高速列車模型編組長度和風擋結構對氣動阻力的影響

黃志祥，陳 立，蔣科林

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心 空氣動力學國家重點實驗室，四川 綿陽 621000）

高速列車模型編組長度和風擋結構對氣動阻力的影響

黃志祥，陳 立，蔣科林

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心 空氣動力學國家重點實驗室，四川 綿陽 621000）

采用風洞試驗的方法，分別對高速列車試驗模型2～6車編組狀態(tài)下的各節(jié)車廂氣動阻力的分布規(guī)律，以及2種不同結構外形的風擋對3車編組列車模型各節(jié)車廂氣動阻力的影響進行了研究。結果表明：當編組長度大于3車，頭車、尾車的阻力系數(shù)隨編組長度的增加變化較小，中間車的阻力系數(shù)約為0.1。1節(jié)頭車＋N節(jié)中間車＋1節(jié)尾車的全車氣動阻力系數(shù)，可用3車編組模型試驗的頭車阻力系數(shù)＋0.1×N＋尾車阻力系數(shù)之和進行估算。高速列車風洞試驗模型分別采用風擋1和風擋2兩種風擋，只是使得氣動阻力在各節(jié)車廂之間形成不同的分配，對由各節(jié)車廂相加形成的全車氣動阻力的試驗結果影響很小。

高速列車；編組；風擋；氣動阻力；風洞試驗

0 引 言

隨著高速列車運行速度的提高，運行阻力越來越大，且運行速度越高，氣動阻力在總運行阻力中的比重越來越高［1－2］。因此，研究氣動阻力及減阻措施對于高速列車的節(jié)能降耗具有非常重要的意義。目前，研究高速列車氣動阻力的手段主要有風洞試驗、數(shù)值計算和實車路試。其中，風洞試驗是數(shù)值計算最常見的驗證依據(jù)提供者，也因為易于控制、可實現(xiàn)更多工況的研究而比實車路試更為方便和有效，因此，風洞試驗是目前高速列車氣動阻力最常用和有效的研究手段［3－4］。

在包括氣動阻力在內的高速列車空氣動力學風洞試驗研究中，由于風洞試驗模擬的特殊性，在實際研究過程中氣動阻力存在著受到模擬方式影響的問題。一是由于受到風洞試驗段尺寸尤其是長度的限制，通常采用短編組（國內通常采用3車編組）進行高速列車氣動阻力的模擬，而實際高速列車通常是6車、8車或16車編組。研究表明，氣動阻力與編組情況密切相關，因此，如何將短編組的氣動阻力結果推廣到長編組的氣動阻力是一個非常現(xiàn)實的問題［5－6］。二是研究人員通常需要分別獲得高速列車各節(jié)車廂（頭車、中間車和尾車）氣動阻力的分布，為此，在實際模擬過程中，試驗模型的各節(jié)車廂是相互獨立的單元，彼此分開，以實現(xiàn)對各個獨立單元氣動阻力的單獨測量，由此就帶來了各獨立單元之間風擋結構的模擬問題。風擋結構外形不同，對各獨立單元的氣動阻力的大小以及氣動阻力在各節(jié)車廂之間的分配具有非常明顯的影響，因此，如何對高速列車風洞試驗模型各節(jié)車廂之間的風擋結構和外形進行合理模擬，是高速列車氣動阻力風洞試驗研究中另一個非常重要和現(xiàn)實的問題。

采用風洞試驗的方法，研究不同編組長度和風擋結構對高速列車氣動阻力的影響規(guī)律，為高速列車氣動阻力的風洞試驗研究中面臨的上述問題提供適用、有效的工程方法。

1 試驗研究概況

1.1 試驗設備

試驗研究在中國空氣動力研究與發(fā)展中心8m×6m／12m×16m風洞第二試驗段進行。風洞試驗段寬8m，高6m，長15m，如圖1所示。試驗段安裝了列車試驗專用地板裝置。列車試驗地板裝置由5塊板拼接而成，地板上表面距風洞下洞壁1.06m，地板中間為直徑7m、可旋轉360°的轉盤，地板采用被動式邊界層吸除方式，可有效降低地板邊界層厚度。安裝列車試驗地板后，試驗段變?yōu)殚L16.1m、寬8m、高4.94m、有效截面積39.2m2。

圖1 8m×6m／12m×16m風洞結構圖Fig.1 Structure of 12m×16m／8m×6mwind tunnel

1.2 試驗模型

高速列車試驗模型比例分別為1∶8和1∶15，頭車和尾車流線型長度換算為實車約為12m，全車參考面積換算為實車約為9.5m2。1∶8模型為3車編組：頭車、1節(jié)中間車和尾車，模型總長度約9.7m。1∶15模型分別為2車編組（頭車＋尾車）、3車編組（頭車＋1節(jié)中間車＋尾車）、4車編組（頭車＋2節(jié)中間車＋尾車）、5車編組（頭車＋3節(jié)中間車＋尾車）、6車編組（頭車＋4節(jié)中間車＋尾車）。列車中間車無受電弓，3車以上編組的中間車是相同的，列車頭、尾外形完全相同。不同編組列車模型和各節(jié)車廂名稱標示如圖2。1∶15和1∶8列車模型各節(jié)車廂之間分別約有3和5mm的間隙，保證相互獨立，以實現(xiàn)各節(jié)車廂的單獨測力。

圖2 不同長度編組列車模型示意圖Fig.2 Different length of train formation of train models

列車模型通過連接件支撐在平地路基和軌道上，轉向架車輪下表面高度與軌道上表面高度相同，且列車模型與路基、軌道不接觸。路基中間部位固定在試驗段轉盤之上，兩端安裝有滑輪，整個列車模型和路基軌道可以隨轉盤同步轉動。平地路基和軌道模型長約14m，前后端伸出列車頭車、尾車的長度不小于2m。

1.3 研究內容

為了研究高速列車模型在不同編組長度狀態(tài)下各節(jié)車廂的氣動阻力分布規(guī)律，對于1：15模型，分別進行2車編組、3車編組、4車編組、5車編組和6車編組在試驗側偏角為0°（無側風）、試驗風速30～65m／s的條件下各節(jié)車廂的氣動阻力測量試驗。為了研究不同風擋結構對列車模型氣動阻力的影響，對1∶8模型在3車編組狀態(tài)下分別采用了兩種風擋結構，在試驗風速為60m／s、試驗側偏角0°～30°的條件下進行各節(jié)車廂氣動阻力的測量試驗。在風擋1的外形結構中，其高度約為314mm，一半厚度約為28mm，且相鄰兩節(jié)車廂外風擋表面形成對稱的內凹，收縮角約為22.5°；在風擋2的外形結構中，除了采用嵌套結構外，相鄰兩節(jié)車廂外風擋表面是平直過渡的。兩種風擋結構如圖3和4所示。

圖3 風擋結構1Fig.3 Vestibule diaphragm structure 1

圖4 風擋結構2Fig.4 Vestibule diaphragm structure 2

1.4 研究方法

試驗采用多天平分別對高速列車模型各節(jié)車廂同時測量氣動力的方案，測量氣動力的盒式六分量應變天平位于模型各節(jié)車廂空腔內，如圖5所示。列車模型各節(jié)車廂分別單獨測量氣動力。

圖5 試驗模型內部安裝的天平Fig.5 The balance installed in testing model

高速列車模型全車的氣動阻力為各節(jié)車廂氣動阻力之和。例如，3車編組全車氣動阻力＝頭車氣動阻力＋中間車氣動阻力＋尾車氣動阻力。

2 研究結果和分析

2.1 不同編組長度對氣動阻力的影響

圖6和表1分別給出了1∶15模型的2～6車編組狀態(tài)下列車模型各節(jié)車廂氣動阻力系數(shù)試驗結果的比較。

從圖6和表1的試驗結果可以看出，不同編組長度列車模型各節(jié)車廂的阻力系數(shù)基本是隨著風速的增加略有變化，且試驗風速大于40m／s后，氣動阻力系數(shù)隨試驗風速的增加變化很小，基本趨于穩(wěn)定。

圖6 不同編組列車的各節(jié)車廂氣動阻力結果比較Fig.6 Comparison of aerodynamic drag results of each car of different train formation

在2～6車編組狀態(tài)下，在相同的試驗風速時，不同編組長度列車的頭車阻力系數(shù)約為0.11左右，不同編組狀態(tài)下頭車的阻力系數(shù)差異很小。當編組長度為3車及以上時，第1節(jié)中間車的阻力系數(shù)約為0.08左右，其中3車編組的第1節(jié)中間車（僅有1節(jié)中間車）阻力系數(shù)略大于0.08，比其它編組的第1節(jié)中間車阻力系數(shù)略大，但4～6車編組的第1節(jié)中間車的阻力系數(shù)差異較小，且略小于0.08。這可能是因為3車編組的第1節(jié)中間車后緊鄰尾車，受尾流影響比4～6車編組的第1節(jié)中間車（其后緊鄰等截面中間車）大，因此阻力系數(shù)偏大。當編組長度為4～6車時，第2節(jié)中間車的阻力系數(shù)約為0.10，且隨編組長度的增加變化很小。當編組長度為5～6車時，第3節(jié)中間車的阻力系數(shù)約為0.10，同樣隨編組長度的增加變化很小。當6車編組時，第4節(jié)中間車的阻力系數(shù)約為0.10，與第3節(jié)中間車的阻力系數(shù)基本接近。在2～6車編組狀態(tài)下，2車編組的尾車阻力系數(shù)約為0.17，3～6車編組的尾車阻力系數(shù)約為0.18，即2車編組的尾車阻力系數(shù)稍小于3車及以上編組的尾車阻力系數(shù)。

表1 不同編組列車的各節(jié)車廂氣動阻力結果比較Table 1 Comparison of aerodynamic drag results of each car of different train formation

由此可見，當風速條件相同，在不同長度的編組狀態(tài)下，頭車的氣動阻力基本變化很小，即不同長度的編組對頭車阻力影響很小。當編組長度大于3車，第1節(jié)中間車的阻力系數(shù)比其它中間車的阻力系數(shù)略小，第1節(jié)中間車之后的其它中間車阻力系數(shù)差異較小。3車及以上編組狀態(tài)下的尾車阻力系數(shù)略大于2車編組的尾車阻力系數(shù)，而且，當編組長度不少于3車（即中間車不少于1節(jié)），則尾車阻力系數(shù)隨編組長度的增加略有變化，但變化很小。因此，根據(jù)上述編組長度對阻力試驗結果的影響規(guī)律可以推測，在沒有受電弓的狀態(tài)下，1節(jié)頭車＋N節(jié)中間車＋1節(jié)尾車的全車氣動阻力系數(shù)可以用3車編組試驗的頭車阻力系數(shù)＋0.1×N＋3車編組試驗的尾車阻力系數(shù)進行估算。從而用工程方法初步解決了短編組風洞試驗的氣動阻力結果推廣到長編組全車氣動阻力的問題。

2.2 不同風擋結構對氣動阻力的影響

表2給出了1∶8模型在不同風擋結構狀態(tài)下試驗風速為60m／s的各節(jié)車廂氣動阻力系數(shù)試驗結果的比較。

從表2的數(shù)據(jù)比較可以看出，在0°側偏角（無側風）下，安裝風擋1的頭車、中間車、尾車和全車的阻力系數(shù)分別約為0.09、0.075、0.21和0.38，安裝風擋2的頭車、中間車、尾車和全車的阻力系數(shù)分別約為0.12、0.076、0.18和0.38。即風擋1狀態(tài)的頭車阻力系數(shù)比風擋2的小，中間車阻力系數(shù)與風擋2的接近，尾車阻力系數(shù)比風擋2的大，全車阻力系數(shù)與風擋2的接近。這是因為采用風擋1之后，相鄰兩節(jié)車廂外風擋表面形成對稱的內凹外形，氣流從前向后流動至此后受到內凹風擋向下的誘導，進入兩節(jié)車廂（頭車與中間車、中間車與尾車）風擋處的縫隙空腔內，在空腔內形成一個類似彈簧產生的作用力，分別作用在形成空腔的前后兩節(jié)車廂上，使前車廂阻力減小，后車廂阻力增大，即頭車阻力減小，尾車阻力增大，中間車因為前后分別受到一個向后和向前的作用力，互相抵消，因而阻力變化很小。

表2 不同風擋結構的列車各節(jié)車廂氣動阻力結果比較Table 2 Comparison of aerodynamic drag results of each car of different structure of vestibule diaphragm

當側偏角不為0°時，在相同的試驗側偏角下，同0°側偏角類似，風擋1的頭車阻力系數(shù)比風擋2的小，中間車阻力系數(shù)與風擋2的差異較小，尾車阻力系數(shù)比風擋2的大，全車阻力系數(shù)與風擋2的接近。

由此可見，高速列車風洞試驗模型采用上述兩種風擋結構，只是使得氣動阻力在各節(jié)車廂之間形成不同的分配，對由各節(jié)車廂相加形成的全車氣動阻力的試驗結果影響很小。但是，從氣動阻力在各節(jié)車廂的分配合理性上來說，風洞試驗中的模型建議還是采用風擋2結構。主要原因有兩點：一是風擋1對車身表面流經風擋處的氣流進行導流而形成干擾，從而放大了各節(jié)車廂風擋間隙的影響。盡管風擋1向內收縮的外形結構在一定程度上與高速列車實車近似，然而，高速列車實車相鄰兩節(jié)車廂的（外）風擋是緊密連在一起的，之間并沒有縫隙。而高速列車試驗模型為了實現(xiàn)對各節(jié)車廂氣動力的獨立測量，在風洞試驗研究過程中，必須保證各節(jié)車廂之間相互獨立，互不干涉，于是人為地將各節(jié)車廂分離開，使得相鄰兩節(jié)車廂風擋處保持一定距離的間隙（1∶8模型的間隙約為5mm），這是高速列車多編組模型風洞試驗目前無法避免的一個固有問題；二是風擋1使得頭車與中間車的阻力系數(shù)更接近而不太合理，因為從高速列車各節(jié)車廂實際氣動力的形成和分配來看，頭車的氣動阻力主要由壓差阻力和摩擦阻力構成，中間車的氣動阻力主要由摩擦阻力構成，頭車氣動阻力明顯比中間車氣動阻力大才更合理［7］。而采用風擋2結構，尾車的氣動阻力最大，中間車的氣動阻力最小，頭車的氣動阻力明顯比中間車的大，這種氣動阻力分配規(guī)律得到了大量高速列車模型表面壓力測量的風洞試驗結果的驗證。

3 結 論

通過風洞試驗的方法，研究了不同編組長度和風擋結構對高速列車氣動阻力的影響規(guī)律，得到了以下結論：

（1）對于不同編組長度的高速列車模型，不同編組長度對頭車阻力的影響很小；當編組長度大于3車，第1節(jié)中間車的阻力系數(shù)比其它中間車的阻力系數(shù)略小，且其它中間車阻力系數(shù)差異較小；2車編組的尾車阻力系數(shù)稍小于3車及以上編組的尾車阻力系數(shù)，3車及以上長度編組的尾車氣動阻力隨編組長度的增加變化很小。

（2）1節(jié)頭車＋N節(jié)中間車＋1節(jié)尾車的全車氣動阻力系數(shù)，可用3車編組模型試驗的頭車阻力系數(shù)＋0.1×N＋尾車阻力系數(shù)進行估算。

（3）在相同的試驗側偏角下，風擋1狀態(tài)下的頭車阻力系數(shù)比風擋2狀態(tài)下的小，中間車阻力系數(shù)與風擋2狀態(tài)下的差異較小，尾車阻力系數(shù)比風擋2狀態(tài)下的大，全車阻力系數(shù)與風擋2狀態(tài)下的接近。

（4）高速列車風洞試驗模型分別采用風擋1和風擋2兩種風擋，只是使得氣動阻力在各節(jié)車廂之間形成不同的分配，對由各節(jié)車廂相加形成的全車氣動阻力的試驗結果影響很小。從高速列車各節(jié)車廂氣動力分配合理性的角度出發(fā)，風洞試驗模型建議采用風擋2結構。

［1］梁習鋒，田紅旗，鄒建軍.動力車縱向氣動力風洞試驗及數(shù)值模擬［J］.國防科技大學學報，2003，25，（6）：101－105.

［2］李明.高速列車空氣動力性能風洞試驗研究方法［D］.南京航空航天大學，2001.

［3］田紅旗.列車空氣動力學［M］.北京：中國鐵道出版社，2007.

［4］田紅旗，高廣軍.270km·h－1高速列車氣動性能研究［J］.中國鐵道科學，2003，24（2）：14－18.

［5］田紅旗.列車編組方式對運行空氣阻力的影響［J］.機車電傳動，2000，7（4）：9－11.

［6］張健.降低鐵路專用平車空氣阻力的試驗研究［J］.鐵道車輛，2000，38（6）：1－3.

［7］HEINE C，MATSCHKE G.The influence of the nose shape of high speed trains on the aerodynamic coefficient［C］.World Congress on Railway Research，Germany，2001.

黃志祥（1980－），男，湖北黃陂人，助理研究員。研究方向：車輛空氣動力學。通訊地址：四川省綿陽市中國空氣動力研究與發(fā)展中心 （621000），E－mail：xjtu331hzx＠163.com

Influence of length of train formation and vestibule diaphragm structure on aerodynamic drag of high speed train model

HUANG Zhi－xiang，CHEN Li，JIANG Ke－lin
（State Key Laboratory of Aerodynamics，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang Sichuan 621000，China）

The wind tunnel test is carried out to study the distribution regularity of aerodynamic drag of each car of the high speed train models from 2－car to 6－car formation，and the affect of 2types of vestibule diaphragm structure on aerodynamic drag on each car of the train model under 3－car formation.The results indicate：while the train formation is more than 3，the changes of drag coefficients of head car and tail car are little with increase of the number of train formation，and the drag coefficients of middle cars are about 0.1.The drag coefficient of entire train under the formation of 1head car plus N middle cars plus 1tail car could be estimated by sum of 1head car plus 0.1×N plus 1tail car drag coefficient results of 3－car formation.The different distributions of aerodynamic drag among each car of the high speed train model are caused by two different types of vestibule diaphragm 1and 2，but the affect of vestibule diaphragm structure on aerodynamic drag of the entire train is small.

high speed train；train formation；vestibule diaphragm；aerodynamic drag；wind tunnel test

V211.74

A

1672－9897（2012）05－0036－06

2011－09－20；

2012－02－20