高速列車頭車外形結(jié)構(gòu)優(yōu)化風(fēng)洞試驗(yàn)研究*

繆新樂，李 明，姚 勇，黃志祥，鄧勇軍

(1．西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川綿陽621010;2．中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川綿陽621000)

我國的高速列車在最近幾年發(fā)展迅猛，高速列車的運(yùn)營(yíng)里程達(dá)7 055 km，在建里程1萬多km。2010－12－03，在京滬高鐵棗莊至蚌埠間的先導(dǎo)段聯(lián)調(diào)聯(lián)試和綜合試驗(yàn)中，由中國南車集團(tuán)研制的“和諧號(hào)”CRH380A新一代高速動(dòng)車組的最高時(shí)速達(dá)到486．1 km［1］。隨著列車運(yùn)行時(shí)速的提高，列車的空氣動(dòng)力學(xué)問題日益突出。列車空氣動(dòng)力研究的目的主要是減小氣動(dòng)阻力，改善操縱穩(wěn)定性，提高安全舒適性及減小其對(duì)環(huán)境的影響［2］。列車在空氣中高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其氣動(dòng)性能，如氣動(dòng)阻力、升力等，與其氣動(dòng)外形有著密切的關(guān)系。隨著運(yùn)行速度的不斷增加，列車氣動(dòng)性能問題越來越突出，因此，研究不同氣動(dòng)外形對(duì)高速列車氣動(dòng)性能的影響規(guī)律，對(duì)于設(shè)計(jì)和優(yōu)化氣動(dòng)外形，并使其滿足工程實(shí)際應(yīng)用需要有著重要的意義［3－4］。對(duì)列車氣動(dòng)阻力的研究主要是從列車的頭型、斷面形狀和底部外形等方面入手，頭型是研究的重點(diǎn)。張健［5］對(duì)列車進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)研究后認(rèn)為:流線形車頭細(xì)長(zhǎng)比的大小對(duì)氣動(dòng)性能有重要影響，細(xì)長(zhǎng)比越大，氣動(dòng)性能越優(yōu);列車前部的動(dòng)車車頭形狀對(duì)中間客車阻力的影響小且隨中間客車數(shù)目的增加而逐漸減小;列車尾部的動(dòng)車車頭形狀對(duì)列車壓差阻力和尾車阻力影響較大;車頭波性能受列車前部動(dòng)車車頭形狀影響較大，在車頭細(xì)長(zhǎng)比相同的情況下，能使氣流主要朝車頭上方流動(dòng)的2次元形狀比氣流朝四周流動(dòng)的三次元形狀的車頭波性能好，在外形基本相同的情況下，頭部細(xì)長(zhǎng)比越大，車頭波性能越好。舒信偉等［6］對(duì)列車頭型進(jìn)行數(shù)值模擬后認(rèn)為:隨著流線型頭部長(zhǎng)度增加(其他條件相同)，列車氣動(dòng)阻力和升力降低;在頭部流線型長(zhǎng)度相當(dāng)?shù)那闆r下，縱剖面輪廓線上凸的頭車氣動(dòng)阻力比下凹的小，而尾車氣動(dòng)阻力大;中間車阻力變化不大，尾車升力大于頭車;就整車升力而言，縱剖面輪廓線上凸的氣動(dòng)升力大于下凹的。目前國內(nèi)外對(duì)列車空氣動(dòng)力學(xué)研究的主要方法有數(shù)值模擬計(jì)算、風(fēng)洞試驗(yàn)、嘛動(dòng)模型試驗(yàn)和在線實(shí)車試驗(yàn)［7］。本文采用風(fēng)洞縮尺模型模擬試驗(yàn)的方法對(duì)4種新型的高速列車頭車進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)研究，以便為500 km/h的高速列車選型提供參考。

1 高速列車頭車模型選型

1．1 模型選型

本次試驗(yàn)所選用的高速列車頭車模型，采用CFD方法對(duì)CRH380A高速列車車頭形狀進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行計(jì)算、分析、比較。選出4種空氣動(dòng)力性能較好的頭車模型。然后對(duì)4種優(yōu)化后的頭車模型進(jìn)行模具加工。4種頭型模型如圖1所示。

圖1 列車試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷?種頭型Fig．1 Four kinds nose shape of the train test

1．2 模型

列車試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅壤秊?∶8，3車編組(頭車+中間車+尾車)，共有4種頭型，分別為 NEW －A，NEW－B，NEW－C和NEW－D，列車模型的頭、尾車完全相同，列車模型幾何尺寸參見表1。為了模擬實(shí)際情況本次試驗(yàn)帶軌道路基進(jìn)行試驗(yàn)。列車及軌道路基模型如圖2所示。

表1 1∶8列車模型幾何尺寸Table 1 1∶8 Geometric size of train model mm

2 試驗(yàn)方法及內(nèi)容

2．1 風(fēng)洞試驗(yàn)

本次試驗(yàn)在中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的8 m×6 m風(fēng)洞第二試驗(yàn)段進(jìn)行。8 m×6 m風(fēng)洞是閉口串列雙試驗(yàn)段的大型低速風(fēng)洞，第二試驗(yàn)段寬8 m，高6 m，長(zhǎng)15 m，帶列車試驗(yàn)地板后的常用試驗(yàn)風(fēng)速20～70 m/s。

2．2 試驗(yàn)內(nèi)容

對(duì)列車模型的頭車、中間車和尾車采用3 d平同時(shí)測(cè)力的方案，測(cè)力天平位于模型內(nèi)腔。列車模型內(nèi)部天平聯(lián)接板連接天平上表面，天平下表面與工字型支座上表面相連，支座下表面連接在路基表面，調(diào)整模型的角度及方向，待一切準(zhǔn)備妥當(dāng)后按照計(jì)劃的內(nèi)容進(jìn)行試驗(yàn)，并記錄數(shù)據(jù)。

本次試驗(yàn)先對(duì)NEW－A頭型進(jìn)行了5次重復(fù)性試驗(yàn)，然后分別對(duì)4組模型進(jìn)行測(cè)力試驗(yàn)，風(fēng)速為30～70 m/s，側(cè)偏角為 －30°～30°，具體試驗(yàn)內(nèi)容見表2。

圖2 列車及軌道路基Fig．2 The train and track subgrade

表2 試驗(yàn)內(nèi)容Table 2 Test contents

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3．1 重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)NEW－A頭型列車模型進(jìn)行5次重復(fù)性試驗(yàn)，并進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)精度計(jì)算。在側(cè)偏角為0°時(shí)，頭車的升力系數(shù)、阻力系數(shù)、俯仰力矩系數(shù)、側(cè)向力系數(shù)、側(cè)偏力矩系數(shù)、傾覆力矩系數(shù)的精度分別為0．001 8，0．000 6，0．000 4，0．001 4，0．003 5和0．000 3，中間車的精度分別為0．002 0，0．000 6，0．000 3，0．001 6，0．006 8和0．000 2，尾車的精度分別為0．001 0，0．001 0，0．000 3，0．000 5，0．000 4和0．000 2。綜合比較以往類似高速列車模型風(fēng)洞重復(fù)性測(cè)力試驗(yàn)精度，本次測(cè)力重復(fù)性試驗(yàn)精度較高，尤其是阻力的重復(fù)性試驗(yàn)精度。因此，本次重復(fù)性試驗(yàn)精度滿足要求。

3．2 變風(fēng)速試驗(yàn)結(jié)果分析

在側(cè)偏角0°時(shí)，對(duì)NEW－A頭型進(jìn)行變風(fēng)速試驗(yàn)，試驗(yàn)風(fēng)速序列為 30，35，40，45，50，55，60，65和70 m/s，變風(fēng)速試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出:NEW－A頭型在35 m/s風(fēng)速及以上風(fēng)速范圍內(nèi)，頭車、中間車、尾車氣動(dòng)力和力矩隨風(fēng)速的增加變化很小。

圖3 變風(fēng)速測(cè)力試驗(yàn)結(jié)果Fig．3 Force measurement results of variable wind

在35～70 m/s的試驗(yàn)風(fēng)速范圍內(nèi)，頭車、中間車和尾車的cv在各風(fēng)速下的試驗(yàn)結(jié)果差異較小，其均方根誤差分別為0．002 5，0．000 8和0．001 0;cx的均方根誤差分別為0．002 6，0．001 6和0．000 4;mz的 均 方 根 誤 差 分 別 為 0．002 1，0．000 8 和0．000 5。與重復(fù)性試驗(yàn)精度相比可以看出，上述變風(fēng)速試驗(yàn)結(jié)果的均方根與重復(fù)性試驗(yàn)精度非常接近。因此，可以認(rèn)為:NEW－A頭型的列車模型在35～70 m/s的試驗(yàn)風(fēng)速范圍內(nèi)，風(fēng)速變化對(duì)氣動(dòng)特性的影響很小。

3．3 各種頭型氣動(dòng)特性的比較

圖4～5所示為4種頭型的列車模型變側(cè)偏角試驗(yàn)的結(jié)果比較。從圖4～5可以看出:4種頭型列車模型各節(jié)車的氣動(dòng)特性隨變側(cè)偏角的變化規(guī)律基本一致。從圖4可以看出:在試驗(yàn)側(cè)偏角范圍內(nèi)，各種頭型列車模型的頭車最大氣動(dòng)升力明顯比中間車和尾車的大;當(dāng)側(cè)偏角絕對(duì)值為10．2°時(shí)，4種頭型頭車的cv差異很小;當(dāng)側(cè)偏角絕對(duì)值大于10．2°時(shí)，NEW－B的頭車cv最大，NEW－C的頭車cv最小。從圖5可以看出:在試驗(yàn)側(cè)偏角為0°時(shí)，4種頭型列車模型各節(jié)車及全車的cx的差異都不明顯，NEW－A的頭車、中間車和全車的cx最小，NEW－C的全車cx最大。在其他試驗(yàn)側(cè)偏角范圍內(nèi)，NEW－A的cx基本上也最小。在試驗(yàn)側(cè)偏角范圍內(nèi)，NEW－A各節(jié)車的cv隨著側(cè)偏角絕對(duì)值的增大而單調(diào)增加;在側(cè)偏角為0°時(shí)，尾車的cx最大，中間車的cx最小。頭車的cx在側(cè)偏角絕對(duì)值約24°時(shí)出現(xiàn)負(fù)值，中間車的cx隨著側(cè)偏角絕對(duì)值的增大先增加后減小，cx出現(xiàn)拐點(diǎn)的側(cè)偏角絕對(duì)值大約為16．7°，尾車的cx基本是隨著側(cè)偏角絕對(duì)值的增加而增大。因此，綜合比較不同頭型列車模型的氣動(dòng)特性，在試驗(yàn)側(cè)偏角范圍內(nèi)，NEW－A的氣動(dòng)阻力特性最優(yōu)，NEW－B的氣動(dòng)升力特性最差，4種頭型的側(cè)向力氣動(dòng)特性差異不明顯。

圖4 不同頭型列車模型的升力氣動(dòng)特性的比較Fig．4 Comparison of different nose shapes’lift aerodynamic characteristics

圖5 不同頭型列車模型的阻力氣動(dòng)特性的比較Fig．5 Comparison of different nose shapes＇drag aerodynamic characteristics

4 結(jié)論

(1)4種頭型中，NEW－A頭型的空氣動(dòng)力性能最好，時(shí)速為500 km/h的高速列車宜采用NEW－A頭型類似的形狀。

(2)NEW－A頭型的列車模型在35～70 m/s的試驗(yàn)風(fēng)速范圍內(nèi)，風(fēng)速的變化對(duì)氣動(dòng)特性的影響很小。

(3)當(dāng)側(cè)偏角不變時(shí)，模型NEW－A的頭車、中間車和全車氣動(dòng)阻力最小。

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