快速地鐵車輛氣動(dòng)效應(yīng)及車輛設(shè)計(jì)參數(shù)分析

唐聞天 王麗麗

(1. 上海軌道交通檢測技術(shù)有限公司，200434，上海；2.中車大連機(jī)車車輛有限公司， 116022，大連//第一作者，工程師)

目前，伴隨我國城鎮(zhèn)化水平的提高，以及鐵路跨線聯(lián)運(yùn)方案的不斷提出，部分城市對(duì)地鐵列車運(yùn)行速度提出了更高的要求，快速地鐵車輛逐漸涌現(xiàn)。盡管地鐵列車的速度沒有高速鐵路那么快，但地鐵隧道阻塞比(一般在0.45左右)相對(duì)高速鐵路卻要大很多。從高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)的研究[1]來看，快速地鐵車輛將會(huì)產(chǎn)生比較明顯的隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。因此，有必要對(duì)快速地鐵車輛運(yùn)行時(shí)的空氣動(dòng)力效應(yīng)開展深入研究，分析空氣動(dòng)力效應(yīng)對(duì)地鐵車輛設(shè)計(jì)參數(shù)的影響。

1 快速地鐵車輛的定義

目前，尚未有對(duì)快速地鐵車輛的統(tǒng)一定義，我國現(xiàn)行的《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》也僅考慮運(yùn)行速度不超過100 km/h的地鐵車輛。本文參考我國鐵路列車速度劃分標(biāo)準(zhǔn)，將地鐵車輛按如下速度等級(jí)劃分(見表1)。

表1 地鐵車輛速度等級(jí)劃分

2 快速地鐵車輛氣動(dòng)效應(yīng)分析

地鐵列車在區(qū)間隧道中運(yùn)行時(shí)，由于空氣流動(dòng)受到隧道及車體的限制以及空氣的可壓縮性，空氣壓強(qiáng)驟然增大，從而形成壓縮波并向周圍傳播，引起隧道內(nèi)部及列車車體表面的壓力產(chǎn)生變化，進(jìn)而壓力波動(dòng)傳播到車內(nèi)。這種壓力波的傳播可引發(fā)如下問題：列車前后的空氣壓差及空氣與車輛表面的摩擦形成空氣阻力；隧道壓力波動(dòng)引起車廂內(nèi)壓力突變，導(dǎo)致乘客的不良反應(yīng)；產(chǎn)生噪聲，引起車內(nèi)乘客耳膜壓痛等。

2.1 空氣阻力

列車在行駛過程中的阻力分為空氣阻力和行駛阻力。當(dāng)列車低速行駛時(shí)，行駛阻力占首要位置，空氣阻力對(duì)列車行駛的影響不大。但隨著列車速度的提高，列車的空氣阻力也隨之快速增加，根據(jù)國外學(xué)者研究，當(dāng)列車速度為160 km/h時(shí)，空氣阻力占總運(yùn)行阻力的60%[2]。 列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)受到的空氣阻力比其在明線上運(yùn)行要大好幾倍。隧道內(nèi)列車空氣阻力的主要影響因素包括列車速度、阻塞比、列車長度等。

2.2 壓力波動(dòng)

列車在通過隧道時(shí)，由于隧道壁對(duì)空氣的限制，發(fā)生空氣動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的強(qiáng)度較明線環(huán)境下強(qiáng)烈得多，因此，列車在隧道中行駛就像活塞在氣缸中高速運(yùn)動(dòng)一樣，使列車周圍的空氣處于瞬變狀態(tài)。列車車頭推開的空氣被迫在隧道中高速運(yùn)動(dòng)，大量空氣被推向前方，少量的空氣通過列車與隧道壁的間隙流向列車后方，形成空氣壓力波[3-5]。隧道中空氣壓力波的特性與隧道和列車兩方面的因素密切相關(guān)，阻塞比及列車運(yùn)行速度是影響隧道中空氣壓力波最重要的兩個(gè)因素。

2.3 氣動(dòng)噪聲

地鐵列車氣動(dòng)噪聲主要是因?yàn)榈罔F列車車體表面出現(xiàn)空氣流中斷所產(chǎn)生的渦流導(dǎo)致。根據(jù)其性質(zhì)不同，可以把噪聲源分為兩類：結(jié)構(gòu)體表面流體產(chǎn)生的噪聲；紊流產(chǎn)生的噪聲[6]。氣動(dòng)噪聲與列車的行駛速度、車體表面的粗糙程度，以及車體前端是否流線化等因素有關(guān)。氣動(dòng)噪聲不僅會(huì)引起環(huán)境污染，還會(huì)造成結(jié)構(gòu)疲勞和破壞。由于受到較小且連續(xù)隧道斷面封閉空間的影響，地鐵列車噪聲的傳遞、衰減機(jī)理與鐵路列車存在很大差異。

3 快速地鐵車輛氣動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)分析

3.1 車體斷面面積

3.1.1 車體斷面面積與空氣阻力的關(guān)系

列車的空氣阻力與車體斷面面積近似成線性增大關(guān)系，如圖1所示。車體斷面設(shè)計(jì)過程中，在保證乘座空間及設(shè)備安裝要求的前提下，應(yīng)盡量控制車體斷面面積，以便盡可能降低列車空氣阻力。

圖1 車體斷面面積與空氣阻力的關(guān)系

3.1.2 車體斷面面積與車內(nèi)壓力的關(guān)系

列車的空氣壓力波幅值與車體斷面面積成1.3±0.25次方關(guān)系增加，如圖2所示。列車運(yùn)行速度越高，車體斷面面積對(duì)壓力波幅值的影響越為顯著。在車體斷面輪廓設(shè)計(jì)過程中，在車頂和側(cè)頂采用圓弧優(yōu)化，并采用鼓形側(cè)墻，有利于降低壓力波，提升橫風(fēng)氣動(dòng)性能。

圖2 車體斷面面積與空氣壓力波的關(guān)系

3.1.3 車體斷面面積與氣動(dòng)噪聲的關(guān)系

隨著車體斷面面積增加，車身表面氣動(dòng)噪聲源面積增大，進(jìn)而導(dǎo)致列車氣動(dòng)噪聲增加，如圖3所示。但列車氣動(dòng)噪聲與車體斷面面積之間的具體關(guān)系，還需進(jìn)一步研究。在車體斷面設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)使斷面輪廓具有盡可能高的流線化程度，這樣可使得氣流流動(dòng)更為平順，有利于降低氣動(dòng)噪聲。

圖3 車體斷面面積與氣動(dòng)噪聲的關(guān)系

3.2 列車速度

3.2.1 列車速度與空氣阻力的關(guān)系

列車速度與空氣阻力的擬合曲線呈現(xiàn)出二次拋物線形狀，即空氣阻力與車速的平方成正比[7](如圖4所示)。當(dāng)運(yùn)行速度達(dá)到140 km/h時(shí)，列車的空氣阻力將是運(yùn)行速度為80 km/h時(shí)的3倍多。因此，車輛設(shè)計(jì)時(shí)需采取必要的措施，以降低列車的空氣阻力。

圖4 列車速度與空氣阻力的關(guān)系

3.2.2 列車速度與車外壓力幅值的關(guān)系

在相同阻塞比的條件下，車體表面壓力幅值與列車速度的平方近似成線性關(guān)系[8]，如圖5所示。當(dāng)?shù)罔F列車的運(yùn)行速度達(dá)到140 km/h時(shí)，車外壓力波幅值可達(dá)4 400 Pa。

圖5 不同速度下車外壓力幅值變化曲線

車外壓力波幅值還受阻塞比的影響。隨著阻塞比的增加，車外壓力波幅值也隨之增大，如圖6所示。當(dāng)阻塞比達(dá)到0.45時(shí)，100 km/h的地鐵列車車外壓力波幅值可達(dá)2 200 Pa。

3.2.3 列車速度與車內(nèi)壓力幅值的關(guān)系

隧道內(nèi)產(chǎn)生的瞬變壓力向車輛傳遞的規(guī)律主要取決于車輛密封性和車體剛度兩個(gè)因素。當(dāng)列車完全不密封，則車內(nèi)外壓力相同；當(dāng)列車完全密封，且車體的剛度又比較大時(shí)，則車外的空氣壓力瞬變對(duì)車內(nèi)幾乎沒有影響。目前，國內(nèi)外常用密封指數(shù)τ來表征車輛密封性能。參考國外對(duì)列車密封性的研究成果，對(duì)于不密封車輛，τ為0.4～0.8 s；稍加密封的車輛，τ為1.5 s或3 s；密封性能好的車輛，τ≥5 s；對(duì)于密封空調(diào)車，τ≥7 s。

圖6 不同阻塞比下車外壓力幅值變化曲線

相關(guān)學(xué)者對(duì)地鐵車輛以不同速度通過不同阻塞比隧道時(shí)的氣動(dòng)壓力波情況展開了分析研究[9-12]，結(jié)合推薦的車內(nèi)壓力限值[13]，可得到不同列車速度下的車內(nèi)壓力變化幅值和變化率，以及車內(nèi)壓力舒適性，如表2所示。

表2 不同列車速度和不同阻塞比下的車內(nèi)壓力變化及舒適性情況

由表2可知，列車在不同隧道斷面中運(yùn)行時(shí)，車輛的密封性越好，車內(nèi)壓力環(huán)境越舒適。但是，考慮到制造成本和制造工藝，車輛密封性并非越高越好。表3為不同列車速度、不同阻塞比條件下推薦的車輛密封指數(shù)。

3.2.4 列車速度與噪聲的關(guān)系

隨著列車運(yùn)行速度的增加，列車與空氣之間的相互作用變得越來越顯著，速度的提升對(duì)列車的氣動(dòng)特性產(chǎn)生顯著的影響。圖7給出了列車速度與噪聲之間的關(guān)系，列車的氣動(dòng)噪聲與其運(yùn)行速度的6次方成正比。

表3 不同列車速度、不同阻塞比條件下的車輛密封指數(shù)

圖7 列車速度與氣動(dòng)噪聲的關(guān)系

隨著列車運(yùn)行速度的變化，車外主要噪聲源也發(fā)生變化，如圖8所示。列車速度提升，輪軌噪聲和氣動(dòng)噪聲顯著增大，并呈指數(shù)增長。其中，氣動(dòng)噪聲大約以60 lgv的速率增長，輪軌噪聲大約以30 lgv的速率增長。列車速度為140 km/h時(shí)，噪聲源分布為輪軌噪聲>氣動(dòng)噪聲>牽引噪聲。

注：vout為計(jì)算參考速度

根據(jù)文獻(xiàn)[14]中的經(jīng)驗(yàn)公式，可大致推算出快速地鐵列車以140 km/h運(yùn)行時(shí)，車外輻射噪聲限值為88 dB(A)。因此，需采取必要措施對(duì)車輛進(jìn)行隔聲降噪處理。參照既有地鐵列車和城際列車的噪聲水平，快速地鐵列車的車內(nèi)噪聲推薦值見表4。

表4 不同速度條件下車內(nèi)噪聲指標(biāo)推薦值 dB(A)

3.3 列車頭型長細(xì)比

由于地鐵列車運(yùn)行速度一般不高于80 km/h，鈍頭頭型列車產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力在整車阻力中的比重較小，所以地鐵列車通常采用鈍頭頭型。但是，隨著列車運(yùn)行速度的增加，鈍頭頭型列車產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力將快速增大，以致在整車阻力中占據(jù)主導(dǎo)地位。研究表明，列車的氣動(dòng)阻力隨著頭型長細(xì)比的增加而減小[15]，如圖9所示。由于鈍頭頭型的長細(xì)比小，因此鈍頭頭型列車的氣動(dòng)阻力較流線型頭型列車的氣動(dòng)阻力增加得更快。也就是說，列車運(yùn)行速度越高，流線型列車的減阻效果越明顯，為此，在快速地鐵列車的氣動(dòng)設(shè)計(jì)過程中，頭型長細(xì)比也是需要予以考慮的重要指標(biāo)。

3.4 車體表面平順性

通過開展車體表面平順化設(shè)計(jì)，可以有效降低列車的空氣阻力。采用全包圍式車下設(shè)備艙能夠有效降低列車空氣阻力，但增加設(shè)備艙將使得列車質(zhì)量增加，進(jìn)而使得列車的滾動(dòng)機(jī)械阻力變大，因此，需要平衡機(jī)械阻力和空氣阻力的關(guān)系。車體表面平順化及車下全包設(shè)備艙設(shè)計(jì)方案如圖10所示。車體表面平順化減阻效果見表5。

圖9 列車頭型長細(xì)比與空氣阻力的關(guān)系

由圖10和表5可知，通過車體表面平順化設(shè)計(jì)，列車空氣阻力可減少約13%；采用全包圍式設(shè)備艙設(shè)計(jì)，列車空氣阻力可減少20%，效果明顯。但是，采用設(shè)備艙會(huì)使得車身質(zhì)量增大，進(jìn)而導(dǎo)致列車機(jī)械阻力增加(具體數(shù)據(jù)與設(shè)備艙方案有關(guān))，因此，采用全包設(shè)備艙的最終氣動(dòng)減阻率約為15%。

a) 全包設(shè)備艙

表5 車體表面平順化減阻效果

4 結(jié)語

本文對(duì)快速地鐵車輛可能產(chǎn)生的氣動(dòng)問題進(jìn)行了描述，并從工程實(shí)踐的角度，簡要分析了與氣動(dòng)效應(yīng)相關(guān)的車輛設(shè)計(jì)參數(shù)及其變化規(guī)律，以便為快速地鐵車輛的設(shè)計(jì)提供參考。下一步，將結(jié)合具體項(xiàng)目，深入研究車輛設(shè)計(jì)參數(shù)(如車體斷面面積)與氣動(dòng)噪聲的關(guān)系，并提出氣動(dòng)激勵(lì)噪聲源和對(duì)應(yīng)噪聲控制策略，因?yàn)檫@是影響地鐵列車進(jìn)一步提速的主要瓶頸。