高速列车局部动态气密性：一种创新定义及其评估方法设计

《Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics》：Local dynamic airtightness of high-speed railway trains: An innovative definition and its evaluation method design

　　

摘要动态气密性评估方法论的发展对于铁路列车的气密性设计和乘客舒适性至关重要。然而，现有方法在评估穿越隧道的列车时表现出明显的不足。为解决这一局限性，本研究基于现场测试压力数据提出了一种新的动态气密性定义及其相应的评估方法。结果表明，新提出的局部动态气密性相比传统的全局定义能更好地近似现场测试数据。引入了基于感知重要点（PIPs）的分段线性表示（PLR）算法用于局部动态气密性评估。通过对比分析，验证了所提方法的有效性，并探讨了关键评估参数的合理设计。此外，识别并消除了无效压力段以最小化评估误差。与传统的全局定义相比，由局部定义推导出的等效全局动态气密性能更准确地描述实际的整体气密性能。压力波通过特征段模型进行表征：PW=1*In1+m*CWi+n*EWi+1*Out1。在此基础上，建立了压力波主要转折点理论确定模型：S=5+2*(N1′+N2′)。在此基础上，开发了局部动态气密性评估方法对不同特征压力波的适应性。这些发现为列车气密性的研究和设计提供了重要的方法论支持。

引言铁路系统在可持续交通中发挥着至关重要的作用，特别是高速铁路，在中国随着运营复杂性的增加取得了显著发展（Chen et al., 2023; Mohammadi et al., 2020）。如图 1 所示，当列车穿过山区时通常需要铁路隧道（Li et al., 2021; Liu et al., 2019c）。截至 2023 年底，中国高速铁路网络总里程已达到 45,000 公里，其中隧道 4561 座，总长度 7735 公里，且大量隧道仍在建设中（Gong et al., 2024）。因此，高速列车经常需要穿越隧道，导致运动列车周围的有效气流空间突然且急剧减少（Liang et al., 2020）。由于空气的可压缩性和粘性，这种急剧减少会在隧道内产生压缩波和膨胀波。通过反复传播、反射和叠加，形成复杂的压力波，作用于列车和隧道壁（Baron et al., 2001; Li et al., 2019）。这些复杂的交变压力波导致显著的空气动力学问题，包括压力引起的乘客不适、空气动力学阻力增加以及严重的列车结构振动（Heine et al., 2018; Liu et al., 2023）。

受对提高列车乘坐舒适性日益增长的需求驱动，压力引起的乘客不适已成为关键研究焦点（Li et al., 2023; Liu et al., 2019a; Lu et al., 2025; Peng et al., 2022b）。如图 2 所示，列车车厢上的多源泄漏路径导致气密性是有限的，而非绝对的。在高强度交变外部压力下，此类气密性有限的车厢内部会出现显著的压力波动（Li et al., 2022a; Mu et al., 2025; Xiong et al., 2020）。这些压力变化引起不同形式和程度的乘客不适，主要包括耳鸣、耳痛、头晕、恶心、轻微呕吐，甚至在极端情况下导致鼓膜损伤（Peng et al., 2022a; Tian, 2015）。缓解压力引起乘客不适的方法通常分为两类：减轻外部压力波和改善列车气密性能。关于隧道通过期间的外部压力，许多研究集中在缓解措施上（Li et al., 2022b; Lu et al., 2022; Wang et al., 2018）。然而，对列车气密性能的系统性研究仍然有限，大多数研究仅出现在近年来（Liu et al., 2019b; Wang et al., 2022; Xia et al., 2023a）。列车气密性取决于车厢泄漏路径特性，这是一个描述抵抗交变外部压力波屏蔽能力的抽象概念。因此，定量定义和评估方法对于研究穿越隧道的列车气密性能至关重要（Niu et al., 2022）。

关于列车车厢气密性能的定量评估，通常采用两个主要指标：气密性系数和等效泄漏面积，其中前者在工程实践中应用更广泛。关于气密性系数（τ），其定义因列车运行场景的不同而异，导致工程实践中存在两种不同的分类（U.I.C. 779-11, 2005）。具体来说，静态气密性系数（τsta）是在制造或维护测试阶段定义的。在此场景下，车厢静止，所有潜在泄漏路径被人工密封，通风系统不工作（如图 2 所示），从而表征车厢结构本身的固有几何密封质量。相反，动态气密性系数（τdyn）描述了在役运营列车的实际气密性能。它表征了在役列车运行期间气密系统与外部环境之间的动态相互作用，反映实际压力波动效应。在实践中，τdyn 对于由乘客压力舒适性需求驱动的密封列车的开发和设计至关重要（Li and Liu, 2024; Srivastava et al., 2022）。现场测试通常是准确确定穿越隧道列车的 τdyn 的最可靠方法（U.I.C. 779-11, 2005）。因此，进行了一系列针对穿越不同长度隧道的列车的现场测试，以调查车厢 τdyn 的主要影响因素（Liu et al., 2019b）。通过对不同服务阶段高速列车的系统现场测试，Chen 等人（2021）揭示了 τdyn 在服务期间的演化特征。Xia 等人（2022）对列车车厢进行了缩尺模型测试，并试图澄清静态和动态气密性系数之间的关系。通过结合现场和静态测试，Li 和 Liu（2024）确定了运营列车的 τdyn，并建立了 τsta 和 τdyn 之间的数学关系。

如上所述，越来越多的研究关注压力引起的乘客舒适性，导致对穿越隧道列车动态气密性能进行了大量研究。在调查运营列车动态气密性时，必须首先基于现场测试数据建立评估方法，以准确计算车厢 τdyn。Xia 等人（2023a）强调了准确定量评估对于研究列车动态气密性能的重要性。基于 τ 的理论定义，他们利用反向匹配优化框架系统地建立了 τdyn 的评估方法，并优化了几个关键程序。Ma 等人（2024）提出了一种基于静态气密性评估方法，从多阶段静态加压和释压过程中等效计算 τdyn 的方法。相比之下，反向匹配优化框架被更广泛地采用来评估 τdyn。然而，由于压力波复杂的形态特征，现有评估方法在局部压力波段仍然表现出显著的不足和偏差。同时，迫切需要但很少进行关于设计高精度和高适应性 τdyn 评估方法的系统研究。

为解决现有评估方法的不足和发展要求，本研究基于现有评估机制和现场测试数据，提出了一种具有高精度和适应性的列车动态气密性创新评估方法。本文其余部分组织如下。第 2 节介绍了理论和方法基础，包括动态气密性的一般评估逻辑、局部动态气密性的提出以及 PLR 算法的构建。第 3 节分析了所提局部动态气密性相比传统全局定义的应用效果和后处理方法，并进一步发展了评估方法对不同压力波的适应性。第 4 节总结了研究结果并概述了未来展望。

章节片段列车现场测试细节为建立评估运营列车动态气密性的可靠数据基础，进行了现场测试以获取隧道通过期间车厢内外瞬态压力数据。测试在武广高铁上进行，这是中国一条代表性的高速铁路，拥有大量隧道（超过 200 座），为调查列车动态气密性提供了必要且合适的条件。测试列车为 CRH380B 型。

全局与局部动态气密性比较为验证新提出的局部动态气密性的有效性和优势，进行了全局和局部动态气密性的详细比较。基于图 9 所示的局部动态气密性评估逻辑，计算了穿越 Tu2203 隧道的列车局部动态气密性。首先，将两个端点和三个主要极值点识别为 PIPs，用于局部动态气密性评估。如图 12 所示，

结论动态气密性评估方法的设计对于列车动态气密性和乘客压力舒适性研究至关重要。值得注意的是，现有方法在应用于动态气密性时表现出明显的不足。因此，本研究首次提出了局部动态气密性定义。通过整合 PLR_PIP 算法，设计并验证了相应的评估方法，使用了现场测试数据。此外，基于形成和

CRediT 作者贡献声明 Yutao Xia：调查、方法论、验证、写作 – 初稿。Chunjun Chen：资金获取、调查。Xiaopeng Wang：软件。Boyuan Mu：验证。Jiqiang Niu：软件。

利益冲突声明作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本论文报告的工作。

致谢本工作得到了国家自然科学基金（批准号：52372402）的支持。本工作也得到了四川省科技计划（批准号：2026NSFSC1308）和中央高校基本科研业务费（批准号：2682026CX122）的支持。

Yutao Xia|Chunjun Chen|Xiaopeng Wang|Boyuan Mu|Jiqiang Niu