高速列車局部外形氣動優(yōu)化設(shè)計研究

馬勝全, 何思俊, 支錦亦, 王 超

(1 中車長春軌道客車股份有限公司， 長春 130062；2 西南交通大學(xué)， 成都 610031)

列車速度的提高導(dǎo)致低速列車不用考慮的問題逐漸突顯，其中空氣動力學(xué)問題尤為顯著[1]。研究表明，當列車速度在300 km/h，外部空氣阻力約占總阻力比例的75%～85%，當列車運行速度達到500 km/h，空氣阻力將會達到總阻力的96%[2]。列車空氣阻力與時速關(guān)系如圖1所示。

圖1 列車空氣阻力與時速關(guān)系

高速列車外形氣動性能研究范圍很廣，目前的研究集中在對車頭長細比、剖面型線等列車外形幾何參數(shù)的優(yōu)化，需要對列車外觀進行較大改動?；诂F(xiàn)有車型對列車局部氣動性能進行研究的文獻還不多。以速度350 km/h級別中國標準動車組為原型，進行了局部外形方案優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)向架裙板、排障器導(dǎo)流罩、車廂連接處外風(fēng)擋之間存在減阻效果差異，對這些部位進行優(yōu)化有改動小、易實現(xiàn)的優(yōu)勢。

1 減阻試驗

1.1 試驗原理

高速列車外形氣動性能優(yōu)化設(shè)計一般先制定幾種減阻外形方案，再通過實車試驗、動模型試驗、風(fēng)洞試驗和數(shù)值仿真進行比選。其中實車試驗?zāi)軠y得最真實數(shù)據(jù)，但費用高、組織難度大，通常只對最終樣車進行驗證。動模型試驗在模擬隧道壓力波和交會壓力波方面有獨特優(yōu)勢，但要求有較大試驗場地及精細化列車模型，適合工程設(shè)計階段。風(fēng)洞試驗和數(shù)值仿真是目前運用較多試驗方法，兩者偏差5%以內(nèi)，但風(fēng)洞試驗結(jié)果可直接用于實車。本研究對速度350 km/h高速列車原型車進行局部造型優(yōu)化，宜使用風(fēng)洞試驗測試減阻方案效果。

列車運行阻力一直以來都沿用1926年發(fā)表的Davis經(jīng)驗公式[17]，對于明線運行的列車，公式的普遍形式為：

F=A+(B1+B2)v+Cv2

(1)

式中：F為列車行駛總阻力；v為列車運行速度；A為滾動機械阻力(軸承軸箱摩擦和鋼軌阻力)系數(shù)；B1為其他機械阻力(傳遞損耗和制動阻力)系數(shù)；B2為空氣動量阻力(空調(diào)、冷卻等吸入空氣阻力)系數(shù)；C為外部空氣阻力系數(shù)。

系數(shù)A、(B1+B2)、C，分別根據(jù)列車種類或車輛結(jié)構(gòu)由廠商提供，或通過試驗分析得到，空氣阻力系數(shù)定義為：

(2)

式中：Cx為空氣阻力系數(shù)；Fx為空氣阻力；ρ為空氣密度；v為試驗風(fēng)速；Sx為列車迎風(fēng)面積。

對速度350 km/h高速列車來說，外部空氣阻力Cv2占到總阻力的94.07%，優(yōu)化列車外形能對減阻起關(guān)鍵作用。風(fēng)洞試驗主要原理是模擬列車運行相似條件，包括運動相對性和流動相似性。

1.2 試驗過程概述

試驗在中國氣動中心8 m×6 m風(fēng)洞(FL-13)第2段進行，試驗段面積長15 m×寬8 m×高6 m。該風(fēng)洞為直流、閉口串列雙試驗段大型低速風(fēng)洞，采用呈“品”字形排列的3個2 600 kW電機驅(qū)動，穩(wěn)定風(fēng)速范圍20～100 m/s。

為了降低地板附面層影響，試驗段安裝了列車試驗專用地板。地板前、后緣加工成流線型，以減少對氣流的干擾。地板上表面距風(fēng)洞下洞壁1.06 m，地板中間距離前緣7.84 m后緣8.26 m處設(shè)有1個直徑7 m可旋轉(zhuǎn)360°的轉(zhuǎn)盤[18]。

試驗?zāi)Ｐ土熊嚍樗俣?50 km/h中國標動原型車及4種對局部進行優(yōu)化的模型，模型列車編組為頭車、中間車、尾車3車連掛，模型比例為1∶8，總長度9.7 m。模型安裝在專用地板上，同時安裝了路基和鋼軌，采用某研究所3臺盒式六分量應(yīng)變天平對應(yīng)3車進行氣動力測量。試驗設(shè)置如圖2所示。

圖2 風(fēng)洞試驗照片

1.3 試驗方案

試驗方案以減小列車氣動阻力為目標，提出3種局部優(yōu)化方案：

(1)車體底部轉(zhuǎn)向架區(qū)域裙板優(yōu)化：裙板的主要功能是保護轉(zhuǎn)向架并且阻止氣流從兩側(cè)進入轉(zhuǎn)向架區(qū)域。裙板優(yōu)化方案1為無裙板設(shè)計的基準模型；方案2將兩側(cè)裙板下拉呈半包式設(shè)計；方案3將兩側(cè)裙板下拉呈全包式設(shè)計。3種轉(zhuǎn)向架裙板方案如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)向架區(qū)域裙板方案

(2)車體底部排障器導(dǎo)流罩優(yōu)化：排障器導(dǎo)流罩可以減少前方氣流進入列車底部，并能將車頭前方的氣流導(dǎo)向兩側(cè)，對頭車阻力有重要影響。方案1為排障器導(dǎo)流罩占排障器前端面積50%的基準模型；方案2為排障器導(dǎo)流罩將排障器后板填平；方案3為減小排障器導(dǎo)流罩距軌高度(加厚)；方案4為排障器導(dǎo)流罩前移10%；方案5為排障器導(dǎo)流罩后移10%。5種方案見圖4所示。

圖4 排障器導(dǎo)流罩方案

(3)車端連接處外風(fēng)擋優(yōu)化：兩車連接處阻力主要是由于氣體進入該區(qū)間形成渦流，而增加外風(fēng)擋可以阻止氣體進入。在3車連接處安裝風(fēng)擋進行測試，方案1為無風(fēng)擋基準模型；方案2為無臺階風(fēng)擋設(shè)計；方案3為臺階30 mm風(fēng)擋設(shè)計；方案4為臺階60 mm風(fēng)擋設(shè)計。4種外風(fēng)擋方案如圖5所示。

圖5 外風(fēng)擋方案

2 試驗結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)解釋

為了使風(fēng)洞試驗的雷諾數(shù)接近列車運行的雷諾數(shù)提高測試精度，列車模型應(yīng)盡可能大，并滿足條件：①模型長度小于試驗段長度；②阻塞系數(shù)(模型橫截面積/試驗段截橫面積)小于5%[19]。此試驗段長度16 m，3車編組模型9.7 m，遠小于試驗段長度。阻塞系數(shù)=1.701 m2/48 m2=3.5%，小于5%，試驗?zāi)Ｐ头弦蟆?/p>

研究表明，列車氣動阻力系數(shù)總體上存在隨著雷諾系數(shù)增大而減小的趨勢，但當流速增加至50 m/s時，氣動力系數(shù)基本不再變化，可認為與來流風(fēng)速度無關(guān)[17，20]。本試驗取來流風(fēng)速為60 m/s，試驗雷諾數(shù)大于臨界雷諾數(shù)，達到自模擬區(qū)。由于直行是高速列車主要運行狀態(tài)，試驗在0°側(cè)偏角無側(cè)風(fēng)狀態(tài)下進行。表1～表3中“/”代表“無”。

2.2 氣動阻力分析

2.2.1車底轉(zhuǎn)向架區(qū)域裙板方案減阻分析

3車編組3個轉(zhuǎn)向架區(qū)域裙板減阻方案風(fēng)洞試驗結(jié)果如表1所示。

表1 3車編組不同裙板方案風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)

方案1無裙板基準方案，減阻效果設(shè)為0；方案2為半包小群板方案；方案3為全包大裙板方案。從風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)可以看出，方案2阻力系數(shù)0.389 9，相較于無裙板設(shè)計減阻率-6.7%，有一定減阻效果。方案3阻力系數(shù)0.350 0，相對無裙板設(shè)計減阻率為-10.2%，減阻效果明顯。列車在運行時氣流從車體側(cè)面進入轉(zhuǎn)向架腔形成亂流，這一現(xiàn)象在轉(zhuǎn)彎或遭遇側(cè)風(fēng)時尤為明顯，在進一步的數(shù)值仿真分析中側(cè)風(fēng)30 m/s時方案3的減阻率達到了-28.8%。

由此分析，轉(zhuǎn)向架區(qū)域增加裙板能避免轉(zhuǎn)向架暴露在氣流中，保證了列車側(cè)面形態(tài)的整體性，避免了渦流的產(chǎn)生。裙板可以通過降低進入轉(zhuǎn)向架區(qū)域的氣流速度能達到減阻的效果。試驗數(shù)據(jù)表明裙板包裹面積越大，減阻效果越好，從空氣動力學(xué)角度考慮，應(yīng)使裙板盡可能包住轉(zhuǎn)向架艙以減小氣動阻力。此外裙板對減少轉(zhuǎn)向架氣動噪聲也有一定作用。

2.2.2車底排障器導(dǎo)流罩方案減阻分析

3車編組5個排障器導(dǎo)流罩減阻方案風(fēng)洞試驗結(jié)果如表2所示。

表2 3車編組不同排障器導(dǎo)流罩方案風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)

方案1導(dǎo)流罩占排障器前端50%，是目前高速列車運用最多的方案，以此為對照基準，減阻率設(shè)為0；方案2將排障器后板填平阻力系數(shù)為0.342 3；方案3加厚導(dǎo)流罩減小垂直軌面距離阻力系數(shù)為0.357 6；方案4導(dǎo)流罩前移10%阻力系數(shù)0.350 7；方案5導(dǎo)流罩后移10%阻力系數(shù)0.346 7。4個方案阻力系數(shù)從小到大依次為：方案2>方案5>方案1(基準)>方案4>方案3。方案2減阻效果最好，對比基準方案減阻-2.1%。從空氣動力學(xué)角度分析，排障器導(dǎo)流罩距軌高度越小，后側(cè)距離轉(zhuǎn)向架腔越近，減阻效果越明顯，方案3減阻效果不佳考慮是只加厚了導(dǎo)流罩，未將后板填平的原因。此外，不同形狀的排障器對3車編組整車阻力影響最大能達4.4%。雖然沒有轉(zhuǎn)向架裙板減阻優(yōu)化效果明顯，但也比較可觀。

2.2.3車端連接處外風(fēng)擋方案減阻分析

3車編組4個外風(fēng)擋減阻方案風(fēng)洞試驗結(jié)果如表3所示。

表3 3車編組不同外風(fēng)擋方案風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)

方案1無風(fēng)擋基準方案，減阻率設(shè)為0；方案2無臺階風(fēng)擋整車阻力系數(shù)0.347 7，對比無風(fēng)擋方案減阻率-1.8%；方案3臺階30 mm風(fēng)擋阻力系數(shù)0.350 0，對比無風(fēng)擋方案減阻率-1.2%；方案4臺階60 mm風(fēng)擋阻力系數(shù)0.366 1，對比無風(fēng)擋方案減阻率+3.3%。從試驗數(shù)據(jù)可以看出，外風(fēng)擋可以降低各節(jié)車壓差阻力，達到減阻效果。減阻效果最好的是方案2，即外風(fēng)擋與車廂高度齊平的設(shè)計，基本避免了氣流進入車輛連接處形成渦流。外風(fēng)擋的減阻效果也與相對車體的臺階高度有一定關(guān)系，存在臺階越小，減阻效果越好的規(guī)律。

3 結(jié) 論

以中國標準動車組為原型，研究不同的局部外形設(shè)計方案對列車氣動阻力的影響，通過風(fēng)洞試驗測得氣動數(shù)據(jù)進行了對比分析，得到如下結(jié)論：

(1)采用風(fēng)洞試驗獲得列車氣動性能是一種成本可控，接近實車數(shù)據(jù)的試驗手段。

(2)列車裙板設(shè)計應(yīng)盡可能包裹住轉(zhuǎn)向架艙，且裙板越大減阻效果越好。

(3)排障器導(dǎo)流罩距軌高度越小，后側(cè)距離轉(zhuǎn)向架腔越近，減阻效果越好。未來可進一步考慮尖形排障器對空氣動力學(xué)性能的影響。

(4)車廂連接處風(fēng)擋與車廂臺階越小減阻效果越好，優(yōu)先考慮風(fēng)擋與車廂高度齊平的設(shè)計。