列车高速过隧道人耳气压伤损伤机理及风险研究

Transient pressure is generated while high-speed trains passing through tunnels, it caused different degrees of otic barotraumas and seriously affected passengers' comfort level. In this program, moving model test, simulated pressure chamber test, numerical simulation, pathologic analysis and theoretical analysis are adopted to study the injury mechanisms and risk of otic barotraumas while trains passing through tunnels at high speed. In order to obtain the change rule of transient pressure in train compartment, mathematical model is built to describe the transformation process of it from tunnel to inner part while trains passing through tunnels at high speed. Then, study the pathological characterization of otic barotraumas; investigate the characteristic index of pressure surge relevant to otic barotraumas from the point of physiological terms; develop detailed human ear model and reconstruct otic barotraumas injury; study the injury mechanisms of otic barotraumas and analysis the causations of the injury. Finally, otic barotraumas injury risk model in case of tunnel transient pressure is built based on pathological characterization and injury mechanisms. The study will provide effective data for the design of tunnel and train and help to determine the maximum speed while train passing through tunnel.

列车高速通过隧道时所产生的瞬变气压会造成不同程度的耳气压伤，严重影响了乘客舒适性。本项目采用动模型试验、压力仓模拟试验、数值模拟、病理分析和理论分析相结合的方法进行列车高速过隧道人耳气压伤损伤机理及风险研究。构建列车高速穿越隧道时隧道瞬变压力向车内传递的数学模型，获取列车车厢内瞬变气压变化规律；研究车厢内瞬变气压下耳气压伤病理表征，从生理学角度研究与耳气压伤相关联的压力波动特征指标；建立人耳精细模型并进行耳气压伤损伤重建，研究列车高速过隧道时瞬变气压下的耳气压伤损伤机理，分析导致耳气压伤的主要原因；基于耳气压伤病理表征和损伤机理，建立隧道瞬变气压下的耳气压伤损伤风险模型，为我国高速铁路隧道、列车设计和确定列车在隧道内最高通过速度提供参考数据。

列车高速通过隧道时将引起人耳不同程度的不舒适感，且随着列车运营速度的提高气压不舒适度不断加剧。我国高速铁路总里程与隧道里程均居世界首位，隧道长度与线路长度比值较大，因此亟待开展耳气压舒适性及气压伤的研究。本项目以某动车组高速通过隧道时车厢内产生的交变压力为研究内容，从生物力学、病理学角度揭示人耳不舒适性的产生机理、损伤机理，对车内压力环境品质进行了预测与评估。开展了动车组模型在不同速度等级下通过不同长度和横截面积的隧道时隧道内压力波动特性的试验研究，通过实车试验获取了动车组在不同隧道运行工况下的不同车厢内的交变压力；采集了健康成年志愿者头部颞骨的CT和MRI断层数据，构建了完整的人耳生物力学有限元模型并对其进行了验证；基于颞骨CT数据重建了鼓膜有限元模型，采用遗传算法得到了鼓膜的粘弹性材料参数；研建了一套可用于模拟特定交变压力工况和动车组车内压力变化的交变压力实验装置，利用该装置完成了豚鼠在外界正压和负压环境下的耳气压舒适性实验研究，记录了豚鼠在实验过程中的生理反应；依据观察得到的豚鼠生理反应和解剖病理分析，将豚鼠耳舒适性划分为理想、良好、较差、恶劣和不可忍受共5个等级；结合动物实验结果和人耳生物力学模型构建了鼓膜和听骨链的动力学响应模型，提出了用于气压舒适性的评价方法和评价指标，揭示了交变气压对人耳舒适性的作用机理。同时，利用所建立的人耳生物力学有限元模型，可实现对车内交变气压品质和噪声舒适性的评估和预测研究。本项目累计发表论文9篇，审稿2篇，国际会议论文2篇；申请国家发明专利2项，处于实质审查中；培养博士研究生3名，已毕业2名，硕士研究生2名，已毕业1名。