(57)【要約】【課題】トンネル緩衝工の有無にかかわらず、微気圧波の影響を低減できる鉄道車両の先頭形状を提供することを目的とする。【解決手段】車体の先端（１ｔ）から車体長手方向後端側へ向かって車体の横断面積が増大する先頭部（１）を有した鉄道先頭車両において、前記先頭部（１）は、先端領域（１ａ）と、この先端領域(１ａ)の長手方向後端側に位置し、運転台を備えた後部領域（１ｂ）とを含んでおり、前記先端領域（１ａ）は、前記後部領域（１ｂ）よりも、前記先端（１ｔ）から車体長手方向後端側へ向かっての単位長さ当たりの前記横断面積の増加率が大きく、前記後部領域（１ｂ）は、圧力勾配変化部（Ｌ）を備え、前記圧力勾配変化部（Ｌ）は、長手方向に最長４．０ｍを超えないものとし、長手方向の前記横断面積の増加率を、一旦０．５ｍ２／ｍ以下に減少させた後、増大させるように形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体の先端から車体長手方向後端側へ向かって車体の横断面積が増大する先頭部を有した鉄道先頭車両において、
前記先頭部は、先端領域と、この先端領域の長手方向後端側に位置し、運転台を備えた後部領域とを含んでおり、
前記先端領域は、前記後部領域よりも、前記先端から車体長手方向後端側へ向かっての単位長さ当たりの前記横断面積の増加率が大きく、
前記後部領域は、圧力勾配変化部を備え、
前記圧力勾配変化部は、長手方向に最長４．０ｍを超えないものとし、長手方向の前記横断面積の増加率を、一旦０．５ｍ２／ｍ以下に減少させた後、増大させるように形成されたことを特徴とする鉄道先頭車両。
【請求項２】
車体の先端から車体長手方向後端側へ向かって車体の横断面積が増大する先頭部を有した鉄道先頭車両において、
前記先頭部は、先端領域と、この先端領域の長手方向後端側に位置し、運転台を備えた後部領域とを含んでおり、
前記先端領域は、前記後部領域よりも、前記先端から車体長手方向後端側へ向かっての単位長さ当たりの前記横断面積の増加率が大きく、
前記後部領域は、圧力勾配変化部を備え、
前記圧力勾配変化部は、前記後部領域における前記先端領域との境界近傍に、前記横断面積の増加率を、所定値よりも一旦減少させ、その後前記所定値よりも増加させ、さらに前記所定値方向に向けて減少させるように形成されたことを特徴とする鉄道先頭車両。
【請求項３】
前記圧力勾配変化部よりも後端側の後部領域に、前記圧力勾配変化部とは別の圧力勾配変化部を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の鉄道先頭車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道先頭車両の形状に係り、特に高速走行する鉄道先頭車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両の高速化に伴い、走行によって生ずる空気流によって様々な問題が発生している。その一つに、鉄道車両が、トンネル通過の際に発生させるトンネル微気圧波がある。トンネル微気圧波（以下、「微気圧波」という）とは、鉄道車両がトンネルに高速で突入する際、トンネル内部の空気が圧縮されて発生した圧縮波をいい、トンネル内の定点での時間的な圧力の変化（以下、「圧力勾配」という）に比例する。微気圧波は、鉄道車両進行方向にあるトンネルの出口に向かって音速もしくは音速に近い速度で進行する。そして、トンネル出口において、微気圧波の一部は反射し、残りの大部分はトンネル出口において爆裂音や振動という形でそのエネルギを放出する。この爆裂音や振動は、トンネル出口付近の住民の住環境を害する環境（騒音）問題を生じさせている。
【０００３】
圧力勾配は、車両速度のおよそ３乗に比例し、騒音は圧力勾配のおよそ２乗に比例する。圧力勾配に比例する微気圧波による騒音問題は、鉄道車両の顕著な高速化に伴い、空気の圧縮性の影響を無視できなくなったことに起因し、空力的な観点での対策が必要となってきている。その対策の一つとして微気圧波を減少させる鉄道車両の先頭車両の車両形状がある。例えば、進行方向に沿った前面投影断面積（以下、「横断面積」という）の増加部分に対して、横断面積をほぼ一定に保つ領域を組み合わせて微気圧波の上昇を抑制させる技術が開発されている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
微気圧波を減少させる車両形状を設定するためには、種々の物理量、変数、形状等の組み合わせが必要となるため、従来試行錯誤的な手法が多くとられてきた。最近では、最適化の手法として遺伝的アルゴリズムを用いて、運転室の容積を満足させながら微気圧波を低減する横断面積変化を求める技術も開発されている（例えば、特許文献２、３）。
【０００５】
また、微気圧波を減少させる対策として、トンネルの出入り口に設置されトンネル断面積の１〜２倍程度の断面積を持つ覆体（以下、「緩衝工」という）を備える方法もある。前記した先頭車両の形状を設定する際に、数種類の緩衝工が設置されている場合、設置されていない場合について形状の最適化を実施し、より多くの条件で微気圧波を低減できるように先頭形状を決定する技術も紹介されている（例えば、特許文献３）。
【特許文献１】特開平１１−３２１６４０号公報
【特許文献２】特開２００４−６６８８７号公報
【特許文献３】特開２００５−２１２７４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記した横断面積を単調的に増加させた領域と横断面積をほぼ一定に保つ領域とを組み合わせて微気圧波の上昇を抑制させる場合、横断面積の増加率の大きな位置と次の横断面積の増加率の大きな位置との間隔を１５ｍ以上とする必要があり（例えば、特許文献１）、この長さは、さらなる車両走行の高速化に伴い延長される。このため、鉄道車両の先頭部分では横断面積の小さな領域が拡大し、言い換えれば、客室を設ける一般部が減少し、客室の快適性を損なう、もしくは、収容できる乗客数が少なくなってしまうおそれがある。
【０００７】
また、遺伝的アルゴリズムを用いた多目的関数の最適化を実施し、鉄道先頭車両の形状における最適な横断面積変化を求める場合や（例えば、特許文献２）、さらに緩衝工の条件を考慮する場合において（例えば、特許文献３）、実際の走行状態に近いトンネル内部の圧力勾配をシミュレーションする必要がある。
【０００８】
そこで、最適化された横断面積変化と緩衝工のないトンネルへの突入のシミュレーション解析結果で得たトンネル内部の圧力勾配とを詳細に比較検討を行ったところ、トンネル内部の圧力勾配最大値の発生位置は、従来技術におけるシミュレーションと異なるものとなった。
すなわち、圧力勾配の最大値は、従来技術で示されている横断面積の増加率の大きな位置の後方位置に相当する時間で発生するのではなく、その位置に対してさらに微小な時間遅れがあると考えられ、同様の傾向は、緩衝工のあるトンネルについても見られた。
【０００９】
本発明は、微気圧波の問題を解決するために、新たなシミュレーションに基づく、実際の走行状態に近い流体環境をもとに、さらに詳細に先頭部分の横断面積変化とトンネルにおける圧力勾配との比較を行い、緩衝工の有無にかかわらず、微気圧波の影響を低減できる鉄道先頭車両を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するため、本発明は、車体の先端から車体長手方向後端側へ向かって車体の横断面積が増大する先頭部を有した鉄道先頭車両において、前記先頭部は、先端領域と、この先端領域の長手方向後端側に位置し、運転台を備えた後部領域とを含んでおり、前記先端領域は、前記後部領域よりも、前記先端から車体長手方向後端側へ向かっての単位長さ当たりの前記横断面積の増加率が大きく、前記後部領域は、圧力勾配変化部を備え、前記圧力勾配変化部は、長手方向に最長４．０ｍを超えないものとし、長手方向の前記横断面積の増加率を、一旦０．５ｍ２／ｍ以下に減少させた後、増大させるように形成されたことを特徴としている。
【００１１】
前記構成によれば、横断面積の増加率に対して圧力勾配変化の時間遅れがあるトンネル内部の圧力勾配環境下において、鉄道車両は、先頭部が緩衝工のないトンネルに突入した際に、圧力勾配が先頭部の先端からの横断面積の増加率に伴って上昇して上がりきる前の段階で、横断面積の増加率の小さい領域に入ることとなる。この結果、圧力勾配は、鋭いピークを持つことなく、最大値近くの値をある程度保持した後、徐々に減少する。このように、前記構成は、従来と比べ短い車両の長手方向の領域によって、圧力勾配の最大値を低く抑えることができる．
【発明の効果】
【００１２】
本発明の構成によれば、実際の現象に近いトンネル内の流体環境下において、圧力勾配の最大値を低く抑え、微気圧波の影響を低減できる鉄道先頭車両を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る鉄道先頭車両の形状を示しており、(ａ)は側面図、（ｂ）は平面図、および（ｃ）は正面図である。
【００１４】
図１に示すように、鉄道先頭車両は、先頭部１と一般部２とを有している。先頭部１は、先端１ｔから一般部２の手前に至るまでの領域をいい、先端１ｔから後方側へ、横断面積を漸増させている。そして、先頭部１は、先端の横断面積の増加率（以下、「横断面積増加率」という）の大きい先端領域１ａと、およびその後方に先端領域１ａと連続する後部領域１ｂとに分けることができる。後部領域１ｂは、運転台（運転室、図示せず）、運転室の上部に設置される風防カバー３、台車（図示せず）、台車カバー４等を備えており、後方の一般部２と連続する。
【００１５】
［実施例１］
本実施形態における一実施例と比較例との先頭部１における、先端１ｔからの距離と横断面積との関係、先端１ｔからの距離と横断面積増加率との関係を、図２に示す。この図２では、実施例１の横断面積を実線で、横断面積増加率を一点鎖線で、さらに、比較例の横断面積を破線で示している。ちなみに、実施例１は、先端１ｔからの距離が２〜６ｍの位置に４ｍを超えない範囲で圧力勾配変化部Ｌ（図２の矢印参照）を設けた鉄道先頭車両であり、比較例の鉄道先頭車両には、かかる圧力勾配変化部Ｌを設けていない。
【００１６】
圧力勾配変化部Ｌは、図１における先端領域１ａとの境界近傍の後部領域１ｂの一部を構成する連続的な領域である。そして、横断面積増加率は、図２に矢印で示す圧力勾配変化部Ｌにおいて、先端領域１ａの大きな値から、０．５ｍ２／ｍ以下にまで減少させている。なお、この一実施例では、先端領域１ａは、先端１ｔからの距離が０〜２ｍの領域であり、後部領域１ｂは、先端１ｔからの距離が２ｍ以降（一般部２の手前まで）の領域である。
【００１７】
図２で実施例１と併記した比較例は、先端１ｔから横断面積増加率を０．５ｍ２／ｍ以下に減少する部分までは実施例１と同様とし、その後方では、横断面積増加率を増大した領域を設けていない（実施例１の再度増加する部分がない）。すなわち、図２の実線（実施例１）と破線（比較例）とが一致しない部分に示されるように、実施例１と比較例とは、先端側の一部において、実施例１が比較例と比べ低い値をとった凹状の部分があることが異なっている。
【００１８】
ちなみに、先端１ｔからの距離が２ｍから先の部分において、実施例１と比較例とでは横断面積のグラフ上、乖離する部分が生じ、実施例１では前記した凹状の部分ができている。これは、実施例１では、先端１ｔからの距離が２ｍより先の部分において、横断面積増加率を一旦０．５ｍ２／ｍ（所定値）よりもさらに低下させ、その先で増加に転じさせ、さらにその先で減少に転じさせている。すなわち、形状を「横断面積の増加率を、一旦０．５ｍ２／ｍ以下に減少させた後、増大させるように形成」、あるいは、「後部領域１ｂにおける前記先端領域１ａとの境界近傍に、前記横断面積の増加率を、所定値よりも一旦減少させ、その後所定値よりも増加させ、さらに所定値方向に向けて減少させるように形成」しているからである。
【００１９】
一方、この比較例では、横断面積増加率を図示していないが、先端１ｔからの距離が２ｍより先の部分においては、横断面積増加率を略０．５ｍ２／ｍ以下として、値を一定にしている。なお、この比較例については、モデル実験が行われており、解析結果は実験結果をシミュレートすることが確認されている。
【００２０】
次に図を参照して、実施例１と比較例について、緩衝工のないトンネルに突入する場合の数値流体解析のシミュレーション結果を説明する。図３は、トンネル入り口部分での圧力勾配の時間波形であり、実線で実施例１を、破線で比較例を表す。ここで、圧力勾配の変化を表すに当たって、時間および圧力勾配とも、実施例１と比較例との比較のため無次元処理を行っている。
【００２１】
図３に示すように、圧力勾配の最大値付近に注目すると、実施例１は、比較例の圧力勾配波形に対してピークが低く、ピーク部分の波形の形状もなだらかなものとなっている。このように、実施例１は、比較例と比べ圧力勾配の最大値を抑えており、この結果、微圧力波も低減される。なお、実施例１の鉄道先頭車両の形状は、遺伝的アルゴリズムを用いた最適化手法と数値流体解析を組み合わせた手法によって設定され、緩衝工のない条件だけではなく、様々な緩衝工の条件において微気圧波性能が得られるように最適解を求め、形状を決定している。
【００２２】
次に、緩衝工の条件を考慮した数値流体解析結果を図を参照して説明する。図４，５は、解析の対象とした緩衝工の概略である。これらは、特許文献３の図１２（緩衝工長さ１４ｍ）および図１４（緩衝工長さ２５ｍ）のトンネル緩衝工に相当し、図４は、長さ１４ｍの緩衝工の概略であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。図５は、長さ２５ｍの緩衝工の概略であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。図６，７は、それぞれ図４，５に対応するトンネルの条件でのトンネル入り口部分における圧力勾配波形について比較例（破線）および実施例１（実線）の数値流体解析結果を示している。
【００２３】
図６，７に示されるように、実施例１は、比較例の圧力勾配波形に対してピークが低く、波形の形状も緩和されている。このように、実施例１は、比較例と比べ圧力勾配の最大値を抑えている。これらから、実施例１は、いずれの緩衝工においても圧力勾配の最大値を抑える結果を得ることができると思料される。
【００２４】
［実施例２,３］
次に先端からの距離と横断面積との関係を前記した実施例１と形状を変えた他の実施例について、図を参照して説明する。図８は、実施例２，３および比較例の、先端からの距離と横断面積との関係を示している。
図８に示すように、比較例（破線）の横断面積が屈曲する地点Ｂの後方に注目すると、実施例２（実線）は、比較例と比べ横断面積の増加が小さく、その後増大してすぐに比較例と一致して変化している。一方、実施例３（一点鎖線）は、実施例２と比べ横断面積増加が小さく、その後増大しても、実施例２と比べかなり後方で比較例と一致して変化している。なお、図８には横断面積増加率を図示していないが、各実施例とも、前記した比較例の横断面積変化が屈曲する地点Ｂの後方の一部で横断面積増加率は０．５ｍ２／ｍ以下とされており、圧力勾配変化部Ｌの範囲は４ｍを超えないものとしている。ちなみに、比較例では、図２を参照して前記したとおり、横断面積増加率を略０．５ｍ２／ｍ以下として、値を一定にしている。
【００２５】
次に図８で説明した各実施例と比較例とを比較した解析結果を示す。図９は、図８の各実施例および比較例がトンネルに突入したときのトンネル入り口部分での圧力勾配波形である。なお、図９は、トンネル緩衝工がない条件で解析を実施している。（ｂ）は、先頭部がトンネルに突入する前後の時刻での圧力勾配波形を示し、（ａ）は、(ｂ)の破線枠で囲った最大圧力勾配近傍の拡大図である。
【００２６】
実施例２（実線）は、図９（ａ）に示すように、比較例（破線）と比べ圧力勾配のピークを降下させているが、圧力勾配波形としては、比較例と同様に一つのピークを発生させている。一方、実施例３（一点鎖線）は、比較例および実施例２と比べ圧力勾配のピークを降下させているとともに、ふたこぶ状の二つのピークを発生させている。
【００２７】
各実施例と比較例とを比較すると、各実施例のように横断面積の増加（横断面積増加率）が一旦小さくされた後、増大する圧力勾配変化部Ｌを備えることによって、圧力勾配の最大値を抑えることができる。そして、実施例３に示すように横断面積の増加を小大と変化させる範囲を広げることによって、圧力勾配の最大値は、実施例２よりも低減されている。
【００２８】
本解析結果から、先頭部１の後部領域１ｂにおいて（図１参照）、横断面積増加率を一時的に小さくして、その後方の連続する領域で横断面積増加率を大きくする圧力勾配変化部Ｌを備えることは、微気圧波の影響を減少させる有効な対策の一つである。なお、実際に鉄道先頭車両を設計するに当たっては、運転室の形状等を考慮して、好適な横断面積増加率を設定すればよい。
【００２９】
［実施例４］
次にこれまでの実施例と異なり、複数の圧力勾配変化部を備えた他の実施例について、図を参照して説明する。図１０は、実施例４における鉄道先頭車両における先端からの距離と横断面積との関係を表している。
【００３０】
実施例４は、先頭部１の後部領域１ｂにおいて（図１参照）、複数（２箇所）の圧力勾配変化部を備えている。具体的には、図１０の左側にある圧力勾配変化部Ｌ１と、その右側にある圧力勾配変化部Ｌ２であり、いずれも破線で表した比較例と分離して、凹部状になっている。
【００３１】
図１１は、実施例４と比較例の数値流体解析によるトンネル突入時の圧力勾配波形であり、（ｂ）は、先頭部がトンネルに突入する前後の時刻での圧力勾配波形を示し、（ａ）は、（ｂ）の点線で囲った最大圧力勾配近傍の拡大図である。なお、図１１は、トンネル緩衝工がない条件で解析を実施している。
実施例４は、図１１（ａ）に示すように、比較例と比べ圧力勾配のピークを降下させており、圧力勾配波形としては、比較例と同様に一つのピークを発生させている。
なお、実施例４のような先頭車両の形状を適用する際には、当該領域が運転台に加え、台車などの機器を備える領域であるため、設計時にこれらの機器設置の条件を考慮する。
【００３２】
図１２は、前記した実施例１〜４および比較例における図４に示した緩衝工１４ｍおよび図５に示した緩衝工２５ｍのトンネル緩衝工の条件での最大圧力勾配の解析結果をまとめた。なお、図１２では、比較例の最大圧力勾配を１００％として、実施例１〜４の最大圧力勾配を示している。
この結果を見ると、各実施例は、緩衝工がない場合とともに、条件を変えた緩衝工においても、比較例と比較して最大圧力勾配を低減することができた。最大圧力勾配の低減量は、おおむね２〜７％程度となっている。
【００３３】
以上、本発明について好適な実施形態を説明した。本発明は、図面に記載したものに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で設計変更が可能である。すなわち、各実施例における３次元形状は、必要な諸元の要求を鑑み、最適化して決定されるが、本発明で提供する横断面積増加率に従って３次元形状を構成することによって、トンネルにおける微気圧波を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態に係る鉄道先頭車両の形状を示しており、(ａ)は側面図、（ｂ）は平面図、および（ｃ）は正面図である。
【図２】鉄道先頭車両の形状における、先頭からの距離と横断面積との関係、先端からの距離と横断面積増加率との関係を示した図である。
【図３】実施例１に係るトンネル入り口部分での圧力勾配の時間波形である。
【図４】解析の対象とした緩衝工（緩衝工長さ１４ｍ）の概略であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。
【図５】解析の対象とした緩衝工（緩衝工長さ２５ｍ）の概略であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。
【図６】図４に対応するトンネルの条件でのトンネル入り口部分における圧力勾配波形の比較例および実施例１の数値流体解析結果である。
【図７】それぞれ図５に対応するトンネルの条件でのトンネル入り口部分における圧力勾配波形の比較例および実施例１の数値流体解析結果である。
【図８】実施例２，３および比較例の先端からの距離と横断面積との関係を示した図である。
【図９】図８の各実施例および比較例の鉄道先頭車両がトンネルに突入したときのトンネル入り口部分での圧力勾配波形であり、（ａ）は、先頭部分がトンネルに突入する前後の時刻での圧力勾配波形を示し、（ｂ）は、(ａ)の最大圧力勾配近傍の拡大図である。
【図１０】実施例４における鉄道先頭車両の先端からの距離と横断面積との関係を示した図である。
【図１１】実施例４と比較例の数値流体解析によるトンネル突入時の圧力勾配波形であり、（ａ）は、先頭部分がトンネルに突入する前後の時刻での圧力勾配波形を示し、（ｂ）は、最大圧力勾配近傍の拡大図である。
【図１２】実施例１〜４および比較例における各種のトンネル緩衝工の条件での最大圧力勾配の解析結果である。
【符号の説明】
【００３５】
１      先頭部
１ａ    先端領域
１ｂ    後部領域
１ｔ    先端
２      一般部
３      風防カバー
４      台車カバー
Ｌ      圧力勾配変化部
【図１】
2009196446.tif 000003
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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