0 引言随着高速列车运行速度的不断提高，列车的空气动力学问题越显突出。由于列车的运行阻力随速度的提高而迅速增加，当列车运行速度达到300 km/h时，空气阻力占全部阻力的80%左右，因此降低列车空气阻力成为提高高速列车运行速度及节约能耗的一项最有效措施[1]。高速列车的周围流场属于高湍流度的流动[2]，高速列车的头部、尾部、底部、车辆连接部位以及尾流区域是旋涡产生的主要位置，也是影响列车气动性能的主要位置。在高速列车气动性能研究方法中，风洞试验是最主要的研究手段。由于它既可为数值计算提供验证依据，且试验条件易于控制，能开展更多优化方案或工况的研究，在高速列车气动性能研究方面具有不可或缺的作用[3-7]。本文正是通过风洞试验的方法，在列车空气动力学性能研究的基础上进行整车结构外形的优化设计，从而达到降低列车阻力的目的。高速列车的流线型头型是列车减阻设计及改善列车气动性能的重要部位[7-11]，但当整体造型及长细比区间确定后，通过局部优化头型带来的减阻效果是有限的。现有文献中，有很多对车头流线型造型、空调导流罩、受电弓导流罩及裙板等部位的优化设计及试验验证[12-16]，但对列车转向架区域、车端风挡区域及车底排障器导流罩区域等的减阻技术研究较少。即使有一些理论分析及研究，但均未进行细致的减阻优化设计、试验研究及应用。 1 理论分析列车在明线直线行驶时的阻力构成为机械阻力和空气阻力。列车运行阻力的计算公式为：  式中，R为列车运行总阻力，N；V为列车相对静止空气的速度，m/s；A为滚动机械阻力，N；B1为其他机械阻力系数，包括传递损耗和刹车阻力系数；B2为空气动量阻力系数，包括发动机的热力循环与冷却和空调等工作过程中需要吸入大量的空气；C为空气阻力系数。 对高速列车整车阻力的研究及试验表明，当运行速度达到 300 km/h时，空气阻力占总阻力的80%以上，其中转向架区域的气动阻力约占40%，车顶包括空调、受电弓等区域的气动阻力约占20%，车端连接等区域的气动阻力约占20%。因此，进行高速列车减阻设计应重点开展转向架区域、车端连接区域及车底排障器导流罩区域，并通过风洞试验的方法验证不同外形优化设计方案的减阻效果。 2 试验设备与模型此试验在四川绵阳8 m×6 m风洞第二试验段进行，列车试验模型的比例为1∶8，编组方式为3节编组。模型制作时考虑了轻量化的要求，在保证模型刚度的情况下使质量尽可能低，以减小模型振动效应带来附加力矩的影响。同时，使模型的重心与天平中心重合，以保证测试精度和减小模型振动。轨道、路基及模型安装均执行EN 14067-2009标准。列车模型试验采用专用六分量盒式应变天平，对列车模型的头车、中间车和尾车同时进行气动力和力矩的测量，测力天平位于模型的内腔。列车模型的金属框内部焊有天平连接板，天平通过支座与轨道连接，每个车厢模型都通过天平与支撑座相连。为了实现列车模型的头车、中间车和尾车的单独测力，并避免侧风通过缝隙造成流场模拟失真，在各自独立的测力单元之间采用了嵌套结构。列车模型表面测压孔的压力通过细钢管引出，并用细塑料管引入电子扫描阀进行测量。列车模型的测压点分布在其头部和尾部，在模型表面曲率较大的位置测压点分布较密，在模型表面曲率较小的位置测压点分布则较稀。图1所示为风洞试验模型与测力天平实物。 稳定持续的炉火让锅内的食材相互交融、变化，随之升起腾腾的香气。家人围坐在一起，说说笑笑，让所有的情绪都可以安放在一边，与陪伴自己的人随意倾诉，享受真真实实的幸福。 3 试验内容及数据采集方法试验内容主要针对转向架区域的倾斜导流板和平直导流板方案、车端连接区域有无外风挡方案及排障器导流罩有无台阶方案进行专项测试研究。试验中保持速压稳定；测力试验数据的采样时间为5 s，采样频率每通道为500 Hz；测压试验数据由电子扫描阀系统采集，采样前延时10 s，采集时间为5 s，每个测压点采集256次后取平均值。正式试验前，对设备进行重复性测试，检验其测试精度满足试验要求。列车模型的测力轴系示意图如图2所示。 ④寒武系娄山关组（Є3-4l）：下部灰色—浅灰色厚层状粉—细晶白云岩，灰—浅灰色厚层变晶假鲕粒白云岩，灰色—浅灰色厚层泥晶—亮晶砂砾屑白云岩。夹浅灰色中—厚层纹层状粉细晶白云岩。厚度52.7～320.4 m。中部夹灰—深灰色薄—中厚层纹层状泥质白云岩。厚度0～15 m。上部灰色厚—巨厚层状亮晶砂砾屑白云岩，夹灰色厚层状细—中晶白云岩，局部夹灰色中—厚层纹层状细晶白云岩及姜状白云岩，鲕粒白云岩等。厚度大于200 m。  图1 风洞试验模型与测力天平实物  图2 列车模型的测力轴系示意图 4 试验结果分析4.1 转向架区域减阻分析转向架区域减阻除裙板外主要包括转向架的前后整流底板。转向架区域结构复杂、流场紊乱，气流在此区域形成低速涡流，这会增加车辆部件表面的摩擦阻力和前后部件的压差阻力。图3所示为2种底部导流板方案。增加底部导流板，有效地限制了车底气流流动的区域，使气流形成“死水”区，从而降低了车辆部件的表面摩擦阻力和前后压差阻力。试验结果表明，倾斜底部导流板和平直底部导流板相对于无罩板分别减阻1.8%和3.4%。这也说明转向架区域的空间越小，减阻效果越好。  图3 2种底部导流板方案 4.2 车端连接区域减阻分析两车连接处的阻力主要是由于气体进入该区域形成涡流，涡流在此产生摩擦阻力和压差阻力。通过对车辆间连接区域气动外形的优化设计，给相邻车辆的连接区域增加外风挡结构，将车体连接部分的外表面延伸，使得两车体外表面的间距缩小，这样车体表面气流直接冲刷过去，可有效阻止气流进入车辆的连接区域，并减弱气流分离，以及气流冲击端墙表面的强度，从而减小车辆表面的空气摩擦阻力和前后压差阻力，达到减阻的效果。图4中对有无风挡方案进行了试验对比，发现增加外风挡可减阻1.9%。  图4 有无外风挡方案 4.3 车底排障器导流罩区域减阻分析车底排障器导流罩可以减少前方的气流进入列车底部，并将车头前方的气流导向两侧，从而减小车辆底部的空气阻力。为尽量减少进入车辆底部的气流，优化设计了有无台阶2种车底排障器导流罩方案（图5），并在试验中进行对比分析其减阻效果。图5中，无台阶导流罩比有台阶导流罩减阻效果好，可减阻2.1%。其主要原因是无台阶导流罩方案距离轨面近，使车辆底部的空腔区域更小，进入车底的气流越少，气流的摩擦阻力和压差阻力就越小，减阻效果也越好。实际上，导流罩前端和两侧的外形均对列车底部阻力有不同影响，其方案待后续试验研究。 公元前200年的冬天，汉高祖刘邦在白登山（今山西大同境内）被匈奴骑兵围困了七天。据说，他最后依靠贿赂冒顿（）单于（）的妻妾才得以解围逃脱。  图5 有无台阶导流罩方案 5 结论本文基于减小列车空气阻力的理论分析及试验经验，通过对高速列车转向架区域、车端区域及车底排障器导流罩区域进行外形优化设计，并进行不同优化方案的对比分析，从整体上改善了列车的空气动力学性能，为节能减阻提供了可靠的试验依据。基于高速列车模型3节车编组方式进行减阻试验对比，各区域优化减阻比例依次为：转向架区域减阻3.4%、车端连接区域减阻1.9%、车底排障器导流罩区域减阻2.1%。该研究结果及方案将通过在现有列车的实际应用中进一步验证其减阻效果。 参考文献 [1]田红旗.中国高速轨道交通空气动力学研究进展及发展思考[J].中国工程科学，2015（4）：30-41. [2]梁习锋，田红旗，邹建军.动力车纵向气动力风洞试验及数值模拟[J].国防科技大学学报，2003，25（6）：101-105. [3]黄志祥，陈立，蒋科林.高速列车空气动力学特性的风洞试验研究[J].铁道车辆，2011，49（12）：1-5. [4]黄志祥，陈立，蒋科林，等.高速列车模型风洞试验数据的影响因素分析[J].铁道学报，2016，38（7）：34-39. [5]杨明智，袁先旭，鲁寨军，等.强侧风下青藏线列车气动性能风洞试验研究[J].实验流体力学，2008，22（1）：76-79． [6]OWEN F K，OWEN A K.Measurement and assessment of wind tunnel flow quality[J].Progress in Aerospace Sciences，2008，44（5）：315-348. [7]BAKER C J，JONES J，LOPEZ-CALLEJA F，et al.Measurement of the cross wind forces on trains[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2004，92（7/8）：547-563. [8]肖京平，黄志祥，陈立.高速列车空气动力学研究技术综述[J].力学与实践，2013，35（2）：1-12. [9]张亚东，张继业，李田.高速列车气动噪声贡献量分析[J].交通运输工程学报，2017，17（4）：78-88. [10]李明，李明高，刘楠，等.超高速动车组新头型方案设计与验证[J].机车电传动，2016（6）：35-38. [11]黄志祥，陈立，蒋科林.高速列车减小空气阻力措施的风洞试验研究[J].铁道学报，2012，34（4）：16-21. [12]于淼，石俊杰，耿亚彬，等.列车气动阻力风洞试验研究[J].铁道机车车辆，2017，37（2）：50-52，71. [13]朱海燕，张翼，赵怀瑞，等.基于边界层控制的高速列车减阻技术[J].交通运输工程学报，2017，17（2）：64-72. [14]张在中，周丹.不同头部外形高速列车气动性能风洞试验研究[J].中南大学学报（自然科学版），2013，44（6）：2603-2608. [15]BAKER C.The flow around high speed trains[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2010，98（6/7）：277-298. |
|
|
