高速列車頭車外形結構優化風洞試驗研究*

繆新樂，李 明，姚 勇，黃志祥，鄧勇軍

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

我國的高速列車在最近幾年發展迅猛，高速列車的運營里程達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段聯調聯試和綜合試驗中，由中國南車集團研制的“和諧號”CRH380A新一代高速動車組的最高時速達到486．1 km［1］。隨著列車運行時速的提高，列車的空氣動力學問題日益突出。列車空氣動力研究的目的主要是減小氣動阻力，改善操縱穩定性，提高安全舒適性及減小其對環境的影響［2］。列車在空氣中高速運動時，其氣動性能，如氣動阻力、升力等，與其氣動外形有著密切的關系。隨著運行速度的不斷增加，列車氣動性能問題越來越突出，因此，研究不同氣動外形對高速列車氣動性能的影響規律，對于設計和優化氣動外形，并使其滿足工程實際應用需要有著重要的意義［3－4］。對列車氣動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。張?。?］對列車進行風洞試驗研究后認為:流線形車頭細長比的大小對氣動性能有重要影響，細長比越大，氣動性能越優;列車前部的動車車頭形狀對中間客車阻力的影響小且隨中間客車數目的增加而逐漸減小;列車尾部的動車車頭形狀對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車車頭形狀影響較大，在車頭細長比相同的情況下，能使氣流主要朝車頭上方流動的2次元形狀比氣流朝四周流動的三次元形狀的車頭波性能好，在外形基本相同的情況下，頭部細長比越大，車頭波性能越好。舒信偉等［6］對列車頭型進行數值模擬后認為:隨著流線型頭部長度增加(其他條件相同)，列車氣動阻力和升力降低;在頭部流線型長度相當的情況下，縱剖面輪廓線上凸的頭車氣動阻力比下凹的小，而尾車氣動阻力大;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升力大于下凹的。目前國內外對列車空氣動力學研究的主要方法有數值模擬計算、風洞試驗、嘛動模型試驗和在線實車試驗［7］。本文采用風洞縮尺模型模擬試驗的方法對4種新型的高速列車頭車進行風洞試驗研究，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

本次試驗所選用的高速列車頭車模型，采用CFD方法對CRH380A高速列車車頭形狀進行結構優化后進行空氣動力學性能進行計算、分析、比較。選出4種空氣動力性能較好的頭車模型。然后對4種優化后的頭車模型進行模具加工。4種頭型模型如圖1所示。

圖1 列車試驗模型的4種頭型Fig．1 Four kinds nose shape of the train test

1．2 模型

列車試驗模型比例為1∶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。為了模擬實際情況本次試驗帶軌道路基進行試驗。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 試驗方法及內容

2．1 風洞試驗

本次試驗在中國空氣動力研究與發展中心的8 m×6 m風洞第二試驗段進行。8 m×6 m風洞是閉口串列雙試驗段的大型低速風洞，第二試驗段寬8 m，高6 m，長15 m，帶列車試驗地板后的常用試驗風速20～70 m/s。

2．2 試驗內容

對列車模型的頭車、中間車和尾車采用3 d平同時測力的方案，測力天平位于模型內腔。列車模型內部天平聯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，調整模型的角度及方向，待一切準備妥當后按照計劃的內容進行試驗，并記錄數據。

本次試驗先對NEW－A頭型進行了5次重復性試驗，然后分別對4組模型進行測力試驗，風速為30～70 m/s，側偏角為 －30°～30°，具體試驗內容見表2。

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

表2 試驗內容Table 2 Test contents

3 試驗結果及分析

3．1 重復性試驗結果分析

對NEW－A頭型列車模型進行5次重復性試驗，并進行重復性試驗精度計算。在側偏角為0°時，頭車的升力系數、阻力系數、俯仰力矩系數、側向力系數、側偏力矩系數、傾覆力矩系數的精度分別為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洞重復性測力試驗精度，本次測力重復性試驗精度較高，尤其是阻力的重復性試驗精度。因此，本次重復性試驗精度滿足要求。

3．2 變風速試驗結果分析

在側偏角0°時，對NEW－A頭型進行變風速試驗，試驗風速序列為 30，35，40，45，50，55，60，65和70 m/s，變風速試驗結果如圖3所示。從圖3可以看出:NEW－A頭型在35 m/s風速及以上風速范圍內，頭車、中間車、尾車氣動力和力矩隨風速的增加變化很小。

圖3 變風速測力試驗結果Fig．3 Force measurement results of variable wind

在35～70 m/s的試驗風速范圍內，頭車、中間車和尾車的cv在各風速下的試驗結果差異較小，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。與重復性試驗精度相比可以看出，上述變風速試驗結果的均方根與重復性試驗精度非常接近。因此，可以認為:NEW－A頭型的列車模型在35～70 m/s的試驗風速范圍內，風速變化對氣動特性的影響很小。

3．3 各種頭型氣動特性的比較

圖4～5所示為4種頭型的列車模型變側偏角試驗的結果比較。從圖4～5可以看出:4種頭型列車模型各節車的氣動特性隨變側偏角的變化規律基本一致。從圖4可以看出:在試驗側偏角范圍內，各種頭型列車模型的頭車最大氣動升力明顯比中間車和尾車的大;當側偏角絕對值為10．2°時，4種頭型頭車的cv差異很小;當側偏角絕對值大于10．2°時，NEW－B的頭車cv最大，NEW－C的頭車cv最小。從圖5可以看出:在試驗側偏角為0°時，4種頭型列車模型各節車及全車的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。在其他試驗側偏角范圍內，NEW－A的cx基本上也最小。在試驗側偏角范圍內，NEW－A各節車的cv隨著側偏角絕對值的增大而單調增加;在側偏角為0°時，尾車的cx最大，中間車的cx最小。頭車的cx在側偏角絕對值約24°時出現負值，中間車的cx隨著側偏角絕對值的增大先增加后減小，cx出現拐點的側偏角絕對值大約為16．7°，尾車的cx基本是隨著側偏角絕對值的增加而增大。因此，綜合比較不同頭型列車模型的氣動特性，在試驗側偏角范圍內，NEW－A的氣動阻力特性最優，NEW－B的氣動升力特性最差，4種頭型的側向力氣動特性差異不明顯。

圖4 不同頭型列車模型的升力氣動特性的比較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特性的比較Fig．5 Comparison of different nose shapes＇drag aerodynamic characteristics

4 結論

(1)4種頭型中，NEW－A頭型的空氣動力性能最好，時速為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的試驗風速范圍內，風速的變化對氣動特性的影響很小。

(3)當側偏角不變時，模型NEW－A的頭車、中間車和全車氣動阻力最小。

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