JP3486632B2 - 列車の車体形状設計法 - Google Patents
列車の車体形状設計法Info
- Publication number
- JP3486632B2 JP3486632B2 JP23819294A JP23819294A JP3486632B2 JP 3486632 B2 JP3486632 B2 JP 3486632B2 JP 23819294 A JP23819294 A JP 23819294A JP 23819294 A JP23819294 A JP 23819294A JP 3486632 B2 JP3486632 B2 JP 3486632B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- tunnel
- train
- shape
- speed
- equation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T30/00—Transportation of goods or passengers via railways, e.g. energy recovery or reducing air resistance
Landscapes
- Aerodynamic Tests, Hydrodynamic Tests, Wind Tunnels, And Water Tanks (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば、新幹線等の高
速でトンネルに突入する列車によって生じるトンネル出
口の騒音を軽減するための列車の車体形状設計法に関す
る。 【０００２】 【従来の技術】近年、列車の高速化に伴い、走行時に生
じる騒音等の対策が列車設計の重要な課題となってい
る。特に、高速の列車がトンネルに突入する場合には、
次のような現象を生じ、騒音等の原因となることからそ
の低減を考慮した列車設計が必要とされている。図６に
示すように、列車１が高速でトンネル２に突入すると、
トンネル２内で列車１前面の空気が圧縮されて圧力が上
昇し、トンネル出口２ａに向かって伝播する圧縮波３が
形成される。この圧縮波３がトンネル出口２ａを通過す
ると、パルス状の圧力波となって周囲に広がっていく。
このパルス波は、「トンネル出口微気圧波」４と呼ば
れ、新幹線のトンネル出口において観測されており、場
合によってはトンネル出口周辺で低周波の騒音となった
り、家屋の窓枠が揺れたりすることが報告されている。 【０００３】トンネル出口微気圧波４の強さは列車突入
速度の３乗に比例するため（山本彬也：「トンネル出口
からの微気圧波」、日本物理学会春の分科会、１９７
７）、列車の高速化を図るにはトンネル出口微気圧波４
を弱めることが必要不可欠となっている。小沢（小沢
智：「トンネル出口微気圧波の研究」、鉄道技術研究報
告、Ｎｏ．１１２１、１９７９）によれば、トンネル出
口微気圧波４の強さはトンネル内の圧縮波３の波面勾配
に比例する。従って、トンネル出口微気圧波４を弱める
ためには列車１がトンネル２に突入したときに形成され
る圧縮波３の波面勾配を緩やかにすればよい。その方法
の一つとして、列車１の先頭形状を変化させることが考
えられるが、今まではどのように列車形状を設計すれば
圧縮波波面勾配が緩やかになるのかという明確な設計指
針はなく、経験的に列車の形状を決めざる得えなかっ
た。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】ところで、ある列車形
状がトンネルに突入したときの圧縮波波面勾配を測定す
るには、列車に見立てた発射体をトンネルに見立てたダ
クトに打ち込むという特殊な実験装置が必要であった。
そのため、列車の形状を検討するには少なからぬ費用と
時間がかかるという問題があった。また、列車形状をど
のようにすれば、圧縮波波面勾配を緩やかにできるか、
明確な指針が得られていなかった。本発明は、前述の課
題に鑑みてなされたもので、圧縮波波面勾配を測定する
のに特殊な実験装置を使用せず、容易に実験を行うこと
ができ、列車形状の設計に要する時間と費用を大幅に低
減することができるトンネル出口の騒音低減のための列
車の車体形状設計法を提供することを目的とする。 【０００５】 【課題を解決するための手段】本発明は、前記問題点を
解決するために、列車が高速でトンネルに突入する際に
トンネル出口側で生じる圧力波を低減させるための車体
形状を風洞実験、または、数値計算に基づいて決定する
設計法であって、ある車体形状に設定した実験車両に対
してその前方からトンネルへの突入速度に相当する風速
の実験風を吹き付けて、該実験車両の周囲を通過する実
験風の仮想トンネル壁面に垂直な方向の速度成分を測定
する風洞実験または数値シミュレーションを、実験車両
の車体形状を変化させて繰り返すことにより、前記速度
成分の最大値を指標としてそれが可及的に小さくなるよ
うな車体形状を求めることを特徴とする方法である。 【０００６】 【作用】本発明によれば、想定する列車の形状を有する
実験車両を所定の位置に固定し、該実験車両に対してそ
の前方から、想定する列車のトンネル突入速度に等しい
風を吹き付ける。そのとき、実験車両の先頭部周辺に仮
想トンネル壁面に相当する位置で、該トンネル壁面に対
し垂直な流れの速度成分の最大値を測定する。この速度
成分の最大値は、上記トンネル突入速度で列車がトンネ
ルに突入した場合のトンネル内の圧縮波波面勾配の最大
値に比例する。したがって、実験風の速度成分の最大値
が低下するように前記実験車両の形状を変化させて、ト
ンネル出口の騒音を低減する列車の形状を設計し、決定
する。換言すると、実験車両の車体形状を様々に変化さ
せて上記の風洞実験あるいは数値シミュレーションを繰
り返して、各車体形状での上記の速度成分の最大値をそ
れぞれ測定し、その測定値が可及的に小さくなるような
車体形状を求める。これにより、上記速度成分の最大値
を指標として最適な車体形状を決定することができる。
このため、列車に見立てた発射体を用いる特殊な実験装
置を使用せずとも容易に列車形状の設計が行える。ま
た、従来では経験的に決めていた列車形状を明確な指針
のもとに設計することができる。 【０００７】 【実施例】以下、本発明の列車設計法に利用する列車ト
ンネル突入時の圧力変動に関する数学的モデルを図２お
よび図３を参照しながら説明する。このモデルでは、列
車５がトンネル２を突入する流れ場を一次元的な流れ場
とみなす。列車５に固定した座標系で列車５のトンネル
６突入時の流れ場を観察すると、瞬間的な流線７は概念
的に図２（ａ）のように描くことができる。列車５の突
入速度をＵtとすると、一様流の速度がＵtとなり、トン
ネル６が速度Ｕtで列車５に向かってくることになる。
列車５がトンネル６から十分離れているときは、列車５
が存在することによって列車５周囲の流線７は押し上げ
られたような形になる。図２（ｂ）のように、そこへト
ンネル６が来ることによって列車５側方へ押し上げられ
ていた流線７はトンネル壁面６ａによって押し下げら
れ、その流管内の空気は圧縮されることになる。このよ
うな流管の圧縮がトンネル６内圧縮波形成の本質的メカ
ニズムであると考えられる。 【０００８】ある流管の一部を取り出し、これを検査領
域として考えると、式１のような断面積の時空間的な変
動を含む一次元圧縮性オイラー方程式が導かれる。ここ
で、 ρ：流体の密度 ｕ：流体の局所流速 ｅ：単位体積当りの全エネルギー ｐ：圧力 Ａ：流管の断面積 ｃ：音速 γ：比熱比 とする。 【数１】【数２】 【０００９】式１から特性量に関する式に変形すると、
式３（ａ〜ｃ）となる。ここで、δω0、δω+、δω-
は式４（ａ〜ｃ）である。今着目しているのは、列車の
トンネル突入によってできる圧縮波であるから、（ｕ＋
ｃ）で伝播する擾乱、δω+だけについて考えればよ
い。特性量ω+と、流管の断面積Ａを定常な成分（添字
S）と非定常な成分（添字u）に分離すると、式５（ａ）
（ｂ）となる。これを支配方程式に代入し、ｕ、ｃは変
動が小さいとして、突入速度、ならびに基準状態での音
速に固定し、Ａu≪ＡSとすると、式６となる。下線を施
した項は、元の支配方程式を満足するので相殺され、結
局、式７のようなωu +に関する式が残る。 【数３】 【数４】 【数５】 【数６】 【数７】 【００１０】トンネル内に形成される圧縮波は、トンネ
ル出口に向かう平面波なので、圧力と速度の変動の位相
は一致し、その関係は式８のように表すことができる。
したがって、特性量ω+の変動δω+は、δω+＝（２／
ρｃ）δｐとなり、これを式９に代入すると、式９とな
る。これは、列車トンネル突入時の圧力擾乱に関する支
配方程式である。この式８の左辺は、特性線ｘ＝（ｕ＋
ｃ）ｔ＋ｘ0に沿った圧力の変動を、右辺は、ｘ＝−Ｕt
ｔ＋ｐ0’に沿った流管の断面積の変動を表す。列車ま
わりの流管の断面積が、列車がトンネルに突入するとき
にどのように変化するかが分かれば、それに伴うトンネ
ル内の圧力上昇を知ることができる。 【数８】【数９】 【００１１】そこで今度は、列車トンネル突入時の流管
の変化をモデル化する。仮に流れ場を軸対称として図３
の様な列車５がトンネル６に突入する前の流れ場につい
て考える。列車５がトンネル６に突入することによって
変化する流管８の断面積は、図３のトンネル壁面６ａの
高さｒよりもはみ出た部分の断面積に等しい。はみ出た
部分の高さをｈとすると、流管８断面積の変動成分Ａu
は、式１０となる。ｈは流れ関数ψを用いて式１１のよ
うに定義できる。ｈは微小な量であるとすると、ψwall
は式１２のようになる。この式１２を両辺ｘで微分し
て、式１３とする。ψwallは定数であるから∂xψwall
＝０となり、また、∂x（ρｕ）｜y=rは微小であるので
無視することができ、式１３を変形して∂xｈについて
整理すると、式１４となる。 【数１０】 【数１１】 【数１２】 【数１３】 【数１４】 【００１２】ｈはその定義から時間に依存せず∂tｈ＝
０となるから、式１４を用いると式１５が導かれる。し
たがって、圧力の擾乱方程式は、式１６となる。式１６
から列車突入によって生じるトンネル内の圧縮波の波面
勾配は、一様流中におかれた列車５まわりの定常な流れ
場での仮想的に考えたトンネル壁面６ａに垂直な方向の
速度Ｖ｜y=r（以降、Ｖwallと呼ぶ）に比例することが
分かる。すなわち、圧縮波の最大波面勾配はＶwallの最
大値に比例し、かつ、最大波面勾配が形成される場所は
Ｖwallの最大値がトンネル入口に到達した時刻と一致す
ることになる。したがって、この結果から、ある列車形
状があったとき、その列車がトンネルに突入するときに
形成される圧縮波波面勾配は、列車がトンネル突入前の
流れ場での想定するトンネル高さにおけるトンネル壁面
に、垂直な方向の速度Ｖwallを調べればよいことがわか
る。 【数１５】 【数１６】 【００１３】次に、上記で説明した数学的モデルから得
られた結果による本発明の列車の車体形状設計法を図１
を参照しながら詳細に説明する。まず、トンネルに突入
する前の列車まわりの流れ場を調べるべく、図１に示す
ように、トンネルの無い空間内に設計の対象となる列車
１０（実験車両）を置き、固定する。そして、図１
（ａ）のように、この列車１０の前方からトンネルに突
入する速度と同じ速さの風１１を吹き付ける。次に、図
１（ｂ）に示すように、列車５の先頭部周辺での仮想ト
ンネル壁面１２の高さに相当する場所で、トンネル壁面
１２に垂直な速度成分Ｖwallを測定する。Ｖwallの最大
値は前述した数学的モデルの結果より、トンネル内の圧
縮波波面勾配の最大値と比例関係にあるので、図１
（ｃ）に示すように、Ｖwallの最大値を小さくするよう
に、列車１０の車体形状を変化させる。これによって、
トンネル内の圧縮波波面勾配の最大値を小さくし、トン
ネル出口の騒音等を低減する列車の形状を設計すること
ができる。 【００１４】このように、従来のように経験的に列車形
状を決めるのではなく、Ｖwallを指標として列車形状を
設計することができる。さらに、風洞実験装置内に列車
１０を固定して列車トンネル突入速度と同じ風を吹かせ
てＶwallを測定すればよいので、従来のように手間がか
かり特別な装置が必要となる列車をトンネルに打ち込む
実験を行わずに、容易に列車形状の設計ができる。この
ことは、数値シミュレーションによって列車形状を設計
する場合にも同様のことがいえる。列車がトンネルに突
入するときの流れ場を数値的にシミュレートする場合、
流れ場は非定常で、しかも物体境界の相対的な移動を伴
うため、そのためのアルゴリズムを開発する必要があ
り、計算時間も多く必要とする。しかし、ここで説明し
た方法によれば、列車トンネル突入速度に等しい速さの
風の中の列車まわりの流れ場を数値的にシミュレートす
れば圧縮波波面勾配を知ることができるので、シミュレ
ートすべき流れ場は定常で、かつ物体境界の相対的な移
動は無くなり、前述の問題点を克服することができる。 【００１５】次に、Ｖwallが実際に圧縮波波面勾配に比
例しているかどうかを実験結果と比較した結果を図４お
よび図５を参照して説明する。比較した実験結果は全て
Ｍａｅｄａら（Maeda,T., Matsumura,T., Iida,M., Nak
atani,K. and Uchida,K.:"Effect of Shape of Train N
ose on Compression Wave Generated by Train Enterin
g Tunnel.",STECH,1993）によるもので、実験は列車に
見立てた発射体をトンネルに見立てたダクトに突入させ
てトンネル内の圧力の時間履歴を測定し、圧縮波波面勾
配を計測するものである。また、Ｖwallは信頼性のある
プログラム（Ogawa,T. and Fujii,k.:"Effect of Shape
on a Compression Wave Generated by a Train Movein
g into a Tunnel.",平成五年度衝撃波シンポジウム,199
3）を用いた数値シミュレーションによって求めた。 【００１６】図４に示すように、発射体１３の先頭形状
を半楕円形とし、この部分を先頭部１３ａとする。この
先頭部１３ａの長さをａ、先頭部１３ａの高さをｂと
し、先頭部１３ａの高さに対する長さａ／ｂを様々に変
化させたときに、実験で計測された圧縮波波面勾配に相
当する量とＶwallによって予測される圧縮波波面勾配が
どれくらい一致するかを調べた。なお、ここではａ／ｂ
が２、３、５、７、１０の５種類の場合について比較し
た。図５に示すように、実験で得られたダクト内の圧縮
波波面勾配の最大値、および、数値計算で得られた一様
流中の発射体１３まわりの流れのＶwallの最大値を、ａ
／ｂ＝３の場合を１としてプロットした。この結果か
ら、実験値とＶwallによる予測値はほぼ一致しており、
Ｖwallを用いて圧縮波波面勾配を緩やかにするための列
車の車体形状設計法の妥当性が示された。 【００１７】 【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、あ
る車体形状に設定した実験車両に対してその前方からト
ンネルへの突入速度に相当する風速の実験風を吹き付け
て、該実験車両の周囲を通過する実験風の仮想トンネル
壁面に垂直な方向の速度成分を測定する風洞実験または
数値シミュレーションを、実験車両の車体形状を変化さ
せて繰り返し、前記速度成分の最大値を指標としてそれ
が可及的に小さくなるような車体形状を求めることによ
り、トンネル出口騒音を軽減するための列車形状を設計
することができる。そのため、特殊な実験装置を用いる
ことなく容易に列車形状の設計を行うことができる。す
なわち、列車に見立てた発射体とこの発射体を打ち込む
装置等は不要であり、この結果、設計に要する時間を短
縮でき、設計費用も大幅に削減することができる。 【００１８】また、数値シミュレーションによって列車
形状を設計する場合にも、列車トンネル突入速度に等し
い速さの風の中の列車まわりの流れ場を数値的にシミュ
レートすれば、実験の場合と同様にトンネル出口騒音軽
減のための列車形状を設計できる。したがって、シミュ
レートすべき流れ場は定常で、かつ物体境界の相対的な
移動は無くなり、一般的に用いられているプログラムで
流れ場をシミュレートすることができ、計算時間も大幅
に短縮できる。
速でトンネルに突入する列車によって生じるトンネル出
口の騒音を軽減するための列車の車体形状設計法に関す
る。 【０００２】 【従来の技術】近年、列車の高速化に伴い、走行時に生
じる騒音等の対策が列車設計の重要な課題となってい
る。特に、高速の列車がトンネルに突入する場合には、
次のような現象を生じ、騒音等の原因となることからそ
の低減を考慮した列車設計が必要とされている。図６に
示すように、列車１が高速でトンネル２に突入すると、
トンネル２内で列車１前面の空気が圧縮されて圧力が上
昇し、トンネル出口２ａに向かって伝播する圧縮波３が
形成される。この圧縮波３がトンネル出口２ａを通過す
ると、パルス状の圧力波となって周囲に広がっていく。
このパルス波は、「トンネル出口微気圧波」４と呼ば
れ、新幹線のトンネル出口において観測されており、場
合によってはトンネル出口周辺で低周波の騒音となった
り、家屋の窓枠が揺れたりすることが報告されている。 【０００３】トンネル出口微気圧波４の強さは列車突入
速度の３乗に比例するため（山本彬也：「トンネル出口
からの微気圧波」、日本物理学会春の分科会、１９７
７）、列車の高速化を図るにはトンネル出口微気圧波４
を弱めることが必要不可欠となっている。小沢（小沢
智：「トンネル出口微気圧波の研究」、鉄道技術研究報
告、Ｎｏ．１１２１、１９７９）によれば、トンネル出
口微気圧波４の強さはトンネル内の圧縮波３の波面勾配
に比例する。従って、トンネル出口微気圧波４を弱める
ためには列車１がトンネル２に突入したときに形成され
る圧縮波３の波面勾配を緩やかにすればよい。その方法
の一つとして、列車１の先頭形状を変化させることが考
えられるが、今まではどのように列車形状を設計すれば
圧縮波波面勾配が緩やかになるのかという明確な設計指
針はなく、経験的に列車の形状を決めざる得えなかっ
た。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】ところで、ある列車形
状がトンネルに突入したときの圧縮波波面勾配を測定す
るには、列車に見立てた発射体をトンネルに見立てたダ
クトに打ち込むという特殊な実験装置が必要であった。
そのため、列車の形状を検討するには少なからぬ費用と
時間がかかるという問題があった。また、列車形状をど
のようにすれば、圧縮波波面勾配を緩やかにできるか、
明確な指針が得られていなかった。本発明は、前述の課
題に鑑みてなされたもので、圧縮波波面勾配を測定する
のに特殊な実験装置を使用せず、容易に実験を行うこと
ができ、列車形状の設計に要する時間と費用を大幅に低
減することができるトンネル出口の騒音低減のための列
車の車体形状設計法を提供することを目的とする。 【０００５】 【課題を解決するための手段】本発明は、前記問題点を
解決するために、列車が高速でトンネルに突入する際に
トンネル出口側で生じる圧力波を低減させるための車体
形状を風洞実験、または、数値計算に基づいて決定する
設計法であって、ある車体形状に設定した実験車両に対
してその前方からトンネルへの突入速度に相当する風速
の実験風を吹き付けて、該実験車両の周囲を通過する実
験風の仮想トンネル壁面に垂直な方向の速度成分を測定
する風洞実験または数値シミュレーションを、実験車両
の車体形状を変化させて繰り返すことにより、前記速度
成分の最大値を指標としてそれが可及的に小さくなるよ
うな車体形状を求めることを特徴とする方法である。 【０００６】 【作用】本発明によれば、想定する列車の形状を有する
実験車両を所定の位置に固定し、該実験車両に対してそ
の前方から、想定する列車のトンネル突入速度に等しい
風を吹き付ける。そのとき、実験車両の先頭部周辺に仮
想トンネル壁面に相当する位置で、該トンネル壁面に対
し垂直な流れの速度成分の最大値を測定する。この速度
成分の最大値は、上記トンネル突入速度で列車がトンネ
ルに突入した場合のトンネル内の圧縮波波面勾配の最大
値に比例する。したがって、実験風の速度成分の最大値
が低下するように前記実験車両の形状を変化させて、ト
ンネル出口の騒音を低減する列車の形状を設計し、決定
する。換言すると、実験車両の車体形状を様々に変化さ
せて上記の風洞実験あるいは数値シミュレーションを繰
り返して、各車体形状での上記の速度成分の最大値をそ
れぞれ測定し、その測定値が可及的に小さくなるような
車体形状を求める。これにより、上記速度成分の最大値
を指標として最適な車体形状を決定することができる。
このため、列車に見立てた発射体を用いる特殊な実験装
置を使用せずとも容易に列車形状の設計が行える。ま
た、従来では経験的に決めていた列車形状を明確な指針
のもとに設計することができる。 【０００７】 【実施例】以下、本発明の列車設計法に利用する列車ト
ンネル突入時の圧力変動に関する数学的モデルを図２お
よび図３を参照しながら説明する。このモデルでは、列
車５がトンネル２を突入する流れ場を一次元的な流れ場
とみなす。列車５に固定した座標系で列車５のトンネル
６突入時の流れ場を観察すると、瞬間的な流線７は概念
的に図２（ａ）のように描くことができる。列車５の突
入速度をＵtとすると、一様流の速度がＵtとなり、トン
ネル６が速度Ｕtで列車５に向かってくることになる。
列車５がトンネル６から十分離れているときは、列車５
が存在することによって列車５周囲の流線７は押し上げ
られたような形になる。図２（ｂ）のように、そこへト
ンネル６が来ることによって列車５側方へ押し上げられ
ていた流線７はトンネル壁面６ａによって押し下げら
れ、その流管内の空気は圧縮されることになる。このよ
うな流管の圧縮がトンネル６内圧縮波形成の本質的メカ
ニズムであると考えられる。 【０００８】ある流管の一部を取り出し、これを検査領
域として考えると、式１のような断面積の時空間的な変
動を含む一次元圧縮性オイラー方程式が導かれる。ここ
で、 ρ：流体の密度 ｕ：流体の局所流速 ｅ：単位体積当りの全エネルギー ｐ：圧力 Ａ：流管の断面積 ｃ：音速 γ：比熱比 とする。 【数１】【数２】 【０００９】式１から特性量に関する式に変形すると、
式３（ａ〜ｃ）となる。ここで、δω0、δω+、δω-
は式４（ａ〜ｃ）である。今着目しているのは、列車の
トンネル突入によってできる圧縮波であるから、（ｕ＋
ｃ）で伝播する擾乱、δω+だけについて考えればよ
い。特性量ω+と、流管の断面積Ａを定常な成分（添字
S）と非定常な成分（添字u）に分離すると、式５（ａ）
（ｂ）となる。これを支配方程式に代入し、ｕ、ｃは変
動が小さいとして、突入速度、ならびに基準状態での音
速に固定し、Ａu≪ＡSとすると、式６となる。下線を施
した項は、元の支配方程式を満足するので相殺され、結
局、式７のようなωu +に関する式が残る。 【数３】 【数４】 【数５】 【数６】 【数７】 【００１０】トンネル内に形成される圧縮波は、トンネ
ル出口に向かう平面波なので、圧力と速度の変動の位相
は一致し、その関係は式８のように表すことができる。
したがって、特性量ω+の変動δω+は、δω+＝（２／
ρｃ）δｐとなり、これを式９に代入すると、式９とな
る。これは、列車トンネル突入時の圧力擾乱に関する支
配方程式である。この式８の左辺は、特性線ｘ＝（ｕ＋
ｃ）ｔ＋ｘ0に沿った圧力の変動を、右辺は、ｘ＝−Ｕt
ｔ＋ｐ0’に沿った流管の断面積の変動を表す。列車ま
わりの流管の断面積が、列車がトンネルに突入するとき
にどのように変化するかが分かれば、それに伴うトンネ
ル内の圧力上昇を知ることができる。 【数８】【数９】 【００１１】そこで今度は、列車トンネル突入時の流管
の変化をモデル化する。仮に流れ場を軸対称として図３
の様な列車５がトンネル６に突入する前の流れ場につい
て考える。列車５がトンネル６に突入することによって
変化する流管８の断面積は、図３のトンネル壁面６ａの
高さｒよりもはみ出た部分の断面積に等しい。はみ出た
部分の高さをｈとすると、流管８断面積の変動成分Ａu
は、式１０となる。ｈは流れ関数ψを用いて式１１のよ
うに定義できる。ｈは微小な量であるとすると、ψwall
は式１２のようになる。この式１２を両辺ｘで微分し
て、式１３とする。ψwallは定数であるから∂xψwall
＝０となり、また、∂x（ρｕ）｜y=rは微小であるので
無視することができ、式１３を変形して∂xｈについて
整理すると、式１４となる。 【数１０】 【数１１】 【数１２】 【数１３】 【数１４】 【００１２】ｈはその定義から時間に依存せず∂tｈ＝
０となるから、式１４を用いると式１５が導かれる。し
たがって、圧力の擾乱方程式は、式１６となる。式１６
から列車突入によって生じるトンネル内の圧縮波の波面
勾配は、一様流中におかれた列車５まわりの定常な流れ
場での仮想的に考えたトンネル壁面６ａに垂直な方向の
速度Ｖ｜y=r（以降、Ｖwallと呼ぶ）に比例することが
分かる。すなわち、圧縮波の最大波面勾配はＶwallの最
大値に比例し、かつ、最大波面勾配が形成される場所は
Ｖwallの最大値がトンネル入口に到達した時刻と一致す
ることになる。したがって、この結果から、ある列車形
状があったとき、その列車がトンネルに突入するときに
形成される圧縮波波面勾配は、列車がトンネル突入前の
流れ場での想定するトンネル高さにおけるトンネル壁面
に、垂直な方向の速度Ｖwallを調べればよいことがわか
る。 【数１５】 【数１６】 【００１３】次に、上記で説明した数学的モデルから得
られた結果による本発明の列車の車体形状設計法を図１
を参照しながら詳細に説明する。まず、トンネルに突入
する前の列車まわりの流れ場を調べるべく、図１に示す
ように、トンネルの無い空間内に設計の対象となる列車
１０（実験車両）を置き、固定する。そして、図１
（ａ）のように、この列車１０の前方からトンネルに突
入する速度と同じ速さの風１１を吹き付ける。次に、図
１（ｂ）に示すように、列車５の先頭部周辺での仮想ト
ンネル壁面１２の高さに相当する場所で、トンネル壁面
１２に垂直な速度成分Ｖwallを測定する。Ｖwallの最大
値は前述した数学的モデルの結果より、トンネル内の圧
縮波波面勾配の最大値と比例関係にあるので、図１
（ｃ）に示すように、Ｖwallの最大値を小さくするよう
に、列車１０の車体形状を変化させる。これによって、
トンネル内の圧縮波波面勾配の最大値を小さくし、トン
ネル出口の騒音等を低減する列車の形状を設計すること
ができる。 【００１４】このように、従来のように経験的に列車形
状を決めるのではなく、Ｖwallを指標として列車形状を
設計することができる。さらに、風洞実験装置内に列車
１０を固定して列車トンネル突入速度と同じ風を吹かせ
てＶwallを測定すればよいので、従来のように手間がか
かり特別な装置が必要となる列車をトンネルに打ち込む
実験を行わずに、容易に列車形状の設計ができる。この
ことは、数値シミュレーションによって列車形状を設計
する場合にも同様のことがいえる。列車がトンネルに突
入するときの流れ場を数値的にシミュレートする場合、
流れ場は非定常で、しかも物体境界の相対的な移動を伴
うため、そのためのアルゴリズムを開発する必要があ
り、計算時間も多く必要とする。しかし、ここで説明し
た方法によれば、列車トンネル突入速度に等しい速さの
風の中の列車まわりの流れ場を数値的にシミュレートす
れば圧縮波波面勾配を知ることができるので、シミュレ
ートすべき流れ場は定常で、かつ物体境界の相対的な移
動は無くなり、前述の問題点を克服することができる。 【００１５】次に、Ｖwallが実際に圧縮波波面勾配に比
例しているかどうかを実験結果と比較した結果を図４お
よび図５を参照して説明する。比較した実験結果は全て
Ｍａｅｄａら（Maeda,T., Matsumura,T., Iida,M., Nak
atani,K. and Uchida,K.:"Effect of Shape of Train N
ose on Compression Wave Generated by Train Enterin
g Tunnel.",STECH,1993）によるもので、実験は列車に
見立てた発射体をトンネルに見立てたダクトに突入させ
てトンネル内の圧力の時間履歴を測定し、圧縮波波面勾
配を計測するものである。また、Ｖwallは信頼性のある
プログラム（Ogawa,T. and Fujii,k.:"Effect of Shape
on a Compression Wave Generated by a Train Movein
g into a Tunnel.",平成五年度衝撃波シンポジウム,199
3）を用いた数値シミュレーションによって求めた。 【００１６】図４に示すように、発射体１３の先頭形状
を半楕円形とし、この部分を先頭部１３ａとする。この
先頭部１３ａの長さをａ、先頭部１３ａの高さをｂと
し、先頭部１３ａの高さに対する長さａ／ｂを様々に変
化させたときに、実験で計測された圧縮波波面勾配に相
当する量とＶwallによって予測される圧縮波波面勾配が
どれくらい一致するかを調べた。なお、ここではａ／ｂ
が２、３、５、７、１０の５種類の場合について比較し
た。図５に示すように、実験で得られたダクト内の圧縮
波波面勾配の最大値、および、数値計算で得られた一様
流中の発射体１３まわりの流れのＶwallの最大値を、ａ
／ｂ＝３の場合を１としてプロットした。この結果か
ら、実験値とＶwallによる予測値はほぼ一致しており、
Ｖwallを用いて圧縮波波面勾配を緩やかにするための列
車の車体形状設計法の妥当性が示された。 【００１７】 【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、あ
る車体形状に設定した実験車両に対してその前方からト
ンネルへの突入速度に相当する風速の実験風を吹き付け
て、該実験車両の周囲を通過する実験風の仮想トンネル
壁面に垂直な方向の速度成分を測定する風洞実験または
数値シミュレーションを、実験車両の車体形状を変化さ
せて繰り返し、前記速度成分の最大値を指標としてそれ
が可及的に小さくなるような車体形状を求めることによ
り、トンネル出口騒音を軽減するための列車形状を設計
することができる。そのため、特殊な実験装置を用いる
ことなく容易に列車形状の設計を行うことができる。す
なわち、列車に見立てた発射体とこの発射体を打ち込む
装置等は不要であり、この結果、設計に要する時間を短
縮でき、設計費用も大幅に削減することができる。 【００１８】また、数値シミュレーションによって列車
形状を設計する場合にも、列車トンネル突入速度に等し
い速さの風の中の列車まわりの流れ場を数値的にシミュ
レートすれば、実験の場合と同様にトンネル出口騒音軽
減のための列車形状を設計できる。したがって、シミュ
レートすべき流れ場は定常で、かつ物体境界の相対的な
移動は無くなり、一般的に用いられているプログラムで
流れ場をシミュレートすることができ、計算時間も大幅
に短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の列車の車体形状設計法の一実施例を説
明するための概略図である。 【図２】列車トンネル突入時の圧力変動に関する数学的
モデルを説明する概念図である。 【図３】列車トンネル突入による流管の変化のモデル化
について説明するための概念図である。 【図４】実験に用いた発射体先頭部の形状を説明するた
めの概略図である。 【図５】列車先頭部の長さを変化させたときの圧縮波波
面勾配の実験値と、Ｖwallを用いた予測値を比較したグ
ラフ図である。 【図６】高速の列車によるトンネル出口微気圧波の発生
過程を示す説明図である。 【符号の説明】 １０ 列車（実験車両） １１ 風 １２ 仮想トンネル壁面
明するための概略図である。 【図２】列車トンネル突入時の圧力変動に関する数学的
モデルを説明する概念図である。 【図３】列車トンネル突入による流管の変化のモデル化
について説明するための概念図である。 【図４】実験に用いた発射体先頭部の形状を説明するた
めの概略図である。 【図５】列車先頭部の長さを変化させたときの圧縮波波
面勾配の実験値と、Ｖwallを用いた予測値を比較したグ
ラフ図である。 【図６】高速の列車によるトンネル出口微気圧波の発生
過程を示す説明図である。 【符号の説明】 １０ 列車（実験車両） １１ 風 １２ 仮想トンネル壁面
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平６−64535（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−124511（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−103463（ＪＰ，Ａ)
特公 昭55−31274（ＪＰ，Ｂ１)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
B61D 17/00
B61D 17/02
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 列車が高速でトンネルに突入する際にト
ンネル出口側で生じる圧力波を低減させるための車体形
状を風洞実験、または、数値計算に基づいて決定する設
計法であって、ある車体形状に設定した実験車両に対してその前方から
トンネルへの突入速度に相当する風速の実験風を吹き付
けて、該実験車両の周囲を通過する実験風の仮想トンネ
ル壁面に垂直な方向の速度成分を測定する風洞実験また
は数値シミュレーションを、実験車両の車体形状を変化
させて繰り返すことにより、前記速度成分の最大値を指
標としてそれが可及的に小さくなるような車体形状を求
める ことを特徴とする列車の車体形状設計法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23819294A JP3486632B2 (ja) | 1994-09-30 | 1994-09-30 | 列車の車体形状設計法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23819294A JP3486632B2 (ja) | 1994-09-30 | 1994-09-30 | 列車の車体形状設計法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0899633A JPH0899633A (ja) | 1996-04-16 |
| JP3486632B2 true JP3486632B2 (ja) | 2004-01-13 |
Family
ID=17026532
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23819294A Expired - Lifetime JP3486632B2 (ja) | 1994-09-30 | 1994-09-30 | 列車の車体形状設計法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3486632B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108263400A (zh) * | 2018-01-08 | 2018-07-10 | 北京佳讯飞鸿电气股份有限公司 | 高铁列车运行速度控制方法、装置、存储介质及高铁列车 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6148989B2 (ja) * | 2014-01-22 | 2017-06-14 | 公益財団法人鉄道総合技術研究所 | 圧縮波発生方法、圧縮波発生装置ならびにこれを用いた熱線流速計の校正方法 |
-
1994
- 1994-09-30 JP JP23819294A patent/JP3486632B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108263400A (zh) * | 2018-01-08 | 2018-07-10 | 北京佳讯飞鸿电气股份有限公司 | 高铁列车运行速度控制方法、装置、存储介质及高铁列车 |
| CN108263400B (zh) * | 2018-01-08 | 2019-11-15 | 北京佳讯飞鸿电气股份有限公司 | 高铁列车运行速度控制方法、装置、存储介质及高铁列车 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0899633A (ja) | 1996-04-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Oldham et al. | A pressure-based technique for predicting regenerated noise levels in ventilation systems | |
| Kim et al. | Study of the discharge of weak shocks from an open end of a duct | |
| Yoon et al. | Prediction and validation on the sonic boom by a high-speed train entering a tunnel | |
| Rivero et al. | A methodology for the prediction of the sonic boom in tunnels of high-speed trains | |
| Yamashita et al. | Unsteady aerodynamic response of a vehicle by natural wind generator of a full-scale wind tunnel | |
| Heine et al. | Influence of the shape and size of cavities on pressure waves inside high-speed railway tunnels | |
| Handa et al. | Mechanism of shock wave oscillation in transonic diffusers | |
| Chen et al. | Characteristics of transient pressure in lining cracks induced by high-speed trains | |
| JP3486632B2 (ja) | 列車の車体形状設計法 | |
| Papaxanthos et al. | Prediction of air flow noise in ducts due to the presence of fixed obstacles | |
| JP3739642B2 (ja) | トンネル圧力波の模型実験方法 | |
| Sbardella et al. | A time-domain method for the prediction of sound attenuation in lined ducts | |
| Coller et al. | Reduced-basis model for active separation control in a planar diffuser flow | |
| JP3970263B2 (ja) | 空力音源探査システム及び空力音源探査方法 | |
| Kühnelt | Simulating the mechanism of sound generation in flutes using the lattice Boltzmann method | |
| Taylor et al. | Numerical investigation of the coupled interaction between an unsteady aerodynamic flow field and a water film coating on a circular cylinder | |
| Gaylard | The application of computational fluid dynamics to railway aerodynamics | |
| Flynn et al. | Verification and validation studies of the time-averaged velocity field in the very near-wake of a finite elliptical cylinder | |
| Iyer et al. | Effect of air chambers on the compression wave propagating along a high-speed railway tunnel | |
| Fabris et al. | Experimental measurements of cavity and shear layer response to unsteady bleed forcing | |
| Anthoine | Alleviation of pressure rise from a high-speed train entering a tunnel | |
| Sakurai | Relation between exhaust pulsating flow and radiation noise: Development of exhaust radiation noise simulation technology | |
| Viana | Numerical Calculation of a Pressure Wave Propagating in a High Speed Train Tunnel | |
| JPH09228786A (ja) | トンネル用緩衝工のシミュレーション方法およびトンネル内の圧力波の伝搬予測方法 | |
| CN118052168B (zh) | 一种高速列车通过噪声的计算方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20030729 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121031 Year of fee payment: 9 |
|
| S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121031 Year of fee payment: 9 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131031 Year of fee payment: 10 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |