隧道断面积、隧道壁粗糙程度等有关，一般采用试验归纳出的经验公式计算1。

空气阻力在隧道中的列车空气阻力比明线上大得多。空气阻力很可能超过运行总阻力的90%，即使在低速运行时它也仍然是运行阻力的主要组成部分。如要使列车在隧道中保持原来行车速度，则需提供另加的发动机功率。因此对高速列车的运营有霓大关系。在既成的隧道中就必需限制行车速度，而对新设计的隧道就要由空气动力学问题来确定隧道的横截面积。反之，如在设计阶段就注意到适当修正隧道直径，或加设一些间隔的降压通道，连通外界大气或其他隧道，那么上述后患就能减至最小。为了保证能选择出一合理的结构形式，显然应将空气阻力与其他运营因素、工程、环境等因素一起考虑，而采用一个准确易算的计算方法则是最基本的。

空气阻力值取决于许多因素，这些因素涉及到列车类型及其速度、在隧道内有其他列车、隧道的几何形状及其修整表面、通向大气的通风竖井几何形状或联通其他隧道的横通道几何形状等等。虽然阻力与某些因素具有简单的关系，例如阻力约与速度的平方成正比，然而阻力和另外一些因素之间的关系就不是那么明显。因此要考虑到所有因素进行综合的分析则是相当复杂的事2。

使用准稳定流方法的合理性列车刚入洞口时的空气压缩效应使列车阻力显著增加。由于列车尾端进入洞口，车后压力下降，这时列车阻力刹那间进一步增加。但当列车尾端的膨胀波到达列车前端时，阻力开始下降。当列车前端入洞口时所产生的压缩波，到达前方出口后又反射回来抵达车的前端时，就发生了显著的阻力下降，由于反射波掠过列车引起阻力多次连续的升降，十分象一个衰减振荡，使阻力值最后趋向于稳定。当列车离开隧道的时候，随着列车前端出了洞口。由再压缩效应所引起的阻力逐渐下降到明线上的阻力值。

所以，气体的压缩性对流动状态有十分显著的影响（即它是波的产生和传播的基础）。然而，对当前列车的运行速度来说，气流密度的改变却十分微小（至多为2-3%）。所以在计算气流速度和压力时就不必考虑压缩性，同时在推断列车阻力时也不必加以考虑。在这个意义上，采用不可压缩的分析法是十分合理的。

对所提出方法的最终检验，要看其计算结果与轨道试验实测得的数据相符程度如何。虽然已公布的有关隧道中列车阻力的资料很少，但也有充分资料足以证明这个方法的正确性。例如，对不同长度的简易隧道的实测结果3。

总结在选择铁路长隧道的最佳结构形式和横断面尺寸工作中，隧道设计者面临的主要障碍是缺乏列车空气阻力的综合资料。根据准稳定流假设的比较简单的方法，可用于求得各种不同类型的列车在各种不同类型的隧道中运行时的平均阻力值2。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所