(57)【要約】【課題】微気圧波の低減効果をより一層向上させることができる移動体の先頭部構造を提供する。【解決手段】先頭部構造６は、車両２がトンネル内に突入するときに発生する微気圧波を低減可能な微気圧波低減性能を有する構造である。先頭部構造６は、複数の断面積変化率のピークを持つことを仮定して先頭部形状Ｓが最適化されている。（Ａ）に示す先頭部形状Ｓは、所定の個数（例えば、10個）の誤差関数の組み合わせによって断面積変化率ｄＡ/ｄＸを表現し、断面積変化率ｄＡ/ｄＸのピークＰ1〜Ｐ3の大きさ、位置及び広がりを最適パラメータとして最適化されている。先頭部形状Ｓは、車両２の先頭部５Ａの断面積変化率分布ｄＡ*/ｄＸに少なくとも３つのピークＰ1〜Ｐ3がある。  先頭部形状Ｓは、（Ａ）に示すように、先頭部先端５ａ、先頭部中間５ｂ及び先頭部後端５ｃに断面積変化率分布ｄＡ*/ｄＸのピークＰ1〜Ｐ3がある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体がトンネル内に突入するときに発生する微気圧波を低減可能な微気圧波低減性能を有する移動体の先頭部構造であって、
前記移動体の先頭部形状は、この移動体の先頭部の断面積変化率分布に少なくとも３つのピークがあること、
を特徴とする移動体の先頭部構造。
【請求項２】
請求項１に記載の移動体の先頭部構造において、
前記移動体の先頭部形状は、この移動体の先頭部の先端部、中間部及び後端部に前記断面積変化率分布のピークがあること、
を特徴とする移動体の先頭部構造。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の移動体の先頭部構造において、
前記移動体の先頭部形状は、この移動体の先頭部の後端部における前記断面積変化率分布がゼロであること、
を特徴とする移動体の先頭部構造。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の移動体の先頭部構造において、
前記移動体の先頭部形状は、この移動体の先頭部の長さが20m未満であるときには、この移動体の先頭部の断面積変化率分布に３つのピークがあること、
を特徴とする移動体の先頭部構造。
【請求項５】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の移動体の先頭部構造において、
前記移動体の先頭部形状は、この移動体の先頭部の長さが20m以上であるときには、この移動体の先頭部の断面積変化率分布に４つ以上のピークがあること、
を特徴とする移動体の先頭部構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、移動体がトンネル内に突入するときに発生する微気圧波を低減可能な微気圧波低減性能を有する移動体の先頭部構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
列車が高速でトンネル内に突入するとトンネル内に圧縮波が生じる。この圧縮波は音速でトンネル内を伝搬し、出口で開口端反射する。この反射の際にトンネル外に放射されるパルス状の圧力波のことをトンネル微気圧波あるいは単に微気圧波と呼ぶ。微気圧波は、発破音や家屋の振動・ガタツキに騒音などの原因となるため対策を講じる必要がある。微気圧波は、トンネル出口に到着した圧縮波の圧力勾配（圧縮波の時間変化率）の最大値にほぼ比例するため、圧縮波の形成時間を長くして圧力勾配をなだらかにする対策が有効となる。実際の新幹線（登録商標）では列車先頭部の延伸・最適化や緩衝工の設置・延伸などの対策が行われている。
【０００３】
図７に示す従来の先頭部形状Ｓ'は、車両１０２の先頭部先端１０５ａの断面積変化率が大きく、車両１０２の先頭部１０５Ａで断面積変化率が一定で増加し、車両１０２の後尾部１０５Ｂで断面積変化率が一定である。従来、微気圧波低減のための先頭部形状は、図７に示すような列車先端部をのぞき断面積変化率が一定となる形状がよいとされてきた（例えば、非特許文献１参照）。現在の新幹線列車の先頭部形状は、この方針が反映されている。このような従来の微気圧波低減のための先頭部形状は、少ない設計パラメータによって表現された先頭部形状を最適化して得られたものである。微気圧波低減のための先頭部形状では、音響理論をもとに列車先頭部長さを考慮した圧力勾配最大値の無次元化が提案されており、この圧力勾配最大値の逆数を効率として定義している（例えば、非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】飯田  雅宣、他４名，「トンネル微気圧波低減のための列車先頭部形状の最適化」，日本機械学会論文集Ｂ編, 1996年，第62巻, p.1428〜1435
【０００５】
【非特許文献２】Miyachi,T.,M.Fukuda,T.,Arai,T.," Nondimensional maximum pressure gradient of tunnel compression waves generated by offset running axisymmetric trains",Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics <http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167610515301525>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような従来の微気圧波低減のための先頭部形状では、効率は0.8程度であることが非特許文献２に示されている。この効率は、理想的な先頭部形状の場合には値が最大で1となるために、さらに微気圧波の低減効果の高い先頭部形状が存在する可能性が指摘された。
【０００７】
この発明の課題は、微気圧波の低減効果をより一層向上させることができる移動体の先頭部構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、図１（Ａ）、図２（Ａ）及び図３に示すように、移動体（２）がトンネル内に突入するときに発生する微気圧波を低減可能な微気圧波低減性能を有する移動体の先頭部構造であって、前記移動体の先頭部形状（Ｓ）は、この移動体の先頭部（５Ａ）の断面積変化率分布（ｄＡ*/ｄＸ）に少なくとも３つのピーク（Ｐ1〜Ｐ3）があることを特徴とする移動体の先頭部構造（６）である。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１に記載の移動体の先頭部構造において、図１〜図３に示すように、前記移動体の先頭部形状は、この移動体の先頭部の先端部（５ａ）、中間部（５ｂ）及び後端部（５ｃ）に前記断面積変化率分布のピークがあることを特徴とする移動体の先頭部構造である。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の移動体の先頭部構造において、図２（Ａ）に示すように、前記移動体の先頭部形状は、この移動体の先頭部の後端部（５ｃ）における前記断面積変化率分布（ｄＡ*/ｄＸ）がゼロであることを特徴とする移動体の先頭部構造である。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の移動体の先頭部構造において、図１（Ａ）及び図２（Ａ）に示すように、前記移動体の先頭部形状は、この移動体の先頭部の長さ（ｌn）が20m未満であるときには、この移動体の先頭部の断面積変化率分布に３つのピーク（Ｐ1〜Ｐ3）があることを特徴とする移動体の先頭部構造である。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の移動体の先頭部構造において、図３に示すように、前記移動体の先頭部形状は、この移動体の先頭部の長さ（ｌn）が20m以上であるときには、この移動体の先頭部の断面積変化率分布に４つ以上のピーク（Ｐ1〜Ｐ4）があることを特徴とする移動体の先頭部構造である。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によると、微気圧波の低減効果をより一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の第１実施形態に係る移動体の先頭部構造の側面図であり、（Ａ）は先頭部形状が滑らかである場合を一例として模式的に示す側面図であり、（Ｂ）は先頭部形状の断面積変化率分布を一例として模式的に示すグラフである。
【図２】この発明の第２実施形態に係る移動体の先頭部構造の側面図であり、（Ａ）は先頭部形状が先頭部後端を後尾部先端と滑らかに接続した場合を一例として模式的に示す側面図であり、（Ｂ）は先頭部形状の断面積変化率分布を一例として模式的に示すグラフである。
【図３】この発明の第３実施形態に係る移動体の先頭部構造の側面図であり、（Ａ）は先頭部形状が滑らかである場合を一例として模式的に示す側面図であり、（Ｂ）は先頭部形状が先頭部後端を後尾部先端と滑らかに接続した場合を一例として模式的に示す側面図である。
【図４】この発明の実施例及び従来例に係る移動体の先頭部構造の側面図である。
【図５】この発明の実施例及び従来例に係る移動体の先頭部構造における断面積変化率分布を一例として示すグラフである。
【図６】この発明の実施例及び従来例に係る移動体の先頭部構造における圧力勾配波形を一例として示すグラフである。
【図７】従来の移動体の先頭部構造を一例として模式的に示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（第１実施形態）
以下、図面を参照して、この発明の第１実施形態について詳しく説明する。
図１（Ａ）に示す軌道１は、車両２が走行する通路（線路）である。軌道１は、車両２の車輪を支持し案内する一対のレールなどを備えている。車両２は、軌道１に沿って移動する移動体である。車両２は、例えば、300km/h以上の高速で新幹線（登録商標）を走行する鉄道車両などの高速列車である。図１（Ａ）に示す車両２は、例えば、図中矢印方向に走行するときには先頭車両となり、この矢印方向とは逆方向に走行するときには後尾車両となる。車両２は、台車３と車体４などを備えている。台車３は、車体４を支持して軌道１上を走行する装置である。車体４は、乗務員及び乗客などの積載物を輸送するための構造物である。車体４は、先頭部５Ａと後尾部５Ｂとを備えている。車体４は、車両２を運転制御するための主幹制御器を操作する乗務員が乗車する乗務員室が先頭部５Ａ側に配置されており、乗客が乗車する客室が後尾部５Ｂ側に配置されている。
【００１６】
先頭部５Ａは、車両２の前部側を構成する部分である。先頭部５Ａは、空気抵抗及び微気圧波の低減を図るために長い流線形に形成されている。先頭部５Ａは、この先頭部５Ａの前部を構成する先頭部先端５ａと、この先頭部先端５ａと先頭部後端５ｃとの間の中間部を構成する先頭部中間５ｂと、この先頭部５Ａの後部を構成する先頭部後端５ｃなどを備えている。
【００１７】
後尾部５Ｂは、車両２の後部側を構成する部分である。後尾部５Ｂは、車両２の中心線に対して直交する垂直面で切断したときの断面積が略一定である。後尾部５Ｂは、先頭部後端５ｃと接続する後尾部先端５ｄと、この後尾部先端５ｄとは反対側の端部である後尾部後端５ｅなどを備えている。後尾部５Ｂは、編成中に中間車として組成される他の車両を連結する連結装置などを後尾部後端５ｅに備えている。
【００１８】
先頭部構造６は、車両２がトンネル内に突入するときに発生する微気圧波を低減可能な微気圧波低減性能を有する構造である。先頭部構造６は、断面積変化率が複数のピークをもつことを前提に先頭部形状Ｓが最適化されている。先頭部構造６は、先頭部５Ａの周りの流れが断面積の急変化部で大きくはく離しないように、滑らかな先頭部形状Ｓに形成されている。
【００１９】
先頭部形状Ｓは、車両２の中心線を通過する垂直面で切断したときの断面形状である。図１（Ａ）に示す先頭部形状Ｓは、所定の個数（例えば、10個）の誤差関数の組み合わせによって断面積変化率を表現し、断面積変化率のピークＰ1〜Ｐ3の大きさ、位置及び広がりを最適パラメータとして最適化されている。先頭部形状Ｓは、車両２の先頭部５Ａの断面積変化率分布に少なくとも３つのピークＰ1〜Ｐ3がある。先頭部形状Ｓは、断面積変化率が誤差関数の組み合わせで表される滑らかな形状である。ここで、断面積変化率とは、車両２の中心線に対して直交する垂直面で切断したときの断面積が先頭部先端５ａから後尾部後端５ｅに向かって変化する割合である。図１に示す断面積変化率分布ｄＡ*/ｄＸは、１０個の誤差関数を基底に与えられたものであり、各基底の大きさ、位置及び広がりをパラメータとして最適化されている。
【００２０】
先頭部形状Ｓは、図１（Ａ）に示すように、先頭部先端５ａ、先頭部中間５ｂ及び先頭部後端５ｃに断面積変化率分布ｄＡ*/ｄＸのピークＰ1〜Ｐ3がある。先頭部形状Ｓは、先頭部先端５ａ、先頭部中間５ｂ及び先頭部後端５ｃにおいて断面積を略１/３程度ずつ増加させるような形状である。先頭部形状Ｓは、断面積変化率ｄＡ/ｄＸが先頭部先端５ａ及び先頭部後端５ｃで大きな単一のピークＰ1，Ｐ3を持ち、先頭部中間５ｂに小さく広いピークＰ2を持つ略Ｗ字型である。先頭部形状Ｓは、先頭部５Ａの長さｌnが20m未満であるときには、先頭部５Ａの断面積変化率分布ｄＡ*/ｄＸに３つのピークＰ1〜Ｐ3がある。
【００２１】
この発明の第１実施形態に係る移動体の先頭部構造には、以下に記載するような効果がある。
(1) この第１実施形態では、車両２の先頭部５Ａの断面積変化率分布ｄＡ*/ｄＸに少なくとも３つのピークＰ1〜Ｐ3がある先頭部形状Ｓである。また、この第１実施形態では、車両２の先頭部先端５ａ、先頭部中間５ｂ及び先頭部後端５ｃに断面積変化率分布ｄＡ*/ｄＸのピークＰ1〜Ｐ3がある先頭部形状Ｓである。このため、断面積変化率分布ｄＡ*/ｄＸに３つのピークＰ1〜Ｐ3がある略Ｗ型の先頭部形状Ｓにすることによって、トンネル内の圧力勾配最大値のピークを分散することができ、微気圧波を低減することができる。
【００２２】
(2) この第１実施形態では、車両２の先頭部５Ａの長さｌnが20m未満であるときには、この車両２の先頭部５Ａの断面積変化率分布ｄＡ*/ｄＸに３つのピークＰ1〜Ｐ3がある先頭部形状Ｓである。このため、トンネル内の圧力勾配波形のピーク値を低減することができる。
【００２３】
（第２実施形態）
以下では、図１に示す部分と同一の部分については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
図２（Ａ）に示す先頭部構造６は、先頭部５Ａの周りの流れが先頭部後端５ｃで大きくはく離しないように、先頭部後端５ｃが後尾部先端５ｄと滑らかに接続された先頭部形状Ｓに形成されている。先頭部形状Ｓは、所定の個数（例えば、10個）の誤差関数の組み合わせと、先頭部後端５ｃを後尾部先端５ｄと滑らかに接続することを表す重み関数とによって断面積変化率ｄＡ/ｄＸを表現し、断面積変化率ｄＡ/ｄＸのピークＰ1〜Ｐ3の大きさ、位置及び広がりを最適パラメータとして最適化されている。先頭部形状Ｓは、先頭部後端５ｃにおける断面積変化率分布ｄＡ*/ｄＸがゼロである。図１（Ａ）に示す先頭部形状Ｓは、車体４の断面積が一定になる後尾部先端５ｄと先頭部後端５ｃとの接続部において断面積変化率ｄＡ/ｄＸが不連続となり、流れのはく離による影響が懸念される。図２（Ａ）に示す先頭部形状Ｓは、車体４の断面積が一定になる後尾部先端５ｄと先頭部後端５ｃとの接続部において、この先頭部後端５ｃがこの後尾部先端５ｄと滑らかに接続するように丸みが付与されている。先頭部形状Ｓは、先頭部５Ａの後端にcos型の重み関数を乗じてこの先頭部形状Ｓが最適化されており、cos型の重み関数によって先頭部後端５ｃの断面積変化率ｄＡ/ｄＸが滑らかにゼロになる。
【００２４】
図２（Ａ）に示す先頭部形状Ｓは、先頭部先端５ａ、先頭部中間５ｂ及び先頭部後端５ｃに断面積変化率分布ｄＡ*/ｄＸにピークＰ1〜Ｐ3がある。先頭部形状Ｓは、先頭部５Ａの長さｌnが20m未満であるときには、先頭部５Ａの断面積変化率分布ｄＡ*/ｄＸに３つのピークＰ1〜Ｐ3がある。
【００２５】
この発明の第２実施形態に係る移動体の先頭部構造には、第１実施形態の効果に加えて、以下に記載するような効果がある。
この第２実施形態では、車両２の先頭部後端５ｃにおける断面積変化率分布ｄＡ*/ｄＸがゼロである先頭部形状Ｓである。このため、車体４の断面積が一定になる後尾部先端５ｄと先頭部後端５ｃとの接続部における流れのはく離を抑制することができる。
【００２６】
（第３実施形態）
図３に示す車体４は、車両２の先頭部５Ａの長さｌnが20m以上の長大な先頭部５Ａを備えている。図３（Ａ）に示す先頭部構造６は、図１（Ａ）に示す先頭部構造６と同様に滑らかな先頭部形状Ｓに形成されている。図３（Ｂ）に示す先頭部構造６は、図２（Ａ）に示す先頭部構造６と同様に先頭部後端５ｃが後尾部先端５ｄと滑らかに接続された先頭部形状Ｓに形成されている。先頭部形状Ｓは、車両２の先頭部５Ａの長さｌnが20m以上であるときには、この車両２の先頭部５Ａの断面積変化率分布ｄＡ*/ｄＸに４つのピークＰ1〜Ｐ4がある。この第３実施形態には、第１実施形態及び第２実施形態と同様の効果がある。
【実施例】
【００２７】
図４に示すグラフは、実施例１，２及び従来例に係る先頭部形状を一例として示すグラフである。図４に示す縦軸は、形状であり、横軸は先頭部先端からの距離である。図５に示すグラフは、実施例１，２及び従来例に係る先頭部形状の断面積変化率分布ｄＡ*/ｄＸを一例として示すグラフである。図５に示す縦軸は、断面積変化率ｄＡ/ｄＸであり、横軸は先頭部先端からの距離である。図４及び図５に示す実施例１は、図１（Ａ）に示す第１実施形態に係る先頭部形状Ｓに相当し、先頭部５Ａの長さｌn=12mの断面積変化率分布ｄＡ*/ｄＸの例である。図４及び図５に示す実施例２は、図２（Ａ）に示す第２実施形態に係る先頭部形状Ｓに相当する断面積変化率分布ｄＡ*/ｄＸの例である。実施例１，２は、いずれもHoweの音響理論によって先頭部形状Ｓを最適化したときの断面積変化率分布ｄＡ*/ｄＸの例である。図４及び図５に示す従来例は、図７に示す従来の先頭部形状Ｓ'に相当する断面積変化率ｄＡ/ｄＸの例である。
【００２８】
Howeの音響理論によって計算した圧力勾配波形を図６に示す。図６に示す縦軸は、圧力勾配∂ｐ/∂ｔであり、横軸は時間である。図６に示す圧力勾配波形のピークはトンネル微気圧波のピークに比例する。図６に示すように、実施例１，２の圧力勾配波形は従来例の圧力勾配波形に比べてピークが分散しており、微気圧波の低減効果が確認された。また、実施例１，２のような断面積変化率分布ｄＡ*/ｄＸが複数のピークを持つ先頭部形状が微気圧波の低減効果の高い先頭部形状であることが確認された。
【００２９】
（他の実施形態）
この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
(1) この実施形態では、移動体として鉄道車両である場合を例に挙げて説明したがこれに限定するものではない。例えば、広い空間から狭い空間に突入する種々の移動体であって、高速で走行する磁気浮上式鉄道、自動車、航空機又は飛翔体などの移動体についても、この発明を適用することができる。また、この実施形態では、車両２が新幹線列車である場合を例に挙げて説明したが、在来線を走行する在来線列車、又は新幹線と在来線とを相互に走行可能な新在直通運転用の列車などについても、この発明を適用することができる。さらに、この実施形態では、構造物としてトンネルを例に挙げて説明したが、トンネル微気圧波を低減するためにトンネル坑口を覆うトンネル緩衝工、軌道１上に架け渡した跨線橋、軌道１上に駅本屋を配置した橋上駅などの構造物についてもこの発明を適用することができる。
【００３０】
(2) この第１実施形態及び第２実施形態では、車両２の先頭部先端５ａにおける断面積変化率分布ｄＡ*/ｄＸのピークＰ1よりも、車両２の先頭部後端５ｃにおける断面積変化率分布ｄＡ*/ｄＸのピークＰ3のほうが小さい場合を例に挙げて説明したがこれに限定するものではない。例えば、車両２の先頭部先端５ａ及び／又は先頭部中間５ｂにおける断面積変化率分布ｄＡ*/ｄＸのピークＰ1，Ｐ2よりも、車両２の先頭部後端５ｃにおける断面積変化率分布ｄＡ*/ｄＸのピークＰ3のほうが小さくする場合についても、この発明を適用することができる。また、この第３実施形態では、車両２の先頭部５Ａの長さｌnが20m以上であるときには、この車両２の先頭部５Ａの断面積変化率分布ｄＡ*/ｄＸに４つのピークＰ1〜Ｐ4がある場合を例に挙げて説明したがこれに限定するものではない。例えば、車両２の先頭部５Ａの長さｌnが20m以上であるときには、この車両２の先頭部５Ａの断面積変化率分布ｄＡ*/ｄＸに４つ以上のピークＰ1，Ｐ2，Ｐ3，Ｐ4，…がある場合についても、この発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００３１】
１  軌道
２  車両（移動体）
３  台車
４  車体
５Ａ  先頭部
５Ｂ  後尾部
５ａ  先頭部先端
５ｂ  先頭部中間
５ｃ  先頭部後端
５ｄ  後尾部先端
５ｅ  後尾部後端
ｄＡ/ｄＸ  断面積変化率
ｄＡ*/ｄＸ  断面積変化率分布
∂ｐ/∂ｔ  圧力勾配
Ｓ  先頭部形状
Ｐ1〜Ｐ4  ピーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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