Fährt ein Hochgeschwindigkeitszug in einen Tunnel ein, schiebt er die Luft vor sich her und erzeugt eine Verdichtungswelle. Diese Welle läuft mit nahezu Schallgeschwindigkeit durch den Tunnel, wird am anderen Ende reflektiert und pendelt darin hin und her.
Sie verursacht zwei verschiedene Probleme.
1. Der Tunnelknall
Erreicht die Verdichtungswelle das andere Tunnelende, kommt es zu einer plötzlichen Druckentlastung, und draußen ist ein knallartiges Geräusch zu hören. Bei Tunneln nahe Wohngebieten ist das ein projektbegrenzender Faktor.
Entscheidend ist, wie stark die Wellenfront aufsteilt: In langen Tunneln schärfen nichtlineare Effekte die Front, und das Geräusch nimmt zu. Die Gegenmaßnahme ist eine Portalhaube am Tunneleingang mit allmählicher Querschnittsänderung — sie verlängert die Anstiegszeit der Welle und senkt die Spitzenamplitude.
2. Der Fahrgastkomfort
Die im Tunnel hin- und herlaufenden Wellen erzeugen im Fahrzeug Druckschwankungen. Die Schwellen für Ohrenbeschwerden sind über die Geschwindigkeit der Druckänderung definiert — nicht über den Absolutwert, sondern über die Änderung je Sekunde. Die Dichtheit des Wagenkastens bestimmt, wie viel von der Schwankung nach innen gelangt.
Begegnen sich zwei Züge im Tunnel, überlagern sich die Wellen und es entsteht der ungünstigste Fall.
Modellierung
Kompressibel und instationär. Das Phänomen ist definitionsgemäß die Ausbreitung einer akustischen Welle; ein inkompressibles Modell kann es überhaupt nicht erzeugen. Siehe die Notiz zur kompressiblen Strömung.
Ein bewegter Zug. Entweder wird der Zug bewegt (Overset-Netz) oder das Bezugssystem an ihn gebunden. Siehe die Notiz zu bewegten Rändern.
Netzauflösung längs des Tunnels. Es braucht genügend Zellen längs der Achse, um das Aufsteilen der Wellenfront zu erfassen; ein grobes Netz glättet die Welle numerisch und unterschätzt das Geräusch. Siehe die Notiz zum Diskretisierungsverfahren.
Tunnellänge und Versperrungsgrad sind die bestimmenden Parameter; die Wellenamplitude steigt rasch, je größer das Flächenverhältnis von Zug zu Tunnel wird.
Referenzen
- Ferziger, J. H., Perić, M. & Street, R. L. (2020). Computational Methods for Fluid Dynamics, 4th ed. Springer. DOI: 10.1007/978-3-319-99693-6
- Fay, J. A. & Riddell, F. R. (1958). Theory of stagnation point heat transfer in dissociated air. Journal of the Aerospace Sciences, 25(2), 73–85. DOI: 10.2514/8.7517