《Cold Regions Science and Technology》：Transient aerodynamic loads and spatiotemporal evolution of the temperature field in cold-region high-speed railway tunnels
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高速铁路隧道防冻设计中的气动载荷与温度场耦合机制研究，采用CFD动态网格方法揭示压力波对三维气流分布的调控作用及速度-强度非线性关系，提出分阶段气流演变模型和动态修正系数，为寒区隧道防冻层长度计算提供新方法。
丁云飞|朱正国|宋晨晓|朱永全|陈龙超|朱浩|韩志明
教育部道路与铁路工程安全控制重点实验室，石家庄铁道大学，中国石家庄050043
摘要
寒冷地区的高速铁路隧道容易受到严重的霜冻损害，其内部温度场的演变受到列车运行引起的空气动力学效应的显著影响。本研究采用计算流体动力学（CFD）动态网格方法，阐明了瞬态空气动力载荷与隧道温度场在寒冷环境中的耦合演变机制。研究结果表明，列车运行产生的压力波对列车诱导气流的三维空间分布具有显著的调节作用。观察到列车速度与空气动力强度之间存在非线性关系。此外，气流的演变通过分段函数来描述，将其分为压力波主导阶段和残余风衰减阶段，并引入动态调制函数来准确捕捉马赫波引起的速度振荡。基于静态温度场模拟，并结合列车频率和外部空气温度，提出了一种修正系数，用于调整受列车诱导气流影响的隧道的防冻保温长度。本研究的结果为寒冷地区高速铁路隧道的抗霜设计提供了理论支持和技术指导。
引言
中国是一个气候类型多样的广阔国家。其中，寒冷地区（五大气候类型之一）约占国土面积的43.5%。随着“一带一路”倡议、川藏铁路和东北振兴等国家战略的推进，寒冷地区的隧道建设稳步扩展（Hou等人，2025年；Ma等人，2025年；Liu等人，2019年）。然而，在严寒条件下，高速铁路隧道的运营和维护面临严峻挑战。高速列车引起的活塞风显著改变了隧道内部的热边界条件，导致高度动态的非稳态温度场。这种气流与温度之间的复杂耦合经常引发各种霜冻损害，包括由于冻融循环导致的衬砌混凝土剥落、由于冻胀引起的隧道底部变形以及排水系统中的冰堵塞——所有这些都对运营安全构成严重威胁，并大幅增加基础设施维护成本（Wu等人，2020年；Li等人，2022年；Ren等人，2022年）。尽管被动热绝缘仍然是当前寒冷地区隧道项目的主流设计策略，但由于对高速列车运行期间空气动力加热与周围岩石之间耦合机制缺乏深入理解，现有的防冻设计标准缺乏足够的理论支持。
适当的保温长度对于周围岩石的长期稳定性和隧道的整体使用寿命至关重要。为了确定这一长度，日本学者黑川良典（Kurokawa Yoshinori）通过拟合大量纵向隧道温度测量数据，建立了保温长度与外部空气温度之间的定量关系（Pang等人，2022年）。基于保温厚度的解析解，Xia等人（2013年、2016年）提出了针对不同永久冻土类型的保温厚度计算公式。他们进一步结合隧道温度场的解析解，开发了一种通过整合现场地质条件、衬砌结构参数和热物理性质、初始温度场分布以及隧道内气流速度等因素来确定保温长度的方法。Gao等人（2018年）调查了寒冷地区的156条隧道，并将其分为高纬度和高海拔两种类型。利用测量数据的多项式拟合，他们开发了最冷月份平均温度和保温长度的定量公式。Ye等人（2019年）基于中国35条季节性寒冷地区隧道的温度场测量数据，建立了隧道温度场在运行期间的纵向影响范围的上限拟合公式。他们还验证了使用黑川良典的经验公式得到的值对应于纵向影响范围的下限，并指出仅基于该公式确定的保温长度可能无法满足防冻要求。最终，他们提出了在动态变化的环境温度下隧道入口处的推荐保温长度，考虑了拟合公式中的上下限。Li等人（2024年）结合了有限元建模、计算流体动力学和概率分析来确定保温长度。Wang等人（2024年）开发了一个涉及周围岩石、衬砌和保温的多层热传递模型，并基于Duhamel原理和变量分离法得到了温度场的解析解，从而为确定保温厚度提供了理论基础。中国当前的铁路隧道设计规范要求在确定寒冷地区保温长度时综合考虑多个因素，但没有提供具体的计算方法。现有的拟合公式主要依赖于最冷月份的平均温度作为核心参数。然而，对于寒冷地区的高速铁路隧道，这一单一指标无法捕捉列车运行引起的温度场的动态变化。
随着寒冷地区高速铁路建设的不断发展，列车运行对隧道内部环境的耦合影响已成为研究热点。高速列车引起的压力波和空气动力载荷波动会改变隧道的流场结构，并驱动外部冷空气的流入，从而导致温度场的时空变化（Gao等人，2024年；Zhou等人，2016年；Wei等人，2025年）。列车诱导的气流不仅是空气动力效应的主要载体，还直接影响了热环境平衡、周围岩石的冻融稳定性和衬砌结构的疲劳寿命。Ricco等人（2007年）结合数值模拟和模型试验分析了列车通过时的压力波特性，并比较了标准隧道和带有竖井隧道的空气动力效应。为了研究瞬态压力评估方法在开放空间和封闭空间中的适用性，Gilbert等人（2013年）进行了高速列车通过隧道的实验，采用了开放空间控制。结果显示封闭空间中的峰值阵风值更高，突出了活塞效应在增强列车诱导风中的作用。Miyachi等人（2014年）进行了模型实验，研究了高速列车通过分支隧道时的压力波特性，并基于低马赫数近似推导出了压力变化的解析表达式。Zhang等人（2017年）采用三维可压缩湍流模型建立了微压力波与压力梯度之间的相关性。提出了一种快速估算倾斜圆形隧道入口处微压力波的方法，并通过移动模型试验进行了验证。Guo等人（2018年）进行了动态模型试验，研究了列车头部截面面积变化对压缩波的影响，发现初始压缩波受到列车头部几何形状的调制，其峰值与平均截面面积呈正相关。Meng等人（2021年）采用改进的延迟分离涡模拟（IDDES）方法分析了高速列车通过隧道时的尾流，并研究了不同头部长度对隧道内部流场分布的影响。Luo等人（2023年）进行了数值模拟，探讨了高速列车通过隧道时的非稳态空气动力行为和周围流场，并识别了逆风条件下迎风面和背风面的涡旋结构。此外，他们还注意到当隧道入口处的侧风强度较大时，列车头部的安全性降低。Tao等人（2022年）通过模型试验和现场测量研究了风温、风速、列车速度和交通流量对寒冷地区铁路隧道保温长度的影响。他们的发现表明，最大保温长度与自然风速呈正相关，风速每增加1米/秒，最大保温长度平均增加787米。目前关于高速列车运行对寒冷地区隧道温度场影响的研究主要集中在空气动力效应与温度场之间的耦合机制上。列车诱导的气流显著扰乱了寒冷地区隧道的温度场，两者表现出复杂的非线性相互作用。这种效应在寒冷条件下尤为明显，其中列车诱导的气流更显著地加剧了隧道内的热交换过程。然而，现有研究往往将列车诱导的风速简化为常数，未能考虑空气动力效应的动态演变。列车诱导气流场的时空分布和动态演变对于准确捕捉寒冷地区隧道的温度场响应机制至关重要。
本研究采用计算流体动力学（CFD）结合动态网格技术，系统研究了寒冷地区高速铁路隧道中瞬态空气动力载荷和温度场的时空演变机制。开发了一个按比例缩放和精细化的寒冷地区高速铁路隧道的三维数值模型。通过数值模拟，揭示了列车通过期间空气动力压力场和三维流场的动态演变特性，并建立了考虑压力波传播效应的列车诱导气流计算理论模型。以吉林-图们-珲春客运铁路线上的玉树川隧道为案例研究，本文定量分析了列车多次通过对隧道温度场的累积扰动效应，并提出了一种基于列车运行引起的累积效应确定寒冷地区隧道防冻保温长度的修正方法。该方法创新性地引入了保温层修正系数，以考虑列车交通的累积影响，从而为寒冷地区隧道的防霜设计提供了更准确的理论基础。
部分摘录
数值模型和边界条件
使用中国铁路高速380A（CRH380A）模型作为仿真原型，建立了一个全尺寸的高速列车数值模型。该列车由八节车厢组成，关键几何参数如下：总长度203米，宽度3.38米，高度3.70米，截面面积11.22平方米。
隧道模型代表了中国标准单孔双轨铁路隧道，设计速度为350公里/小时，净截面面积100平方米。
空气动力压力的时空演变
高速列车进入隧道的过程中，列车头部前方的空气经历强烈压缩，产生一个沿列车运动方向传播的压缩波C1。当列车尾部进入隧道时，由于空气无法迅速填充空腔，在列车后方形成低压区，产生一个向隧道出口方向以声速传播的膨胀波E1。
结论与展望
本研究采用CFD动态网格技术，系统研究了寒冷地区高速铁路隧道中瞬态空气动力载荷和温度场的时空演变机制。阐明了瞬态空气动力载荷与温度场之间的相互作用，并建立了考虑压力波的列车诱导气流计算模型。
CRediT作者贡献声明
丁云飞：撰写——原始草稿，软件开发，调查，正式分析。
朱正国：监督，方法论，资金获取，概念化。
宋晨晓：监督，软件开发。
朱永全：撰写——审稿与编辑。
陈龙超：验证，正式分析。
朱浩：撰写——审稿与编辑，监督。
韩志明：正式分析，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（52478406）、河北省石家庄市属高校基本研究项目（241790577A）、河北省自然科学基金（E2022210040）和河北省教育厅研究生创新能力培养资助项目（CXZZBS2025163）的支持。
