國內(nèi)外高速列車空氣動(dòng)力學(xué)研究概況

申鵬

摘 要：隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，空氣動(dòng)力對(duì)列車運(yùn)行影響越發(fā)明顯。論文介紹了國內(nèi)外高速列車空氣動(dòng)力學(xué)研究現(xiàn)狀。分析了車身、側(cè)墻、裙板、擋板及轉(zhuǎn)向架布置的壓力測點(diǎn)，以及國內(nèi)兩個(gè)權(quán)威測試機(jī)構(gòu)的測試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。對(duì)工程研究具有一定的推動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞：高速 空氣動(dòng)力學(xué) 壓力測點(diǎn) 數(shù)據(jù)分析

中圖分類號(hào)：TG142 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(nèi)外研究現(xiàn)狀

德國進(jìn)行了Mühlberg（D）隧道現(xiàn)車試驗(yàn)；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(dòng)模型模擬了德國ICE列車會(huì)車壓力波波動(dòng)規(guī)律。

意大利F.Cheli等采用數(shù)值仿真和風(fēng)洞試驗(yàn)的方法研究了給定風(fēng)場作用于鐵路車車體的空氣動(dòng)載荷及其相應(yīng)的車輛響應(yīng)。

自20世紀(jì)70年代開始，英國學(xué)者Woods，Vardy等人根據(jù)可壓縮非定常不等熵流動(dòng)模型和廣義黎曼變量特征線法發(fā)展了單列車通過簡單結(jié)構(gòu)隧道過程的壓力波計(jì)算方法；英國AEA鐵路研究機(jī)構(gòu)建造的縮尺1/25動(dòng)模型的最高發(fā)射速度已達(dá)305km/h；Gawthorpe進(jìn)行了大量的明線和隧道內(nèi)現(xiàn)車試驗(yàn)[1-2]。

瑞典采用計(jì)算了ICE2型車的周圍流場，并和ICE2型車的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，同時(shí)也做了X2000的風(fēng)洞試驗(yàn)。

WilliamLouis采用一維模型對(duì)有密封的高速列車通過隧道時(shí)車內(nèi)外壓力波進(jìn)行了研究；法國國營鐵路公司在Rilly-laMontagne隧道進(jìn)行了單車實(shí)車試驗(yàn)，在Bachees隧道進(jìn)行了會(huì)車實(shí)車試驗(yàn)。

20世紀(jì)，日本在新干線上進(jìn)行了隧道壓力波、隧道出口微氣壓波、氣動(dòng)阻力及橫風(fēng)作用的現(xiàn)車試驗(yàn)測量；近年來日本學(xué)者使用三維流動(dòng)模型對(duì)隧道入口波、出口波、微氣壓波以及結(jié)構(gòu)波進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

C.J.Baker在風(fēng)洞模擬與實(shí)車試驗(yàn)方面所做的出色研究。Baker教授研究了側(cè)風(fēng)環(huán)境下，作用在各種不同類型車輛上的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)氣動(dòng)力，建立了一個(gè)統(tǒng)一的分析框架。為了確定獲得信息的可靠性，對(duì)于不同的車輛參數(shù)，開展了一系列大規(guī)模的實(shí)車試驗(yàn)。另外，為了建立一種魯棒性好的風(fēng)洞測試方法，開展了一系列的風(fēng)洞試驗(yàn)，在試驗(yàn)中，盡可能準(zhǔn)確的模擬實(shí)驗(yàn)場所的風(fēng)特性。

隨著Tokaido-Sanyo線上新干線列車最高運(yùn)營速度的提高，車體橫向振動(dòng)加劇，乘坐舒適性惡化。對(duì)這一現(xiàn)象，日本開展了一系列實(shí)車試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)：（1）隧道內(nèi)列車的橫向振幅比明線上大；（2）從頭車到尾車，振動(dòng)依次加??；（3）相應(yīng)于車體的其他運(yùn)動(dòng)，車體搖頭運(yùn)動(dòng)顯得更加突出。軌道不平順、蛇行運(yùn)動(dòng)和空氣動(dòng)力作用被認(rèn)為可能是導(dǎo)致這個(gè)現(xiàn)象的原因。

西南交通大學(xué)建立了水槽模型試驗(yàn)臺(tái)；中南大學(xué)建立了動(dòng)模型試驗(yàn)系統(tǒng)[3-4]。

隧道壓力波的試驗(yàn)研究可分為兩類：現(xiàn)車試驗(yàn)和縮尺模型試驗(yàn)。在國外，許多研究組織和研究者進(jìn)行了一系列現(xiàn)車試驗(yàn)，對(duì)列車通過隧道時(shí)誘發(fā)的隧道壓力瞬變和速度變化等進(jìn)行了現(xiàn)場測試，主要工作在歐洲和日本?？s尺模型試驗(yàn)可分為以空氣為介質(zhì)和水為介質(zhì)兩種。以空氣為介質(zhì)的隧道壓力波試驗(yàn)一般采用彈射裝置和模型隧道來完成。

2 壓力測點(diǎn)分布

根據(jù)理論分析、數(shù)值模擬及風(fēng)洞試驗(yàn)，進(jìn)行列車表面的壓力分布研究。在車身、側(cè)墻、裙板、擋板及轉(zhuǎn)向架布置適宜的壓力測點(diǎn)，以得到完整的壓力分布。通過對(duì)列車表面壓力分布的研究，對(duì)其時(shí)域特性進(jìn)行計(jì)算處理，從而分析出壓力場頻譜特性。

測點(diǎn)布置原則：依據(jù)數(shù)值模擬及風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果，優(yōu)化測點(diǎn)布置方案，以得到車身表面壓力分布。

頭車測點(diǎn)主要布置在列車的一側(cè)，在另外一側(cè)布置少量測點(diǎn)，主要用于驗(yàn)證測點(diǎn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，以及考慮橫風(fēng)作用下，或列車過隧道時(shí)壓力不對(duì)稱的情況。在列車頭部導(dǎo)流板附近布置較多測點(diǎn)，以獲得頭車壓力分布，流線型部分可布置少量測點(diǎn)，在頭車流線型部分和車體的過渡處，由于壓力梯度較大，應(yīng)布置較多測點(diǎn)。在車頭車車窗附件，應(yīng)布置系列測點(diǎn)。

在轉(zhuǎn)向架空腔內(nèi)的底板及擋板處，布置系列測點(diǎn)，以得到轉(zhuǎn)向架處的壓力分布。同時(shí)，考慮到地面效應(yīng)的影響，應(yīng)在轉(zhuǎn)向架構(gòu)件上布置少量測點(diǎn)。轉(zhuǎn)向架空腔內(nèi)氣流復(fù)雜，轉(zhuǎn)向架構(gòu)件的測點(diǎn)不宜過多。

在列車裙板的內(nèi)側(cè)及外側(cè)，均應(yīng)布置適量測點(diǎn)，已得到裙板處的壓力分布。為分析地面效應(yīng)的影響，裙板內(nèi)側(cè)也應(yīng)布置測點(diǎn)，測點(diǎn)數(shù)量可小于裙板外側(cè)，在靠近轉(zhuǎn)向架空腔附近的裙板，應(yīng)增加測點(diǎn)數(shù)量。

在列車側(cè)墻處，應(yīng)按照壓力梯度的變化規(guī)律，布置系列測點(diǎn)，轉(zhuǎn)向架空腔上方的側(cè)墻，應(yīng)增加測點(diǎn)數(shù)量。車身壓力分布較均勻的部分，應(yīng)減少測點(diǎn)數(shù)量。同時(shí)，在車窗附近布置系列測點(diǎn)，分析車窗附近的壓力分布。endprint

綜上所述，壓力測點(diǎn)根據(jù)列車表面壓力梯度及流場呈網(wǎng)狀布置，以得到壓力分布。分別從頭車、駕駛室車窗、頭車兩側(cè)導(dǎo)流裝置、流線型的過渡部分、轉(zhuǎn)向架構(gòu)件、轉(zhuǎn)向架空腔、擋板、列車底板、裙板、側(cè)墻等方面考慮壓力測點(diǎn)的布置，以得到完整的列車表面壓力分布。同時(shí)，測點(diǎn)布置應(yīng)兼顧分析地面效應(yīng)及為其他研究方向提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 測試系統(tǒng)

3.1 鐵科院測試系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)由傳感器、imc集成測控?cái)?shù)采系統(tǒng)、GPS及計(jì)算機(jī)等部分組成。各傳感器將測得的壓力信息將imc集成測控?cái)?shù)采系統(tǒng)放大、AD/DA轉(zhuǎn)換后記錄在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，GPS用于確定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。除了壓力傳感器外，檢測系統(tǒng)的其他設(shè)置全部放在列車內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。

3.2 西南交通大學(xué)測試系統(tǒng)

整個(gè)測試系統(tǒng)由傳感器、多芯屏蔽信號(hào)線、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、觸發(fā)器、GPS及計(jì)算機(jī)等部分組成。各傳感器將測得的壓力信息經(jīng)放大器、AD/DA轉(zhuǎn)換記錄在計(jì)算機(jī)中進(jìn)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(yīng)以測量精度高、對(duì)流場影響小為原則。目前廣泛采用的是ENDEVCO公司生產(chǎn)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(duì)流動(dòng)影響??；靈敏度高，全刻度范圍為1bar頻率響應(yīng)高。

車內(nèi)空氣流動(dòng)速度很慢，整個(gè)車廂內(nèi)部空氣壓力分布變化不大，因此對(duì)傳感器尺寸要求不是很高，但車廂內(nèi)部壓力變化范圍較小，需采用小量程的差壓傳感器。車廂內(nèi)壓力變化測量采用江蘇昆山雙橋傳感器有限公司生產(chǎn)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(tài)精度為0.5%Fs，動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率為0～3 kHz。

5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析的整體思路在于，確定一個(gè)采樣頻率，確定采樣頻率首先要考慮，噪聲、輪軌振動(dòng)等因素給氣動(dòng)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(shí)域壓力測定完畢后，應(yīng)用數(shù)學(xué)計(jì)算軟件MATLAB進(jìn)行時(shí)域信號(hào)向頻域信號(hào)的轉(zhuǎn)換。主要的數(shù)學(xué)思想是：傅里葉變換。

如果采樣頻率過大，會(huì)包含大量的干擾成分，如果采樣頻率過低會(huì)將壓力信號(hào)的主頻幅值濾除，這樣如何取得一個(gè)合適的采樣頻率是關(guān)鍵問題。求取各測點(diǎn)的頻域特性后，分析測點(diǎn)的主頻、幅值等參數(shù)，為輪軌、噪聲等學(xué)科提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

6 結(jié)語

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，空氣動(dòng)力對(duì)列車運(yùn)行影響越發(fā)明顯。該文介紹了國內(nèi)外高速列車空氣動(dòng)力學(xué)研究現(xiàn)狀。分析了車身、側(cè)墻、裙板、擋板及轉(zhuǎn)向架布置的壓力測點(diǎn)，以及國內(nèi)兩個(gè)權(quán)威測試機(jī)構(gòu)的測試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。對(duì)工程研究具有一定的推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)

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