JP5284149B2 - 三次元効果を考慮した微気圧波低減のための列車先頭部の形成方法 - Google Patents

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Description

本発明は、鉄道のトンネル坑口で発生するトンネル微気圧波の低減効果を持つ三次元効果を考慮した列車先頭部の形成方法に関するものである。
従来、Ｈｏｗｅの音響理論を適用した高速列車のトンネル圧縮波予測方法が提案されている（下記非特許文献１参照）。Ｈｏｗｅの音響理論によると、点音源分布によって表現された列車先頭部におけるトンネル圧縮波の圧力勾配最大値は、トンネル坑口からの噴流（ポテンシャル流れ）の大きさに依存する。
また、これに類似した最適化手法による高速鉄道車両のトンネル微気圧波低減が提案されている（下記非特許文献２及び特許文献１参照）。
これらによれば、トンネル微気圧波を低減するためには、高速列車先頭部の形状の最適化が有効であり、トンネル圧縮波の圧力勾配最大値を低減するために、高速列車先頭部の形状の最適化が行われてきた。
特開２００７−１３７２９６号公報
Ｐｒｏｃ．Ｒ．Ｓｏｃ．Ｌｏｎｄ．Ａ（１９９８）４５４，ｐｐ．１５２３−１５３４ 〔Ｎｏ．０７−５１〕日本機械学会 第１６回 交通・物流部門大会講演論文集〔２００７−１２．１２〜１４．川崎〕，ｐｐ．８１−８４
しかしながら、従来の高速列車先頭部の形状の最適化においては、高速列車先頭部の断面積分布のみを考えていることが多く、実際の三次元的な形状の効果を左右対称の制約条件なしに最適化させた例の報告は少ない。つまり、従来の高速鉄道車両のトンネル微気圧波の低減の提案は、通常は左右対称な形状の高速列車先頭部を仮定したものである。しかし、例えば日本の新幹線では、列車は進行方向左側へ偏心して走行するため、列車のトンネル突入現象はそもそも左右非対称な問題である。
本発明は、上記状況に鑑みて、三次元的な効果を含めて考えた場合、同じ断面積分布でも、各断面の面積重心がトンネル坑口中心側へ偏るような断面形状をもつ列車先頭部の方が、微気圧波低減効果が大きくなるという予測（解析結果）に基づき、高速列車先頭部の断面積をトンネル坑口中心付近に集中させ、トンネル微気圧波をより低減する列車先頭部の形成方法を提供することを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕三次元効果を考慮した微気圧波低減のための列車先頭部の形成方法において、複数線路（７，８）を有するトンネル（１１）を走行する高速列車の先頭部（２）のトンネル中心に近い側面部（５）を平面形状に、かつ高速列車の先頭部（２）のトンネル壁に近い側面部（６）を曲面部（４）とした高速列車の先頭部（２）を左右非対称となる構造にし、前記高速列車の先頭部（２）の断面積を前記トンネル坑口（１２）中心（Ｏ）付近に集中させ、トンネル微気圧波をより低減する列車の先頭部（２）を形成することを特徴とする。
軸対称列車の場合には、高速列車の断面積中心がトンネル断面の中心を通る場合に圧力勾配最大値が最小になることが、理論・計算・実験などから多数報告されている。よって、本発明によれば、圧力勾配最大値を低減することができ、トンネル微気圧波をより低減することことができる。
本発明の形成例を示す高速列車先頭部の上面とトンネルの関係を示す展開図である。 本発明の形成例を示す高速列車先頭部の斜視図である。 本発明の形成例を示す高速列車先頭部の進行方向右側面図である。 本発明の形成例を示す高速列車先頭部の進行方向左側面図である。
Ｈｏｗｅの音響理論によると、点音源分布によって表現された列車先頭部によるトンネル圧縮波の圧力勾配最大値は、トンネル坑口からの噴き出し流れ（ポテンシャル流れ）の大きさに依存する。つまり、噴き出し流れの最大値が小さいほうが圧力勾配最大値は小さくなる（微気圧波は小さくなる）。本発明では、トンネル坑口からの噴き出し流れ（ポテンシャル流れ）は、トンネル坑口中心で最小になることに着目し、高速列車先頭部の各断面の面積重心がトンネル坑口中心側へ偏るようにさせることにより、より微気圧波低減効果の大きい列車先頭部を形成する。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
日本の場合、高速列車（新幹線：登録商標）は進行方向左側偏心走行であるから、高速列車の先端部形状を左右非対称にし、さらに、各断面の面積重心が進行方向右下側に偏った先頭部形状とすることで、より微気圧波低減効果の大きい高速列車を形成することができる。
図１は本発明の形成例を示す高速列車先頭部の上面とトンネルの関係を示す図、図２はその高速列車先頭部の斜視図、図３はその高速列車先頭部の進行方向右側面図、図４はその高速列車先頭部の進行方向左側面図である。
これらの図において、１は左右非対称な先頭部を有する高速列車、２はその高速列車１の先頭部、３はその先頭部２の各断面の面積重心がトンネル中心に近い側に偏った先端部形状、４はトンネル断面中心Ｏから遠い部分が削られた高速列車１の先頭部２の曲面部、５は高速列車１の進行方向右側面部、６は高速列車１の進行方向左側面部、７，８は複数の線路、９は地面、１１はトンネル、１２はトンネル坑口、Ｏはトンネル坑口中心である。
この高速列車１の先頭部２は、所与の先頭部２の断面積分布を満たすために、偏心走行位置に高速列車左右中心を合わせたとき、トンネル断面中心Ｏから遠い部分の断面積を削って得られる曲面部４を有する。
このように、高速列車１の先頭部２の断面積重心を複数の線路７，８を有するトンネル坑口１２の中心Ｏ付近に偏在させることにより、より微気圧波低減効果の大きい列車先頭部を形成することができる。
また、左右対称列車先頭部でも、断面積中心をトンネル坑口中心に近づける方がよいことは言うまでもない。すなわち、水平方向の偏心量が等しい時、縦長な断面形状より横長なものの方が低減効果は大きい。
なお、三次元的に最適化された高速列車の先端部の断面形状は、上記した実施例に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
また、高速列車の先端部の各断面の形状と断面積分布を同時に最適化するようにしてもよい。
本発明の三次元効果を考慮した微気圧波低減のための列車先頭部の形成方法は、新幹線やリニアモータカーなどの高速列車のトンネル突入時における微気圧波低減効果の大きい列車先頭部の形成に利用することができる。
１ 左右非対称な先頭部を有する高速列車
２ 高速列車の先頭部
３ 先端部
４ 先頭部の曲面部
５ 高速列車の進行方向右側面部
６ 高速列車の進行方向左側面部
７，８ 複数の線路
９ 地面
１１ トンネル
１２ トンネル坑口
Ｏ トンネル坑口中心

Claims (1)

  1. 複数線路（７，８）を有するトンネル（１１）を走行する高速列車の先頭部（２）のトンネル中心に近い側面部（５）を平面形状に、かつ高速列車の先頭部（２）のトンネル壁に近い側面部（６）を曲面部（４）とした高速列車の先頭部（２）を左右非対称となる構造にし、前記高速列車の先頭部（２）の断面積を前記トンネル坑口（１２）中心（Ｏ）付近に集中させ、トンネル微気圧波をより低減する列車の先頭部（２）を形成することを特徴とする三次元効果を考慮した微気圧波低減のための列車先頭部の形成方法。
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