動車組過隧道時設備艙氣動效應動模型試驗

牛紀強,梁習鋒,周　丹,劉堂紅

(中南大學 軌道交通安全教育部重點實驗室,湖南 長沙 410075)

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動車組過隧道時設備艙氣動效應動模型試驗

牛紀強,梁習鋒,周丹,劉堂紅

(中南大學 軌道交通安全教育部重點實驗室,湖南 長沙 410075)

隨著高速鐵路的快速發展,為了適應高寒多風沙環境,設計封閉式設備艙.在過隧道和交會等惡劣工況下,封閉式設備艙容易產生較大壓差.采用動模型試驗方法,對動車組以不同車速(200、250、300 和350 km/h)通過隧道和隧道內交會進行試驗模擬,建立相應的數值計算模型來相互驗證.結果表明,數值計算與動模型試驗波形吻合,幅值相差低于6.8%.對于單車過隧道,車體表面和設備艙內壓力峰峰值與車速的平方呈線性關系.對于隧道內交會工況,車表面壓力對于速度更加敏感,車體表面壓力峰峰值與車速的三次方呈線性關系.設備艙內壓力峰峰值明顯小于車外表面壓力峰峰值.設備艙內不同位置處的壓差峰峰值有明顯波動,相對隧道中心交會而言,單車過隧道工況對速度更敏感.

動車組(EMU)；隧道；設備艙；壓差；動模型試驗

列車高速運行時,會引起列車周圍氣流產生一系列變化,如壓力、速度等變化,形成列車風等,列車交會時會產生交會壓力波,高速穿越隧道時會產生活塞風、反射波等,統稱為列車氣動效應.我國幅員遼闊,鐵路沿線氣候及環境復雜多變,導致列車氣動效應更加復雜多變.隨著高速鐵路的快速發展和大規模建設,為了保證高速列車在高寒風沙地區中的安全運營,新型高速列車采用封閉式的設備艙來隔絕設備艙內部設備與外界風沙,保證設備艙內設備處于比較穩定的溫度環境中,有效地減少風沙雨雪進入設備艙.國內外學者對列車隧道內的氣動效應進行大量研究,且已相對成熟[1-4].當列車在高速運行時,封閉的設備艙內、外會形成較大的壓力差,尤其在列車明線交會、過隧道以及隧道內交會等較惡劣的運行環境下,造成氣動交變載荷作用在設備艙上,將會對設備艙結構強度和疲勞安全造成巨大威脅,對列車的運行安全造成嚴重影響.

目前,高速列車設備艙的通風散熱基本采用在裙板兩側設置大面積格柵的方式來保證.設備艙兩側設置大面積格柵導致設備艙內部壓力與外部壓力具有很好的跟隨性,且無明顯的時間差,導致設備艙內、外的顯著壓差存在[5].梅元貴等[6-12]采用實車試驗方法對列車車廂內壓力變化進行大量研究.對于一些裙板處設置格柵的設備艙氣動效應的研究相對較少,且鮮有涉及封閉式設備艙的氣動效應的研究[13-15].

本文采用動模型試驗的方法,對以200、250、300和350 km/h車速單車通過隧道和于隧道中心內等速交會的列車的封閉式設備艙內外耦合氣動效應(主要是壓力及壓差)進行初步研究.

1　動模型試驗系統

1.1動模型試驗臺

利用中南大學的“動車組空氣動力特性動模型試驗系統”對高速列車封閉式設備艙氣動效應進行動模型試驗研究.動模型試驗系統由試驗臺、動力系統、加速系統、控制系統、測試系統、制動系統、數據處理系統和試驗模型構成.試驗線全長164 m,分為3段：發射段、試驗段和減速段.在試驗段上可以安裝各類隧道模型,用于動車組交會和動車組過隧道試驗.動模型試驗臺由線間距固定的2條軌道組成,按線間距為5 m、模型縮比為1∶20設計.本次試驗動車組模型采用頭車+中間車+尾車的三車編組1∶20縮比列車,車身采用工程輕質高強度泡沫材料制作,模型列車及幾何外形尺寸如圖1所示.圖中,以車高H=0.193 m(車輪地至車頂距離)為特征長度.為了獲得列車隧道內運行時的最惡劣氣動性能,根據文獻[16]中最不利隧道長度的計算公式,按照本次試驗的模型列車總長19.8H、最高速度350 km/h等參數計算可知,本次試驗單車過隧道時的隧道最不利長度為240 m,縮比1/20后長度為12 m,且試驗隧道為單洞雙線隧道,隧道有效凈空面積為0.26 m2,線間距為0.25 m.隧道模型如圖2所示.

圖1　模型列車及尺寸Fig.1　Train model and size

圖2　隧道試驗模型Fig.2　Test model of tunnel

1.2 傳感器及采集系統

由于動模型試驗的壓力變化較快,要求傳感測量通道具有足夠的響應速度.該次試驗采集板的采樣頻率為10 000 Hz.壓差測點是利用壓力傳感器的兩個進氣孔,一個測量列車表面壓力,一個測量車體表面對應的車內位置處的壓力,兩者的差值為該處車內、外壓差；絕壓力測點是堵死傳感器的背壓孔,認為此處為大氣壓(動模型試驗段海拔固定,試驗期間溫差、濕度等變化很小,因此,可以認為列車運行環境大氣壓恒定,不用連接大氣壓力傳感器),只利用壓力傳感器的一個進氣孔來測量壓力.設備艙內部和動車組表面壓力測量采用壓阻式壓力傳感器,其中與傳感器靜壓孔連接的橡皮管口垂直于布點處列車表面切線方向,用來測量車體表面壓力；與傳感器背壓孔連接的感壓片緊靠用于測量車體表面壓力的靜壓孔橡皮管旁邊的車內,感壓片與傳感器連接的橡皮管垂直于列車運行方向.壓差傳感器采用通過橡皮管連接的壓阻式壓力傳感器和感壓片來測量設備艙內、外壓差,如圖3所示.

圖3　壓差傳感器Fig.3　Differential pressure sensor

壓差傳感器信號經兩級放大和二階低通濾波后,消除了軌道不平順和模型機械振動引起的高頻雜散干擾,對應的整個量程范圍輸出為±5 V標準電壓信號,送入高速A/D轉換器進行采集.每個壓力信號通道采用獨立的電路結構和A/D轉換器,并以相同的時基信號控制同步采樣,從而保證各通道數據的快速采集以及在時間和空間上的一致性.

試驗當天溫度為25 ℃,濕度為60%,在測試前對傳感器系數進行及時標定.

1.3相似方法

利用雷諾數的自模擬性現象可以明顯地簡化模型試驗的條件.在該次隧道內動車組設備艙空氣動力學動模型試驗中,主要關心設備艙內、外壓力及壓差.根據相似理論分析,一般要求滿足主要的相似準則有馬赫數Ma和雷諾數Re.這樣保證模型試驗得到的壓力與實車運行時的壓力是一致的.該次試驗車速不低于200 km/h,模型為1∶20的縮比尺度列車,因此本次試驗列車的Re不低于6.0×105,大于動模型試驗系統的臨界雷諾數Recr(3.6×105左右)[17],滿足試驗要求.

1.4設備艙模型

設備艙內部空間及吊掛件幾何外形尺寸按照真實縮比制作,吊掛件按照實際情況布置在設備艙內,新風入口與排風口尺寸均按照實際縮比尺寸在中間車上開鑿,由于模型底部有鋁合金支架,為避免支架干擾,開口位置在垂直方向上移了10 mm左右.設備艙的內部布置如圖4所示.

通風機的流量按照縮比后設置,模型中進風口風機體積流量為0.225 m3/min,排風口風機體積流量為0.125 m3/min,風機流速保持不變.在列車彈射前,設備艙內流場充分發展,采用對12 V直流風機單獨進行供電的方式來保證風機的長時間運行.

圖4　設備艙模型內部布置Fig.4　Internal layout of train compartment

1.5測點布置

該次動模型試驗列車模型為3車編組,設備艙位于中間車,因此,測點主要布置在中間車上.共布置13個監測點,其中,編號1、4、6、9、11為動車組車外表面壓力測點,編號2、3、5、7、8、10為設備艙內部壓差測點,12和13號為設備艙內部壓力測點.1號為頭車鼻尖測點,主要用于輔助辨別速度；2～13號均位于中間車上, 2～7號為交會側測點,8～11號為靠近隧道壁測點, 12和13號為車內測點,如圖5所示.

圖5　測點布置Fig.5　Arrangement of measuring points

2　動模型試驗與數值計算對比

為了保證數據的可比性,提高數據可信度,針對動模型試驗工況,建立相應的數值計算縮比模型.在數值計算中,風機特征參數、監測點的布置均與動模型中采用的一致.為了節約計算資源,該次數值計算選用2個工況：1)列車以350 km/h車速通過隧道；2)列車以350 km/h車速于隧道中心交會.如圖6、7所示分別為列車以350 km/h車速通過隧道和于隧道內交會時,車體表面和設備艙部分測點試驗與數值計算結果的對比曲線.圖中，p為測點壓力.從圖6、7可知,通過動模型試驗所得的壓力及壓差波形與數值計算所得的波形曲線具有較高的吻合度.

圖6　列車單車過隧道數據的對比Fig.6　Data comparison of train going through tunnel

圖7　列車隧道內交會數據對比Fig.7　Data comparison of trains passing through tunnel

如表1所示為當列車以350 km/h車速通過隧道和于隧道內交會時,車體表面和設備艙壁面部分測點試驗與數值計算波形的峰峰值Δp.從表1的數據對比可知,動模型試驗和數值計算波形的峰峰值相差4.7%～6.8%,滿足工程精度的要求.

表1動模型與數值計算結果對比

Tab.1Data comparison between dynamic model test and numerical calculation

單車過隧道/測點序號△p/Pa動模型試驗數值計算偏差/%列車外表面壓力/11252426515.0設備艙內壁面壓力/13211022536.8設備艙內、外壓差/5171017975.1隧道內交會/測點序號Δp/Pa動模型試驗數值計算偏差/%列車外表面壓力/11704273714.7設備艙內壁面壓力/13604463605.2設備艙內、外壓差/5242125425.0

3　單車過隧道設備艙氣動效應研究

3.1單車過隧道時設備艙氣動壓力變化

如圖8所示為列車表面9和11號測點壓力變化峰峰值隨車速v的變化曲線.可知,車體表面9號和11號測點壓力變化峰峰值與車速的平方呈線性關系,隨車速的增加而增大.

圖8　車體表面壓力幅值隨車速的變化曲線Fig.8　Pressure of train changes with speed

如圖9所示為當動車組分別以200、250、300和350 km/h速度通過隧道時,設備艙內12和13號測點壓力變化峰峰值隨車速的變化曲線.可知,設備艙內部壓力變化峰峰值與車速的平方近似呈線性關系,隨車速的增加而增大；設備艙內壓力變化峰峰值明顯小于車外表面壓力變化峰峰值.可見,壓力波傳播到設備艙內過程中能量有明顯損失,且與進風口與排風口處風機對壓力傳播的抵抗有一定關系.

圖9　設備艙內壓力幅值隨車速的變化曲線Fig.9　Pressure in equipment cabin changes with speed

如表2所示為動車組不同車速通過隧道時,設備艙內壓差變化峰峰值及RMS.從表2的數據可知,設備艙內不同位置處的壓差變化峰峰值有明顯波動.為了便于比較設備艙內壓差變化與車速的關系,計算設備艙內所有測點壓差的RMS.當車速為200、250、300和350 km/h時,設備艙內測點壓差峰峰值最大差距分別為10.2%、22.6%、15.3%和9%.

表2　設備艙內壓差變化峰峰值

如圖10所示為設備艙內各測點壓差變化峰峰值的RMS隨車速的變化曲線.可知,設備艙內壓差變化峰峰值的RMS隨車速的增大而迅速增大,且與車速的2.8次方呈線性關系.

圖10　設備艙內、外壓差幅值隨車速的變化Fig.10　Differential pressure of equipment cabin changes with speed

3.2隧道內列車交會時設備艙氣動壓力變化

如表3所示為當動車組以不同車速于隧道中心交會時的車體表面壓力變化峰峰值.可知,車體表面不同位置處壓力變化峰峰值變化明顯.

表3　車體表面壓力變化峰峰值

如圖11所示為車體表面測點壓力變化峰峰值的RMS隨車速的變化曲線.可知,車體表面壓力變化峰峰值與車速的三次方呈線性關系,即隧道內交會對速度更加敏感.

圖11　車體表面壓力幅值隨車速的變化曲線Fig.11　Pressure of train changes with speed

圖12　不同車速下列車表面壓力波形Fig.12　Pressure wave on surface of train under different speed

如圖12所示為車體表面11號測點壓力的變化曲線.可知,由于列車進入隧道速度不同,不僅導致壓力波幅值不同,而且引起列車頭尾入洞存在不同時間差,進而導致作用在車體上相同位置處的壓力波形存在顯著差異.

如表4所示為當動車組以不同車速于隧道中心等速交會時的設備艙內壓力變化峰峰值.可知,設備艙內不同位置處的壓力變化峰峰值變化存在差異,最大差異不超過6%,基本在2%左右.

表4　設備艙內壓力變化峰峰值

如圖13所示為設備艙內部13號測點壓力變化曲線.可知,由于列車運行速度不同,引起隧道內的壓力波形及幅值存在較大差異,加之壓力波傳播到設備艙不同位置存在時間差,導致設備艙內不同位置處的壓力波有一定差異.

圖13　不同車速下設備艙內的壓力波形Fig.13　Pressure wave in equipment cabin under different speed

如表5所示為當動車組以不同車速于隧道中心交會時的設備艙內壓差變化峰峰值.可知,車體表面不同位置處的壓力變化峰峰值變化存在差異,當車速為200、250、300和350 km/h時,設備艙內測點壓差峰峰值最大差距分別為12.5%、6.9%、3.2%和0.8%.

表5設備艙內、外壓差變化峰峰值

Tab.5Differential Δp(pressure peak - peak value) of

equipment cabin

測點序號Δp/Pa200km/h250km/h300km/h350km/h2848105215832475372911211620248757301178151224217718117815702486877612251637248510711111415952450RMS754114615872468

如圖14所示為設備艙內各測點壓差變化峰峰值的RMS隨車速的變化曲線.可知,設備艙內壓差變化峰峰值與車速的平方呈線性關系；對于設備艙內壓差變化而言,單車過隧道工況對速度更敏感.

如圖15所示為設備艙內部5號測點壓差變化曲線.可知,引起隧道內壓力波形及幅值存在較大差異,加之壓力波傳播到設備艙內不同位置存在時間差,進而導致設備艙內不同位置處壓差波有明顯差異.

圖14　設備艙內、外壓差幅值隨車速的變化Fig.14　Differential pressure of equipment cabin changes with speed

圖15　不同車速下設備艙內、外壓差波形Fig.15　Differential pressure wave in equipment cabin under different speed

4　結　論

(1) 列車單車通過隧道和于隧道中心等速交會兩過程,設備艙外表面壓力變化峰峰值均基本一致；設備艙內部各測點壓力變化相差較小,但正、負峰值有一定差異；設備艙內不同位置處壓差變化幅值差距相對較大.

(2) 單車過隧道車體表面壓力變化峰峰值與車速的平方呈線性關系；隧道內交會車體表面壓力變化峰峰值與車速的三次方呈線性關系.對于車體表面壓力,隧道內交會對于速度比單車過隧道更加敏感.

(3) 設備艙內部壓力變化峰峰值與車速的平方關系近似呈線性關系,隨著車速的增加而增大；設備艙內壓力變化峰峰值明顯小于車外表面壓力變化峰峰值.

(4) 設備艙內不同位置處壓差變化峰峰值有明顯波動.相對隧道中心交會而言,單車過隧道工況對速度更敏感.

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Equipment cabin aerodynamic performance of electric multiple unit going through tunnel by dynamic model test

NIU Ji-qiang, LIANG Xi-feng, ZHOU Dan, LIU Tang-hong

(KeyLaboratoryofTrafficSafetyonTrack,MinistryofEducation,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China)

A closed equipment cabin was designed to help train adapt the high, cold, wind and sand environment with the rapid development of high-speed railway. While trains going through and crossing in tunnel, there will be a big differential pressure appear in the closed equipment cabin. High-speed trains going through and crossing in tunnel with different speeds (200, 250, 300 and 350 km/h) were simulated by using dynamic model test method. Results of numerical simulation and test data were verified by each other. Results show that pressure waveforms of numerical simulation and test data were consistent, and amplitude difference between them was less than 6.8%. For the conditions of train going through the tunnel, there is a linear relationship between the amplitude of train surface pressure change and the square of train speed. For the conditions of trains crossing in the tunnel, the surface pressure is more sensitive to velocity, and there is a linear relationship between the amplitude of train surface pressure change and three power of train speed. The pressure change amplitude inside equipment cabin is significantly smaller than the one of train outside surface. The differential pressure change amplitude inside equipment cabin at different positions fluctuates significantly, and differential pressure caused by train going through tunnel is more sensitive to velocity than the one caused by train crossing in tunnel.

electric multiple unit (EMU); tunnel; equipment cabin; differential pressure; dynamic model test

2015-05-14.浙江大學學報(工學版)網址： www.journals.zju.edu.cn/eng

高鐵聯合基金資助項目(U1134203, U1334205)；國家自然科學基金資助項目(51575538)；湖南省自然基金資助項目(14JJ3028)；中南大學教師研究基金資助項目(2013JSJJ014)；湖南省研究生科研創新資助項目(CX2015B046)；中國鐵路總公司科技研究開發計劃重點課題資助項目(2013J008-E)； 中國鐵路總公司科技研究開發計劃資助項目(2013B001-A-2).

牛紀強(1988-)，男，博士生，從事列車空氣動力學研究. ORCID: 0000-0002-0768-0788. E-mail: jiqiang_niu@163.com

通信聯系人：梁習鋒，男，教授. ORCID: 0000-0002-7396-1123.E-mail: gszxlxf@163.com

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.07.006

U 266

A

1008-973X(2016)07-1258-08