隧稳工作室研究团队在JCR一区的寒区工程领域著名期刊《Cold Regions Science and Technology》上发表了列车风对寒区隧道热环境影响方面的最新研究成果“Research on the influence of train-induced wind on the temperature field of high-speed railway tunnel in cold region in different temperature modes”。
Xu W P, Qin J H, SUN KG, et al. Research on the influence of train-induced wind on the temperature field of high-speed railway tunnel in cold region in different temperature modes[J]. Cold Regions Science and Technology, 2025: 104775.
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2025.104775
导读
随着铁路网络的快速拓展及高速列车运行速度的提升，列车风对隧道温度场的作用效应日益凸显。基于隧道特征温度（TC）与隧道外部温度（TE），可划分出四种基本的内外温度组合模式，即-NN（TC与TE均为负温）、T-PP（TC与TE均为正温）、T-NP（TC为负温、TE为正温）和T-PN（TC为正温、TE为负温），并可进一步细分为T-NN1（TC、TE均为负温，TC＞TE）、T-NN2（TC、TE均为负温，TC＜TE）、T-PP1（TC、TE均为正温，TC＞TE）、T-PP2（TC、TE均为正温，TC＜TE）以及T-NP和T-PN。采用FLUENT数值模拟软件，系统分析了不同温度模式下列车风对隧道气温场分布规律的影响，同时探究了列车速度与阻塞比对隧道气温场的作用机制。研究结果表明：实测数据中各温度模式的出现概率排序为T-NN1（87.01%）＞T-NN2（7.28%）＞T-PN（4.47%）＞T-PP1（0.64%）＞T-PP2（0.51%）＞T-NP（0.09%）。在T-NP、T-PP2及T-NN2模式下，列车风可提升隧道进口段空气温度，进而增强隧道的抗寒能力；而在T-PN、T-NN1及T-PP1模式下，列车风则会削弱隧道的抗寒能力。据此，在高速铁路隧道洞口选址过程中，建议优先选取太阳辐射强度较高的区域，通过提升T-PP2、T-NP及T-NN2模式的出现概率，优化隧道温度环境，保障隧道运营安全性与稳定性。
图1 数值模型示意图
主要结论
(1)隧道外部温度（TE）呈现动态热行为，冬季偶现正值。隧道内部温度因热惯性滞后于TE的变化，从而根据隧道特征温度（TC）与TE的关系，划分出四种热模式（T-NN、T-PP、T-NP、T-PN）。实测数据显示，各模式出现概率排序为：T-NN1（87.01%）> T-NN2（7.28%）> T-PN（4.47%）> T-PP1（0.64%）> T-PP2（0.51%）> T-NP（0.09%）。
(2)对隧道入口段而言，T-PP1、T-PN和T-NN1为不利温度模式，而T-PP2、T-NP和T-NN2则为有利温度模式。列车风能降低冻害风险或提升抗寒能力。在距入口50米处，T-PP2模式下温度在100秒内从3.43℃升至5.11℃，升幅达48.98%；T-NP模式下温度显著从-0.90℃升至2.50℃（ΔT=3.40℃），实现由负转正；T-NN2模式下温度从-7.65℃缓升至-7.09℃，升温率为7.32%，亦有助于缓解冻结问题。因此建议高速铁路隧道洞口选址宜优先考虑太阳辐射较强区域，以提高有利温度模式占比，减少隧道冻害。
(3)在隧道中段，列车风将入口冷空气输送至该区域，导致普遍性降温。这在T-NN1、T-NN2和T-PN模式中尤为关键，可能形成或扩大负温区，需加强防冻措施。相反，出口段因来自中部较暖空气的流入普遍升温，抗寒能力得以提升。然而在T-NP、T-NN1和T-NN2模式下，初始负温仍对结构构成冻融风险。
(4)温度模式对隧道温度场的影响与列车速度及阻塞比相关。在T-NN和T-PN模式下，较高列车速度与较大阻塞比会导致负温区长度变大，不利于隧道防冻。而在T-PP和T-NP模式下，列车速度提升与阻塞比增大会缩短负温区长度，有助于缓解冻害。
图2 TC和TE对比图
图3 温度模式占比图
作者介绍
许炜萍（第一作者）
许炜萍，1981年出生，哲学博士，副教授、硕士生导师。先后在山东大学、美国密西西比大学获得硕士和博士学位。主持国家自然科学基金项目2项，作为主要研究人员参与研究或完成国家自然科学基金重点项目、铁道部科技计划项目、国家重点研发项目等近10项。在国内外期刊及国际会议上发表论文近30篇，授权发明专利17项，出版专著1部。参与编写《地下空间利用》和《山岭隧道》两本教材。
秦晋行（第二作者）
秦晋行，西南交通大学土木工程学院2024级博士研究生，主要研究方向是寒区地下工程冻害防控与环境控制，已在《Thermal Science and Engineering Progress》、《Cold Regions Science and Technology》等国际期刊发表多篇学术论文。
