omnaОмский научный вестникOmsk Scientific Bulletin1813-82252541-7541Омский государственный технический университет10.25206/1813-8225-2026-199-5-15VRYHQNomna-445Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGМоделирование аэродинамического воздействия высокоскоростного поезда на защитный тоннель оболочечного типаSimulation of aerodynamic impact of a high-speed train on a shell-type protective tunnelhttps://orcid.org/0000-0001-6319-4701ВоробьевА. А.VorobyovA. A.

Александр Алфеевич Воробьев, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой

кафедра «Наземные транспортно-технологические комплексы»

190031; пр. Московский, 9; Санкт-Петербург

AuthorID (РИНЦ): 290846, AuthorID (SCOPUS): 55786353400

Alexander Alfeyevich Vorobyov, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department

Land Transport and Technological Complexes Department

190031; Moskovsky Ave., 9; Saint Petersburg

AuthorID (RSCI): 290846, AuthorID (SCOPUS): 55786353400

79219751198@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3500-2201ТерентьевА. В.TerentyevA. V.

Алексей Вячеславович Терентьев, доктор технических наук, доцент, профессор

кафедра «Логистика и транспортно-технологические системы»

109542; пр. Рязанский, 99; Москва

AuthorID (РИНЦ): 895055, AuthorID (SCOPUS): 57190408096

Alexey Vyacheslavovich Terentyev, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Professor

Logistics and Transport Technology Systems Department

109542; Ryazansky Ave., 99; Moscow

AuthorID (RSCI): 895055, AuthorID (SCOPUS): 57190408096

aleksej.terentev.67@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9793-0666ПокровскаяО. Д.PokrovskayaO. D.

Оксана Дмитриевна Покровская, доктор технических наук, доцент, профессор

кафедра «Логистика и транспортно-технологические системы»

109542; пр. Рязанский, 99; Москва

AuthorID (РИНЦ): 592347, AuthorID (SCOPUS): 57204690735,ResearcherID: D-9930-2018

Oksana Dmitrievna Pokrovskaya, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Professor

Logistics and Transport Technology Systems Department

109542; Ryazansky Ave., 99; Moscow

AuthorID (RSCI): 592347, AuthorID (SCOPUS): 57204690735,ResearcherID: D-9930-2018

insight1986@inbox.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4385-2612СтепановА. А.StepanovA. A.

Алексей Алексеевич Степанов, доктор экономических наук, профессор, профессор кафедры

кафедра «Логистика и транспортно-технологические системы»

109542; пр. Рязанский, 99; Москва

AuthorID (РИНЦ): 442970, AuthorID (SCOPUS): 57215420888

Alexey Alekseevich Stepanov, Doctor of Economic Sciences, Professor, Professor of the Department

Logistics and Transport Technology Systems Department

109542; Ryazansky Ave., 99; Moscow

AuthorID (RSCI): 442970, AuthorID (SCOPUS): 57215420888

salex128@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0176-4817КурбатоваА. В.KurbatovaA. V.

Анна Владимировна Курбатова, доктор экономических наук, профессор, профессор кафедры

кафедра «Логистика и транспортно-технологические системы»

109542; пр. Рязанский, 99; Москва

AuthorID (РИНЦ): 532679

Anna Vladimirovna Kurbatova, Doctor of Economic Sciences, Professor, Professor of the Department

Logistics and Transport Technology Systems Department

109542; Ryazansky Ave., 99; Moscow

AuthorID (RSCI): 532679

kurbatova-guu@yandex.ruПетербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра IРоссияEmperor Alexander I St. Petersburg State Transport UniversityRussian FederationГосударственный университет управленияРоссияState University of ManagementRussian Federation20261110202603515Copyright © Воробьев А.А., Терентьев А.В., Покровская О.Д., Степанов А.А., Курбатова А.В., 20262026Воробьев А.А., Терентьев А.В., Покровская О.Д., Степанов А.А., Курбатова А.В.Vorobyov A.A., Terentyev A.V., Pokrovskaya O.D., Stepanov A.A., Kurbatova A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://onv.omgtu.ru/jour/article/view/445

   Исследован режим нагружения мембранной оболочки наземного тоннеля под аэродинамическим воздействием высокоскоростного поезда. Численно решена сопряжённая задача аэродинамики и механики деформируемого твёрдого тела на основе осреднённых по Рейнольдсу уравнений Навье–Стокса и метода конечных элементов. Установлено, что определяющими параметрами нагружения является длина тоннеля и относительный воздушный зазор, контролирующий интенсивность поршневого эффекта. Максимальное воздействие создаёт знакопеременный импульс в области головного обтекателя; хвостовая зона характеризуется развитой турбулентностью и струйно-отрывными течениями. Сравнительный анализ гладкой и гофрированной оболочек, а также усиленного каркаса выявил конструктивное решение, сочетающее аэродинамическую эффективность и устойчивость к боковым нагрузкам. Ресурс при циклическом нагружении оценён по модели накопления повреждений Палмгрена–Майнера и кривым усталости.

   Научная новизна заключается в единой вычислительной методологии, объединяющей аэродинамическое моделирование, прочностной анализ и усталостные оценки применительно к наземным тоннелям оболочечного типа.

   Результаты предназначены для оптимизации геометрических параметров и повышения долговечности защитных сооружений.

   The article presents the research of the loading regime of a membrane shell of an above-ground tunnel under the aerodynamic impact of a high-speed train. The authors solve the coupled problem of aerodynamics and deformable solid mechanics numerically by the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations and the finite element method. Moreover, it is established that the governing loading parameters are the tunnel length and the relativeair gap, which controls the intensity of the piston effect. The maximum impact is produced by an alternatingsign pressure pulse in the region of the head nose cone; the tail zone is characterised by the developed turbulence and jet-separation flows. By the comparative analysis of smooth and corrugated shells, as well as a reinforced frame, the authors identify a structural solution combining aerodynamic efficiency and resistance to lateral loads. The service life under cyclic loading is assessed using the Palmgren-Miner damage accumulation rule and fatigue curves.

   The scientific novelty consists in a unified computational methodology integrating aerodynamic modeling, stress-strain analysis and fatigue assessment as applied to above-ground shell-type tunnels.

   The results are intended for optimizing geometric parameters and improving the durability of protective structures.

конструкция тоннелядеформациявзаимодействие поезд–тоннельаэродинамические нагрузкипоршневой эффектметод Frozen Rotortunnel constructiondeformationtrain and tunnel interactionaerodynamic loadspiston effectFrozen Rotor methodСтатья подготовлена в рамках выполнения научно-исследовательской работы, реализуемой за счет средств федерального бюджета (источник финансирования — Минобрнауки РФ) по теме: «Научные, методологические и практические основы разработки и применения интеллектуальных технологий и систем поддержки принятия решений с учетом факторов неопределенности для обеспечения устойчивого развития транспортной отрасли Российской Федерации» (шифр научной темы FZNW-2025-0023). Авторы не имеют финансовой заинтересованности в представленных материалах и методахThe article was prepared within the research project funded by the Federal budget (funding source: Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation) on the theme: “Scientific, methodological, and practical foundations for the development and application of intelligent technologies and decision support systems considering uncertainty factors to ensure the sustainable development of the transport sector of the Russian Federation” (research theme code FZNW-2025-0023). The authors have no financial interest in the presented materials or methodsReferencesВоробьев А. А., Каримов Д. Д., Сотников К. А., Богданов Н. В. Управление аэродинамическим взаимодействием высокоскоростного поезда с элементами искусственных сооружений тоннельного типа // Транспорт Российской Федерации. Журнал о науке, практике, экономике. 2024. № 1 (110). С. 62–68. EDN: ZYNJHE.Vorobyev A. A., Karimov D. D., Sotnikov K. A., Bogdanov N. V. Management of aerodynamic interaction of high-speed train with elements of tunnel-type artificial structures. Transport of the Russian Federation. 2024;1(110):62–68. EDN: ZYNJHE. (In Russ.).Ким К. К., Крон И. Р., Ватулин Я. С., Ватулина Е. Я. Разработка метода по уменьшению лобового аэродинамического сопротивления капсулы трубопроводного транспорта // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2019. Т. 16, № 2. С. 263–267. doi: 10.20295/1815-588X-2019-2-263-267. EDN: OYZZHC.Kim K. K., Kron I. R., Vatulin Ya. S., Vatulina E. Ya. The development of the method on the reduction of aerodynamic drag of the pipeline transport capsule. Proceedings of Petersburg Transport University. 2019;16(2):263–267. doi: 10.20295/1815-588X-2019-2-263-267. EDN: OYZZHC. (In Russ.).Novák J. Single train passing through a tunnel. European Conference on Computational Fluid Dynamics (ECCOMAS CFD 2006). Netherlands, 2006. 12 p.Novák J. Single train passing through a tunnel. European Conference on Computational Fluid Dynamics (ECCOMAS CFD 2006). Netherlands, 2006. 12 p.Sterling M., Baker C. J., Jordon S. C., Johnson T. A study of the slipstreams of high-speed passenger trains and freight trains. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. 2008;222(2):177–193. doi: 10.1243/0954409-7jrrt133.Sterling M., Baker C. J., Jordon S. C., Johnson T. A study of the slipstreams of high-speed passenger trains and freight trains. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. 2008;222(2):177–193. doi: 10.1243/0954409-7jrrt133.Martínez A., Vega E., Gaite J., Meseguer J. Pressure measurements on real high-speed trains travelling through tunnels. BBAA VI International Colloquium on: Bluff Bodies Aerodynamics & Applications. Milano, 2008. 11 p.Martínez A., Vega E., Gaite J., Meseguer J. Pressure measurements on real high-speed trains travelling through tunnels. BBAA VI International Colloquium on: Bluff Bodies Aerodynamics & Applications. Milano, 2008. 11 p.Ледяев А. П., Кавказский В. Н., Креер Р. О. Особенности проектирования тоннелей на высокоскоростных магистралях // Транспорт Урала. 2015. № 4 (47). С. 3–9. doi: 10.20291/1815-9400-2015-4-3-9. EDN: TBIORT.Ledyaev A. P., Kavkazskiy V. N., Kreer R. O. Specifics of tunnel design on high-speed lines. Transport of the Urals. 2015;4(47):3–9. doi: 10.20291/1815-9400-2015-4-3-9. EDN: TBIORT. (In Russ.).Алямовский А. А. SolidWorks Simulation. Инженерный анализ для профессионалов: задачи, методы, рекомендации. Москва: ДМК Пресс, 2015. 564 с. ISBN 978-5-97060-140-2.Alyamovskiy A. A. SolidWorks Simulation. Inzhenernyy analiz dlya professionalov: zadachi, metody, rekomendatsii. Moscow, 2015. 564 p. ISBN 978-5-97060-140-2. (In Russ.).Ледяев А. П., Кавказский В. Н., Шелгунов О. О. Математическое моделирование аэродинамических процессов в железнодорожных тоннелях на высокоскоростных магистралях // Метро и тоннели. 2021. № 3. С. 40–43. EDN: GCQUMA.Lediaev A. P., Kavkazskiy V. N., Shelgunov O. O. Mathematical modeling of aerodynamic processes in railway tunnels on high-speed highways. Metro i Tonneli. 2021;3:40–43. EDN: GCQUMA. (In Russ.).Алферова Е. Л., Лугин И. В., Кияница Л. А. Моделирование возмущений воздушного потока при движении поездов в двухпутном тоннеле метрополитена // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2016. № 6. С. 5–14. EDN: WDZUHH.Alferova E. L., Lugin I. V., Kiyanitsa L. A. Simulation of airflow disturbances to movement of trains in double-track tunnel underground. Gornyy Informatsionno-Analiticheskiy Byulleten’. 2016;6:5–14. EDN: WDZUHH. (In Russ.).Каримов Д. Д. У. Управление аэроупругим взаимодействием подвижного состава с элементами искусственных сооружений тоннельного типа : дис. … канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2023. 134 с. EDN: HJBFFN.Karimov D. D. U. Upravleniye aerouprugim vzaimodeystviyem podvizhnogo sostava s elementami iskusstvennykh sooruzheniy tonnel’nogo tipa. Saint Petersburg, 2023. 134 p. EDN: HJBFFN. (In Russ.).Воробьев А. А., Ватаев А. С., Ватулин Я. С. [и др.]. Оценка динамики движения высокоскоростного подвижного состава // Техник транспорта: образование и практика. 2024. Т. 5, № 4. С. 437–444. doi: 10.46684/2687-1033.2024.4.437-444. EDN: SLVLDK.Vorobyov A. A., Vataev A. S., Vatulin J. S. [et al.]. Evaluation of the dynamics of high-speed rolling stock. Transport Technician: Education and Practice. 2024;5(4):437–444. doi: 10.46684/2687-1033.2024.4.437-444. EDN: SLVLDK. (In Russ.).Khayrullina A., Blocken B., Janssen W., Straathof J. CFD simulation of train aerodynamics: train-induced wind conditions at an underground railroad passenger platform. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2015;139:100–110. doi: 10.1016/j.jweia.2015.01.019.Khayrullina A., Blocken B., Janssen W., Straathof J. CFD simulation of train aerodynamics: train-induced wind conditions at an underground railroad passenger platform. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2015;139:100–110. doi: 10.1016/j.jweia.2015.01.019.Полякова Е. Я. Особенности аэродинамики подвагонного пространства высокоскоростного подвижного состава : дис. … канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2021. 150 с.Polyakova E. Ya. Osobennosti aerodinamiki podvagonnogo prostranstva vysokoskorostnogo podvizhnogo sostava. Saint Petersburg, 2021. 150 p. (In Russ.).Сладкова Л. А., Неклюдов А. Н. Динамика подвижного состава и выбор параметров гасителей колебаний // Мир транспорта. 2021. Т. 19, № 4 (95). С. 13–20. doi: 10.30932/1992-3252-2021-19-4-2. EDN: JYOTRB.Sladkova L. A., Neklyudov A. N. Dynamics of the Rolling Stock and the Choice of Parameters of Vibration Dampers. World of Transport and Transportation. 2021;19(4):13–20. doi: 10.30932/1992-3252-2021-19-4-2. EDN: JYOTRB. (In Russ.).Mengge Yu., Rongchao J., Qian Z. [et al.]. Crosswind Stability Evaluation of High-Speed Train Using Different Wind Models. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2019;32:40. doi: 10.1186/s10033-019-0353-7.Mengge Yu., Rongchao J., Qian Z. [et al.]. Crosswind Stability Evaluation of High-Speed Train Using Different Wind Models. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2019;32:40. doi: 10.1186/s10033-019-0353-7.Baker C. J. Keynote lecture — The flow around high speed trains. Proceedings of the BBAA VI Conference. Milano, 2008. Р. 34.Baker C. J. Keynote lecture — The flow around high speed trains. Proceedings of the BBAA VI Conference. Milano, 2008. Р. 34.Baker C. The flow around high speed trains. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2010;98(6):277–298. doi: 10.1016/j.jweia.2009.11.002.Baker C. The flow around high speed trains. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2010;98(6):277–298. doi: 10.1016/j.jweia.2009.11.002.Воробьев А. А., Ватулин Я. С., Ватаев А. С. [и др.]. Управление аэроупругим взаимодействием подвижного состава с элементами транспортной инфраструктуры : монография. Казань: ООО «Бук», 2025. 138 с. ISBN 978-5-00254-143-0. EDN: JNVEHB.Vorob’yev A. A., Vatulin Ya. S., Vatayev A. S. [et al.]. Upravleniye aerouprugim vzaimodeystviyem podvizhnogo sostava s elementami transportnoy infrastruktury. Kazan, 2025. 138 p. ISBN 978-5-00254-143-0. EDN: JNVEHB. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.