高速列車明線氣動(dòng)阻力特性研究綜述

段修平

摘 要：良好的阻力特性是高速列車降低能耗的重要標(biāo)志。利用動(dòng)模型試驗(yàn)、實(shí)車試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算等不同的研究手段，開(kāi)展全面的高速列車氣動(dòng)阻力的研究顯得十分重要。本文系統(tǒng)地介紹了國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)動(dòng)模型試驗(yàn)、實(shí)車試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算等方法對(duì)高速列車明線工況下氣動(dòng)阻力特性的研究進(jìn)展和結(jié)論，對(duì)未來(lái)研究高速列車明線氣動(dòng)阻力的發(fā)展方向和內(nèi)容進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：高速列車；氣動(dòng)阻力；明線單車；明線會(huì)車

隨著列車運(yùn)行速度的提高，列車的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題變得越來(lái)越顯著，嚴(yán)重影響列車運(yùn)行安全性和乘坐舒適性[1]。列車速度的提高不可避免的帶來(lái)氣動(dòng)阻力的增加，使氣動(dòng)阻力在列車總阻力中所占的比重越來(lái)越大，導(dǎo)致列車的能耗不斷增加[2]。因此，減少列車運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)阻力是降低能耗，提高列車運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題的關(guān)鍵。

1 明線單車運(yùn)行工況

圖1表示了單列車在明線上運(yùn)行時(shí)的壓力分布圖。單列車明線穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，鼻尖處空氣被壓縮形成滯止區(qū)；氣流沿車長(zhǎng)方向上會(huì)形成流動(dòng)邊界層，其厚度在接近車體尾部時(shí)達(dá)到最大；單列車以不同速度運(yùn)行時(shí)，其空氣阻力在車身不同位置的分布特征一致，數(shù)值略有不同。

對(duì)于傳統(tǒng)的列車，當(dāng)車速到達(dá)120km/h時(shí)，氣動(dòng)阻力占到了總阻力的40%左右。對(duì)于更高速度的列車，擁有良好外部流線型的列車能大大降低運(yùn)行時(shí)所受的氣動(dòng)阻力。對(duì)于頭部長(zhǎng)度稍大于5m的流線型動(dòng)車組，當(dāng)車速達(dá)到300km/h時(shí)，列車運(yùn)行時(shí)所受的氣動(dòng)阻力可占到總阻力的85%以上；對(duì)于頭部長(zhǎng)度在10m左右的流線型的高速動(dòng)車組，當(dāng)車速達(dá)到300km/h時(shí)，列車運(yùn)行時(shí)所受的氣動(dòng)阻力也占總阻力的75%以上[3]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者姚栓寶等運(yùn)用數(shù)值仿真的方法對(duì)8編組的CRH3型動(dòng)車組在明線、無(wú)側(cè)風(fēng)、車速為350km/h的運(yùn)行條件下的氣動(dòng)阻力分布特性進(jìn)行了研究。研究表明：列車壓差阻力和氣動(dòng)摩擦阻力分別占列車總氣動(dòng)阻力的75.3%和24.7%。頭車和尾車氣動(dòng)阻力分別占列車總氣動(dòng)阻力的16.1%和15.4%；轉(zhuǎn)向架區(qū)域所受氣動(dòng)阻力各占列車總氣動(dòng)阻力的27.4%；風(fēng)擋區(qū)域所受氣動(dòng)阻力占列車總氣動(dòng)阻力的19.1%；受電弓系統(tǒng)所受氣動(dòng)阻力占列車總氣動(dòng)阻力的12.0%[4]。因此，減小列車氣動(dòng)阻力在列車總阻力的占比，減小列車壓差阻力是重點(diǎn)。此外，頭車和尾車的優(yōu)化設(shè)計(jì)在降低列車運(yùn)行氣動(dòng)阻力中也顯得尤為重要。

2 明線會(huì)車運(yùn)行工況

圖2表示了列車在明線上交會(huì)時(shí)的壓力分布圖。列車明線交會(huì)過(guò)程中，頭頭交會(huì)時(shí)刻車頭受到極大的瞬間壓力，車尾與車頭交會(huì)時(shí)車尾出現(xiàn)極大的瞬間負(fù)壓；頭尾交會(huì)時(shí)刻車頭受到更大的瞬間壓力，車頭與車尾交會(huì)時(shí)車頭出現(xiàn)壓力值更大的瞬間負(fù)壓。列車明線交會(huì)過(guò)程中，頭頭交會(huì)時(shí)刻不同速度下空氣阻力在車身不同位置的分布特征一致，數(shù)值略有不同。

列車在明線上交會(huì)時(shí)要明顯區(qū)別于單車明顯穩(wěn)定運(yùn)行，交會(huì)壓力波作用在會(huì)車內(nèi)側(cè)表面，形成巨大沖擊壓力[5]。列車交會(huì)過(guò)程中，頭頭交會(huì)時(shí)刻車頭受到極大的瞬間壓力；車尾與車頭交會(huì)時(shí)，車尾出現(xiàn)極大的瞬間負(fù)壓，車身側(cè)墻交會(huì)側(cè)受到的壓力波動(dòng)最大；頭尾交會(huì)時(shí)刻，車頭受到更大的瞬間壓力；車頭與車尾交會(huì)時(shí)，車頭出現(xiàn)壓力值更大的瞬間負(fù)壓，車身側(cè)墻交會(huì)側(cè)受到的壓力波動(dòng)最大。在兩列高速動(dòng)車組交會(huì)過(guò)程中，由于列車頭尾部產(chǎn)生的壓力瞬變使列車頭尾壓差瞬間增大或減小，引起列車氣動(dòng)阻力的瞬間增大或減小。

3 結(jié)論

本文簡(jiǎn)要的介紹了國(guó)內(nèi)高速列車明線氣動(dòng)阻力的特性和研究技術(shù)進(jìn)展。隨著我國(guó)高速鐵路恢復(fù)350時(shí)速，以及時(shí)速4000公里高鐵進(jìn)入研發(fā)，在未來(lái)必將涉及更高速度列車氣動(dòng)阻力的相關(guān)問(wèn)題，降低氣動(dòng)阻力在高速列車總阻力中的占比是高速列車空氣動(dòng)力學(xué)研究的關(guān)鍵技術(shù)。期望通過(guò)國(guó)內(nèi)科研院所和廣大列車空氣動(dòng)力學(xué)研究者的努力，為我國(guó)高速列車的發(fā)展提供高水平的氣動(dòng)研究服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1]SCHWANITZ S， WITTKOWSKI M， ROLNY V， etal.Pressure variations on a train： where is the threshold to railway passenger discomfort[J]. Applied Ergonomics， 2013， 44（2） ： 200-209.

[2]張業(yè)，孫振旭，郭迪龍，楊國(guó)偉，尚克明.風(fēng)擋縫寬對(duì)高速列車氣動(dòng)性能的影響[J].鐵道學(xué)報(bào)，2017，39（3）：19-24.

[3]田紅旗.列車空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2007：160-161.

[4]姚栓寶，郭迪龍，楊國(guó)偉，李明高.高速列車氣動(dòng)阻力分布特性研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2012，34（7）：18-23.

[5]田紅旗，姚松，姚曙光.列車交會(huì)壓力波對(duì)車體和側(cè)窗的影響[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2000，21（4）：8-14.