快速地鐵車輛氣動效應及車輛設計參數分析

唐聞天 王麗麗

(1. 上海軌道交通檢測技術有限公司，200434，上海；2.中車大連機車車輛有限公司， 116022，大連//第一作者，工程師)

目前，伴隨我國城鎮化水平的提高，以及鐵路跨線聯運方案的不斷提出，部分城市對地鐵列車運行速度提出了更高的要求，快速地鐵車輛逐漸涌現。盡管地鐵列車的速度沒有高速鐵路那么快，但地鐵隧道阻塞比(一般在0.45左右)相對高速鐵路卻要大很多。從高速鐵路隧道空氣動力學的研究[1]來看，快速地鐵車輛將會產生比較明顯的隧道空氣動力學效應。因此，有必要對快速地鐵車輛運行時的空氣動力效應開展深入研究，分析空氣動力效應對地鐵車輛設計參數的影響。

1 快速地鐵車輛的定義

目前，尚未有對快速地鐵車輛的統一定義，我國現行的《地鐵設計規范》也僅考慮運行速度不超過100 km/h的地鐵車輛。本文參考我國鐵路列車速度劃分標準，將地鐵車輛按如下速度等級劃分(見表1)。

表1 地鐵車輛速度等級劃分

2 快速地鐵車輛氣動效應分析

地鐵列車在區間隧道中運行時，由于空氣流動受到隧道及車體的限制以及空氣的可壓縮性，空氣壓強驟然增大，從而形成壓縮波并向周圍傳播，引起隧道內部及列車車體表面的壓力產生變化，進而壓力波動傳播到車內。這種壓力波的傳播可引發如下問題：列車前后的空氣壓差及空氣與車輛表面的摩擦形成空氣阻力；隧道壓力波動引起車廂內壓力突變，導致乘客的不良反應；產生噪聲，引起車內乘客耳膜壓痛等。

2.1 空氣阻力

列車在行駛過程中的阻力分為空氣阻力和行駛阻力。當列車低速行駛時，行駛阻力占首要位置，空氣阻力對列車行駛的影響不大。但隨著列車速度的提高，列車的空氣阻力也隨之快速增加，根據國外學者研究，當列車速度為160 km/h時，空氣阻力占總運行阻力的60%[2]。 列車在隧道內運行時受到的空氣阻力比其在明線上運行要大好幾倍。隧道內列車空氣阻力的主要影響因素包括列車速度、阻塞比、列車長度等。

2.2 壓力波動

列車在通過隧道時，由于隧道壁對空氣的限制，發生空氣動力學現象的強度較明線環境下強烈得多，因此，列車在隧道中行駛就像活塞在氣缸中高速運動一樣，使列車周圍的空氣處于瞬變狀態。列車車頭推開的空氣被迫在隧道中高速運動，大量空氣被推向前方，少量的空氣通過列車與隧道壁的間隙流向列車后方，形成空氣壓力波[3-5]。隧道中空氣壓力波的特性與隧道和列車兩方面的因素密切相關，阻塞比及列車運行速度是影響隧道中空氣壓力波最重要的兩個因素。

2.3 氣動噪聲

地鐵列車氣動噪聲主要是因為地鐵列車車體表面出現空氣流中斷所產生的渦流導致。根據其性質不同，可以把噪聲源分為兩類：結構體表面流體產生的噪聲；紊流產生的噪聲[6]。氣動噪聲與列車的行駛速度、車體表面的粗糙程度，以及車體前端是否流線化等因素有關。氣動噪聲不僅會引起環境污染，還會造成結構疲勞和破壞。由于受到較小且連續隧道斷面封閉空間的影響，地鐵列車噪聲的傳遞、衰減機理與鐵路列車存在很大差異。

3 快速地鐵車輛氣動設計參數分析

3.1 車體斷面面積

3.1.1 車體斷面面積與空氣阻力的關系

列車的空氣阻力與車體斷面面積近似成線性增大關系，如圖1所示。車體斷面設計過程中，在保證乘座空間及設備安裝要求的前提下，應盡量控制車體斷面面積，以便盡可能降低列車空氣阻力。

圖1 車體斷面面積與空氣阻力的關系

3.1.2 車體斷面面積與車內壓力的關系

列車的空氣壓力波幅值與車體斷面面積成1.3±0.25次方關系增加，如圖2所示。列車運行速度越高，車體斷面面積對壓力波幅值的影響越為顯著。在車體斷面輪廓設計過程中，在車頂和側頂采用圓弧優化，并采用鼓形側墻，有利于降低壓力波，提升橫風氣動性能。

圖2 車體斷面面積與空氣壓力波的關系

3.1.3 車體斷面面積與氣動噪聲的關系

隨著車體斷面面積增加，車身表面氣動噪聲源面積增大，進而導致列車氣動噪聲增加，如圖3所示。但列車氣動噪聲與車體斷面面積之間的具體關系，還需進一步研究。在車體斷面設計過程中，應使斷面輪廓具有盡可能高的流線化程度，這樣可使得氣流流動更為平順，有利于降低氣動噪聲。

圖3 車體斷面面積與氣動噪聲的關系

3.2 列車速度

3.2.1 列車速度與空氣阻力的關系

列車速度與空氣阻力的擬合曲線呈現出二次拋物線形狀，即空氣阻力與車速的平方成正比[7](如圖4所示)。當運行速度達到140 km/h時，列車的空氣阻力將是運行速度為80 km/h時的3倍多。因此，車輛設計時需采取必要的措施，以降低列車的空氣阻力。

圖4 列車速度與空氣阻力的關系

3.2.2 列車速度與車外壓力幅值的關系

在相同阻塞比的條件下，車體表面壓力幅值與列車速度的平方近似成線性關系[8]，如圖5所示。當地鐵列車的運行速度達到140 km/h時，車外壓力波幅值可達4 400 Pa。

圖5 不同速度下車外壓力幅值變化曲線

車外壓力波幅值還受阻塞比的影響。隨著阻塞比的增加，車外壓力波幅值也隨之增大，如圖6所示。當阻塞比達到0.45時，100 km/h的地鐵列車車外壓力波幅值可達2 200 Pa。

3.2.3 列車速度與車內壓力幅值的關系

隧道內產生的瞬變壓力向車輛傳遞的規律主要取決于車輛密封性和車體剛度兩個因素。當列車完全不密封，則車內外壓力相同；當列車完全密封，且車體的剛度又比較大時，則車外的空氣壓力瞬變對車內幾乎沒有影響。目前，國內外常用密封指數τ來表征車輛密封性能。參考國外對列車密封性的研究成果，對于不密封車輛，τ為0.4～0.8 s；稍加密封的車輛，τ為1.5 s或3 s；密封性能好的車輛，τ≥5 s；對于密封空調車，τ≥7 s。

圖6 不同阻塞比下車外壓力幅值變化曲線

相關學者對地鐵車輛以不同速度通過不同阻塞比隧道時的氣動壓力波情況展開了分析研究[9-12]，結合推薦的車內壓力限值[13]，可得到不同列車速度下的車內壓力變化幅值和變化率，以及車內壓力舒適性，如表2所示。

表2 不同列車速度和不同阻塞比下的車內壓力變化及舒適性情況

由表2可知，列車在不同隧道斷面中運行時，車輛的密封性越好，車內壓力環境越舒適。但是，考慮到制造成本和制造工藝，車輛密封性并非越高越好。表3為不同列車速度、不同阻塞比條件下推薦的車輛密封指數。

3.2.4 列車速度與噪聲的關系

隨著列車運行速度的增加，列車與空氣之間的相互作用變得越來越顯著，速度的提升對列車的氣動特性產生顯著的影響。圖7給出了列車速度與噪聲之間的關系，列車的氣動噪聲與其運行速度的6次方成正比。

表3 不同列車速度、不同阻塞比條件下的車輛密封指數

圖7 列車速度與氣動噪聲的關系

隨著列車運行速度的變化，車外主要噪聲源也發生變化，如圖8所示。列車速度提升，輪軌噪聲和氣動噪聲顯著增大，并呈指數增長。其中，氣動噪聲大約以60 lgv的速率增長，輪軌噪聲大約以30 lgv的速率增長。列車速度為140 km/h時，噪聲源分布為輪軌噪聲>氣動噪聲>牽引噪聲。

注：vout為計算參考速度

根據文獻[14]中的經驗公式，可大致推算出快速地鐵列車以140 km/h運行時，車外輻射噪聲限值為88 dB(A)。因此，需采取必要措施對車輛進行隔聲降噪處理。參照既有地鐵列車和城際列車的噪聲水平，快速地鐵列車的車內噪聲推薦值見表4。

表4 不同速度條件下車內噪聲指標推薦值 dB(A)

3.3 列車頭型長細比

由于地鐵列車運行速度一般不高于80 km/h，鈍頭頭型列車產生的氣動阻力在整車阻力中的比重較小，所以地鐵列車通常采用鈍頭頭型。但是，隨著列車運行速度的增加，鈍頭頭型列車產生的氣動阻力將快速增大，以致在整車阻力中占據主導地位。研究表明，列車的氣動阻力隨著頭型長細比的增加而減小[15]，如圖9所示。由于鈍頭頭型的長細比小，因此鈍頭頭型列車的氣動阻力較流線型頭型列車的氣動阻力增加得更快。也就是說，列車運行速度越高，流線型列車的減阻效果越明顯，為此，在快速地鐵列車的氣動設計過程中，頭型長細比也是需要予以考慮的重要指標。

3.4 車體表面平順性

通過開展車體表面平順化設計，可以有效降低列車的空氣阻力。采用全包圍式車下設備艙能夠有效降低列車空氣阻力，但增加設備艙將使得列車質量增加，進而使得列車的滾動機械阻力變大，因此，需要平衡機械阻力和空氣阻力的關系。車體表面平順化及車下全包設備艙設計方案如圖10所示。車體表面平順化減阻效果見表5。

圖9 列車頭型長細比與空氣阻力的關系

由圖10和表5可知，通過車體表面平順化設計，列車空氣阻力可減少約13%；采用全包圍式設備艙設計，列車空氣阻力可減少20%，效果明顯。但是，采用設備艙會使得車身質量增大，進而導致列車機械阻力增加(具體數據與設備艙方案有關)，因此，采用全包設備艙的最終氣動減阻率約為15%。

a) 全包設備艙

表5 車體表面平順化減阻效果

4 結語

本文對快速地鐵車輛可能產生的氣動問題進行了描述，并從工程實踐的角度，簡要分析了與氣動效應相關的車輛設計參數及其變化規律，以便為快速地鐵車輛的設計提供參考。下一步，將結合具體項目，深入研究車輛設計參數(如車體斷面面積)與氣動噪聲的關系，并提出氣動激勵噪聲源和對應噪聲控制策略，因為這是影響地鐵列車進一步提速的主要瓶頸。