國內外高速列車空氣動力學研究概況

申鵬

摘 要：隨著我國高速鐵路的快速發展，空氣動力對列車運行影響越發明顯。論文介紹了國內外高速列車空氣動力學研究現狀。分析了車身、側墻、裙板、擋板及轉向架布置的壓力測點，以及國內兩個權威測試機構的測試系統和數據分析系統。對工程研究具有一定的推動作用。

關鍵詞：高速 空氣動力學 壓力測點 數據分析

中圖分類號：TG142 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（c）-0008-02

Abstract：With the rapid development of China high-speed railway，Aerodynamic influence on the trains run more obvious.This paper introduces the research statusof domestic and foreign high-speed train aerodynamics.Analysis pressure measuring point including body， side walls，apron，baffle and bogie layout.Describe test system and data analysis system of two domestic authoritative testing organizations. Engineering research has a certain role.

Key Words：speed，aerodynamics，pressure measuring point， data analysis

1 國內外研究現狀

德國進行了Mühlberg（D）隧道現車試驗；NewNuremberg-Ingolstadt高速線上完成了微氣壓波的測量；Steinruck等人利用可壓縮非定常不等熵流動模型模擬了德國ICE列車會車壓力波波動規律。

意大利F.Cheli等采用數值仿真和風洞試驗的方法研究了給定風場作用于鐵路車車體的空氣動載荷及其相應的車輛響應。

自20世紀70年代開始，英國學者Woods，Vardy等人根據可壓縮非定常不等熵流動模型和廣義黎曼變量特征線法發展了單列車通過簡單結構隧道過程的壓力波計算方法；英國AEA鐵路研究機構建造的縮尺1/25動模型的最高發射速度已達305km/h；Gawthorpe進行了大量的明線和隧道內現車試驗[1-2]。

瑞典采用計算了ICE2型車的周圍流場，并和ICE2型車的風洞試驗數據對比，同時也做了X2000的風洞試驗。

WilliamLouis采用一維模型對有密封的高速列車通過隧道時車內外壓力波進行了研究；法國國營鐵路公司在Rilly-laMontagne隧道進行了單車實車試驗，在Bachees隧道進行了會車實車試驗。

20世紀，日本在新干線上進行了隧道壓力波、隧道出口微氣壓波、氣動阻力及橫風作用的現車試驗測量；近年來日本學者使用三維流動模型對隧道入口波、出口波、微氣壓波以及結構波進行了數值模擬研究。

C.J.Baker在風洞模擬與實車試驗方面所做的出色研究。Baker教授研究了側風環境下，作用在各種不同類型車輛上的穩態和瞬態氣動力，建立了一個統一的分析框架。為了確定獲得信息的可靠性，對于不同的車輛參數，開展了一系列大規模的實車試驗。另外，為了建立一種魯棒性好的風洞測試方法，開展了一系列的風洞試驗，在試驗中，盡可能準確的模擬實驗場所的風特性。

隨著Tokaido-Sanyo線上新干線列車最高運營速度的提高，車體橫向振動加劇，乘坐舒適性惡化。對這一現象，日本開展了一系列實車試驗，發現：（1）隧道內列車的橫向振幅比明線上大；（2）從頭車到尾車，振動依次加劇；（3）相應于車體的其他運動，車體搖頭運動顯得更加突出。軌道不平順、蛇行運動和空氣動力作用被認為可能是導致這個現象的原因。

西南交通大學建立了水槽模型試驗臺；中南大學建立了動模型試驗系統[3-4]。

隧道壓力波的試驗研究可分為兩類：現車試驗和縮尺模型試驗。在國外，許多研究組織和研究者進行了一系列現車試驗，對列車通過隧道時誘發的隧道壓力瞬變和速度變化等進行了現場測試，主要工作在歐洲和日本。縮尺模型試驗可分為以空氣為介質和水為介質兩種。以空氣為介質的隧道壓力波試驗一般采用彈射裝置和模型隧道來完成。

2 壓力測點分布

根據理論分析、數值模擬及風洞試驗，進行列車表面的壓力分布研究。在車身、側墻、裙板、擋板及轉向架布置適宜的壓力測點，以得到完整的壓力分布。通過對列車表面壓力分布的研究，對其時域特性進行計算處理，從而分析出壓力場頻譜特性。

測點布置原則：依據數值模擬及風洞試驗的結果，優化測點布置方案，以得到車身表面壓力分布。

頭車測點主要布置在列車的一側，在另外一側布置少量測點，主要用于驗證測點數據的準確性，以及考慮橫風作用下，或列車過隧道時壓力不對稱的情況。在列車頭部導流板附近布置較多測點，以獲得頭車壓力分布，流線型部分可布置少量測點，在頭車流線型部分和車體的過渡處，由于壓力梯度較大，應布置較多測點。在車頭車車窗附件，應布置系列測點。

在轉向架空腔內的底板及擋板處，布置系列測點，以得到轉向架處的壓力分布。同時，考慮到地面效應的影響，應在轉向架構件上布置少量測點。轉向架空腔內氣流復雜，轉向架構件的測點不宜過多。

在列車裙板的內側及外側，均應布置適量測點，已得到裙板處的壓力分布。為分析地面效應的影響，裙板內側也應布置測點，測點數量可小于裙板外側，在靠近轉向架空腔附近的裙板，應增加測點數量。

在列車側墻處，應按照壓力梯度的變化規律，布置系列測點，轉向架空腔上方的側墻，應增加測點數量。車身壓力分布較均勻的部分，應減少測點數量。同時，在車窗附近布置系列測點，分析車窗附近的壓力分布。endprint

綜上所述，壓力測點根據列車表面壓力梯度及流場呈網狀布置，以得到壓力分布。分別從頭車、駕駛室車窗、頭車兩側導流裝置、流線型的過渡部分、轉向架構件、轉向架空腔、擋板、列車底板、裙板、側墻等方面考慮壓力測點的布置，以得到完整的列車表面壓力分布。同時，測點布置應兼顧分析地面效應及為其他研究方向提供基礎數據。

3 測試系統

3.1 鐵科院測試系統

檢測系統由傳感器、imc集成測控數采系統、GPS及計算機等部分組成。各傳感器將測得的壓力信息將imc集成測控數采系統放大、AD/DA轉換后記錄在計算機中進行處理，GPS用于確定標準時間。除了壓力傳感器外，檢測系統的其他設置全部放在列車內部進行數據采集和處理。

3.2 西南交通大學測試系統

整個測試系統由傳感器、多芯屏蔽信號線、放大器、A/D轉換器、觸發器、GPS及計算機等部分組成。各傳感器將測得的壓力信息經放大器、AD/DA轉換記錄在計算機中進行處理，GPS用于測量列車的速度。

4 傳感器的選擇

車外傳感器的選擇應以測量精度高、對流場影響小為原則。目前廣泛采用的是ENDEVCO公司生產的壓阻式傳感器8515C-15。該傳感器體積小，直徑6.35 mm，厚度只有0.76 mm；因其很薄，對流動影響小；靈敏度高，全刻度范圍為1bar頻率響應高。

車內空氣流動速度很慢，整個車廂內部空氣壓力分布變化不大，因此對傳感器尺寸要求不是很高，但車廂內部壓力變化范圍較小，需采用小量程的差壓傳感器。車廂內壓力變化測量采用江蘇昆山雙橋傳感器有限公司生產的CYG511型壓差式壓力傳感器，該傳感器尺寸為Ф10 mm×3 mm，傳感器量程為±2.5 kPa，靜態精度為0.5%Fs，動態響應頻率為0～3 kHz。

5 數據分析

數據分析的整體思路在于，確定一個采樣頻率，確定采樣頻率首先要考慮，噪聲、輪軌振動等因素給氣動壓力帶來的干擾，需要確定干擾頻率的大小，來選擇采樣頻率。時域壓力測定完畢后，應用數學計算軟件MATLAB進行時域信號向頻域信號的轉換。主要的數學思想是：傅里葉變換。

如果采樣頻率過大，會包含大量的干擾成分，如果采樣頻率過低會將壓力信號的主頻幅值濾除，這樣如何取得一個合適的采樣頻率是關鍵問題。求取各測點的頻域特性后，分析測點的主頻、幅值等參數，為輪軌、噪聲等學科提供基礎數據。

6 結語

隨著我國高速鐵路的快速發展，空氣動力對列車運行影響越發明顯。該文介紹了國內外高速列車空氣動力學研究現狀。分析了車身、側墻、裙板、擋板及轉向架布置的壓力測點，以及國內兩個權威測試機構的測試系統和數據分析系統。對工程研究具有一定的推動作用。

參考文獻

[1] 馮志鵬.高速列車氣動性能與外形設計[D].西南交通大學，2011.

[2] 劉加利.高速列車氣動噪聲的理論研究與數值模擬[D].西南交通大學，2009.

[3] 楊吉忠，翟婉明，畢海權.橫風環境下鐵路車輛振動響應分析[J].系統仿真學報，2010，22（9）：2080-2084.

[4] 李田.高速列車流固耦合計算方法及動力學性能研究[D].西南交通大學，2012.endprint