牛紀(jì)強(qiáng),梁習(xí)鋒,周　丹,劉堂紅

(中南大學(xué) 軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410075)

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動(dòng)車組過隧道時(shí)設(shè)備艙氣動(dòng)效應(yīng)動(dòng)模型試驗(yàn)

牛紀(jì)強(qiáng),梁習(xí)鋒,周丹,劉堂紅

(中南大學(xué) 軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410075)

隨著高速鐵路的快速發(fā)展,為了適應(yīng)高寒多風(fēng)沙環(huán)境,設(shè)計(jì)封閉式設(shè)備艙.在過隧道和交會(huì)等惡劣工況下,封閉式設(shè)備艙容易產(chǎn)生較大壓差.采用動(dòng)模型試驗(yàn)方法,對(duì)動(dòng)車組以不同車速(200、250、300 和350 km/h)通過隧道和隧道內(nèi)交會(huì)進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M,建立相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算模型來相互驗(yàn)證.結(jié)果表明,數(shù)值計(jì)算與動(dòng)模型試驗(yàn)波形吻合,幅值相差低于6.8%.對(duì)于單車過隧道,車體表面和設(shè)備艙內(nèi)壓力峰峰值與車速的平方呈線性關(guān)系.對(duì)于隧道內(nèi)交會(huì)工況,車表面壓力對(duì)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(guān)系.設(shè)備艙內(nèi)壓力峰峰值明顯小于車外表面壓力峰峰值.設(shè)備艙內(nèi)不同位置處的壓差峰峰值有明顯波動(dòng),相對(duì)隧道中心交會(huì)而言,單車過隧道工況對(duì)速度更敏感.

動(dòng)車組(EMU)；隧道；設(shè)備艙；壓差；動(dòng)模型試驗(yàn)

列車高速運(yùn)行時(shí),會(huì)引起列車周圍氣流產(chǎn)生一系列變化,如壓力、速度等變化,形成列車風(fēng)等,列車交會(huì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生交會(huì)壓力波,高速穿越隧道時(shí)會(huì)產(chǎn)生活塞風(fēng)、反射波等,統(tǒng)稱為列車氣動(dòng)效應(yīng).我國(guó)幅員遼闊,鐵路沿線氣候及環(huán)境復(fù)雜多變,導(dǎo)致列車氣動(dòng)效應(yīng)更加復(fù)雜多變.隨著高速鐵路的快速發(fā)展和大規(guī)模建設(shè),為了保證高速列車在高寒風(fēng)沙地區(qū)中的安全運(yùn)營(yíng),新型高速列車采用封閉式的設(shè)備艙來隔絕設(shè)備艙內(nèi)部設(shè)備與外界風(fēng)沙,保證設(shè)備艙內(nèi)設(shè)備處于比較穩(wěn)定的溫度環(huán)境中,有效地減少風(fēng)沙雨雪進(jìn)入設(shè)備艙.國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)列車隧道內(nèi)的氣動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行大量研究,且已相對(duì)成熟[1-4].當(dāng)列車在高速運(yùn)行時(shí),封閉的設(shè)備艙內(nèi)、外會(huì)形成較大的壓力差,尤其在列車明線交會(huì)、過隧道以及隧道內(nèi)交會(huì)等較惡劣的運(yùn)行環(huán)境下,造成氣動(dòng)交變載荷作用在設(shè)備艙上,將會(huì)對(duì)設(shè)備艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞安全造成巨大威脅,對(duì)列車的運(yùn)行安全造成嚴(yán)重影響.

目前,高速列車設(shè)備艙的通風(fēng)散熱基本采用在裙板兩側(cè)設(shè)置大面積格柵的方式來保證.設(shè)備艙兩側(cè)設(shè)置大面積格柵導(dǎo)致設(shè)備艙內(nèi)部壓力與外部壓力具有很好的跟隨性,且無明顯的時(shí)間差,導(dǎo)致設(shè)備艙內(nèi)、外的顯著壓差存在[5].梅元貴等[6-12]采用實(shí)車試驗(yàn)方法對(duì)列車車廂內(nèi)壓力變化進(jìn)行大量研究.對(duì)于一些裙板處設(shè)置格柵的設(shè)備艙氣動(dòng)效應(yīng)的研究相對(duì)較少,且鮮有涉及封閉式設(shè)備艙的氣動(dòng)效應(yīng)的研究[13-15].

本文采用動(dòng)模型試驗(yàn)的方法,對(duì)以200、250、300和350 km/h車速單車通過隧道和于隧道中心內(nèi)等速交會(huì)的列車的封閉式設(shè)備艙內(nèi)外耦合氣動(dòng)效應(yīng)(主要是壓力及壓差)進(jìn)行初步研究.

1　動(dòng)模型試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1動(dòng)模型試驗(yàn)臺(tái)

利用中南大學(xué)的“動(dòng)車組空氣動(dòng)力特性動(dòng)模型試驗(yàn)系統(tǒng)”對(duì)高速列車封閉式設(shè)備艙氣動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行動(dòng)模型試驗(yàn)研究.動(dòng)模型試驗(yàn)系統(tǒng)由試驗(yàn)臺(tái)、動(dòng)力系統(tǒng)、加速系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)成.試驗(yàn)線全長(zhǎng)164 m,分為3段：發(fā)射段、試驗(yàn)段和減速段.在試驗(yàn)段上可以安裝各類隧道模型,用于動(dòng)車組交會(huì)和動(dòng)車組過隧道試驗(yàn).動(dòng)模型試驗(yàn)臺(tái)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(shè)計(jì).本次試驗(yàn)動(dòng)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(zhì)高強(qiáng)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(zhǎng)度.為了獲得列車隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)的最惡劣氣動(dòng)性能,根據(jù)文獻(xiàn)[16]中最不利隧道長(zhǎng)度的計(jì)算公式,按照本次試驗(yàn)的模型列車總長(zhǎng)19.8H、最高速度350 km/h等參數(shù)計(jì)算可知,本次試驗(yàn)單車過隧道時(shí)的隧道最不利長(zhǎng)度為240 m,縮比1/20后長(zhǎng)度為12 m,且試驗(yàn)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(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2　Test model of tunnel

1.2 傳感器及采集系統(tǒng)

由于動(dòng)模型試驗(yàn)的壓力變化較快,要求傳感測(cè)量通道具有足夠的響應(yīng)速度.該次試驗(yàn)采集板的采樣頻率為10 000 Hz.壓差測(cè)點(diǎn)是利用壓力傳感器的兩個(gè)進(jìn)氣孔,一個(gè)測(cè)量列車表面壓力,一個(gè)測(cè)量車體表面對(duì)應(yīng)的車內(nèi)位置處的壓力,兩者的差值為該處車內(nèi)、外壓差；絕壓力測(cè)點(diǎn)是堵死傳感器的背壓孔,認(rèn)為此處為大氣壓(動(dòng)模型試驗(yàn)段海拔固定,試驗(yàn)期間溫差、濕度等變化很小,因此,可以認(rèn)為列車運(yùn)行環(huán)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(gè)進(jìn)氣孔來測(cè)量壓力.設(shè)備艙內(nèi)部和動(dòng)車組表面壓力測(cè)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(diǎn)處列車表面切線方向,用來測(cè)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(cè)量車體表面壓力的靜壓孔橡皮管旁邊的車內(nèi),感壓片與傳感器連接的橡皮管垂直于列車運(yùn)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(cè)量設(shè)備艙內(nèi)、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(hào)經(jīng)兩級(jí)放大和二階低通濾波后,消除了軌道不平順和模型機(jī)械振動(dòng)引起的高頻雜散干擾,對(duì)應(yīng)的整個(gè)量程范圍輸出為±5 V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào),送入高速A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集.每個(gè)壓力信號(hào)通道采用獨(dú)立的電路結(jié)構(gòu)和A/D轉(zhuǎn)換器,并以相同的時(shí)基信號(hào)控制同步采樣,從而保證各通道數(shù)據(jù)的快速采集以及在時(shí)間和空間上的一致性.

試驗(yàn)當(dāng)天溫度為25 ℃,濕度為60%,在測(cè)試前對(duì)傳感器系數(shù)進(jìn)行及時(shí)標(biāo)定.

1.3相似方法

利用雷諾數(shù)的自模擬性現(xiàn)象可以明顯地簡(jiǎn)化模型試驗(yàn)的條件.在該次隧道內(nèi)動(dòng)車組設(shè)備艙空氣動(dòng)力學(xué)動(dòng)模型試驗(yàn)中,主要關(guān)心設(shè)備艙內(nèi)、外壓力及壓差.根據(jù)相似理論分析,一般要求滿足主要的相似準(zhǔn)則有馬赫數(shù)Ma和雷諾數(shù)Re.這樣保證模型試驗(yàn)得到的壓力與實(shí)車運(yùn)行時(shí)的壓力是一致的.該次試驗(yàn)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(yàn)列車的Re不低于6.0×105,大于動(dòng)模型試驗(yàn)系統(tǒng)的臨界雷諾數(shù)Recr(3.6×105左右)[17],滿足試驗(yàn)要求.

1.4設(shè)備艙模型

設(shè)備艙內(nèi)部空間及吊掛件幾何外形尺寸按照真實(shí)縮比制作,吊掛件按照實(shí)際情況布置在設(shè)備艙內(nèi),新風(fēng)入口與排風(fēng)口尺寸均按照實(shí)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(shè)備艙的內(nèi)部布置如圖4所示.

通風(fēng)機(jī)的流量按照縮比后設(shè)置,模型中進(jìn)風(fēng)口風(fēng)機(jī)體積流量為0.225 m3/min,排風(fēng)口風(fēng)機(jī)體積流量為0.125 m3/min,風(fēng)機(jī)流速保持不變.在列車彈射前,設(shè)備艙內(nèi)流場(chǎng)充分發(fā)展,采用對(duì)12 V直流風(fēng)機(jī)單獨(dú)進(jìn)行供電的方式來保證風(fēng)機(jī)的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行.

圖4　設(shè)備艙模型內(nèi)部布置Fig.4　Internal layout of train compartment

1.5測(cè)點(diǎn)布置

該次動(dòng)模型試驗(yàn)列車模型為3車編組,設(shè)備艙位于中間車,因此,測(cè)點(diǎn)主要布置在中間車上.共布置13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),其中,編號(hào)1、4、6、9、11為動(dòng)車組車外表面壓力測(cè)點(diǎn),編號(hào)2、3、5、7、8、10為設(shè)備艙內(nèi)部壓差測(cè)點(diǎn),12和13號(hào)為設(shè)備艙內(nèi)部壓力測(cè)點(diǎn).1號(hào)為頭車鼻尖測(cè)點(diǎn),主要用于輔助辨別速度；2～13號(hào)均位于中間車上, 2～7號(hào)為交會(huì)側(cè)測(cè)點(diǎn),8～11號(hào)為靠近隧道壁測(cè)點(diǎn), 12和13號(hào)為車內(nèi)測(cè)點(diǎn),如圖5所示.

圖5　測(cè)點(diǎn)布置Fig.5　Arrangement of measuring points

2　動(dòng)模型試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算對(duì)比

為了保證數(shù)據(jù)的可比性,提高數(shù)據(jù)可信度,針對(duì)動(dòng)模型試驗(yàn)工況,建立相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算縮比模型.在數(shù)值計(jì)算中,風(fēng)機(jī)特征參數(shù)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置均與動(dòng)模型中采用的一致.為了節(jié)約計(jì)算資源,該次數(shù)值計(jì)算選用2個(gè)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(huì).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(nèi)交會(huì)時(shí),車體表面和設(shè)備艙部分測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的對(duì)比曲線.圖中，p為測(cè)點(diǎn)壓力.從圖6、7可知,通過動(dòng)模型試驗(yàn)所得的壓力及壓差波形與數(shù)值計(jì)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(shù)據(jù)的對(duì)比Fig.6　Data comparison of train going through tunnel

圖7　列車隧道內(nèi)交會(huì)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.7　Data comparison of trains passing through tunnel

如表1所示為當(dāng)列車以350 km/h車速通過隧道和于隧道內(nèi)交會(huì)時(shí),車體表面和設(shè)備艙壁面部分測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算波形的峰峰值Δp.從表1的數(shù)據(jù)對(duì)比可知,動(dòng)模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)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(dòng)模型與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比

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

單車過隧道/測(cè)點(diǎn)序號(hào)△p/Pa動(dòng)模型試驗(yàn)數(shù)值計(jì)算偏差/%列車外表面壓力/11252426515.0設(shè)備艙內(nèi)壁面壓力/13211022536.8設(shè)備艙內(nèi)、外壓差/5171017975.1隧道內(nèi)交會(huì)/測(cè)點(diǎn)序號(hào)Δp/Pa動(dòng)模型試驗(yàn)數(shù)值計(jì)算偏差/%列車外表面壓力/11704273714.7設(shè)備艙內(nèi)壁面壓力/13604463605.2設(shè)備艙內(nèi)、外壓差/5242125425.0

3　單車過隧道設(shè)備艙氣動(dòng)效應(yīng)研究

3.1單車過隧道時(shí)設(shè)備艙氣動(dòng)壓力變化

如圖8所示為列車表面9和11號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力變化峰峰值隨車速v的變化曲線.可知,車體表面9號(hào)和11號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力變化峰峰值與車速的平方呈線性關(guān)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(dāng)動(dòng)車組分別以200、250、300和350 km/h速度通過隧道時(shí),設(shè)備艙內(nèi)12和13號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力變化峰峰值隨車速的變化曲線.可知,設(shè)備艙內(nèi)部壓力變化峰峰值與車速的平方近似呈線性關(guān)系,隨車速的增加而增大；設(shè)備艙內(nèi)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(shè)備艙內(nèi)過程中能量有明顯損失,且與進(jìn)風(fēng)口與排風(fēng)口處風(fēng)機(jī)對(duì)壓力傳播的抵抗有一定關(guān)系.

圖9　設(shè)備艙內(nèi)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(dòng)車組不同車速通過隧道時(shí),設(shè)備艙內(nèi)壓差變化峰峰值及RMS.從表2的數(shù)據(jù)可知,設(shè)備艙內(nèi)不同位置處的壓差變化峰峰值有明顯波動(dòng).為了便于比較設(shè)備艙內(nèi)壓差變化與車速的關(guān)系,計(jì)算設(shè)備艙內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)壓差的RMS.當(dāng)車速為200、250、300和350 km/h時(shí),設(shè)備艙內(nèi)測(cè)點(diǎn)壓差峰峰值最大差距分別為10.2%、22.6%、15.3%和9%.

表2　設(shè)備艙內(nèi)壓差變化峰峰值

如圖10所示為設(shè)備艙內(nèi)各測(cè)點(diǎn)壓差變化峰峰值的RMS隨車速的變化曲線.可知,設(shè)備艙內(nèi)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(guān)系.

圖10　設(shè)備艙內(nèi)、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(nèi)列車交會(huì)時(shí)設(shè)備艙氣動(dòng)壓力變化

如表3所示為當(dāng)動(dòng)車組以不同車速于隧道中心交會(huì)時(shí)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(cè)點(diǎn)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(guān)系,即隧道內(nèi)交會(huì)對(duì)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(hào)測(cè)點(diǎn)壓力的變化曲線.可知,由于列車進(jìn)入隧道速度不同,不僅導(dǎo)致壓力波幅值不同,而且引起列車頭尾入洞存在不同時(shí)間差,進(jìn)而導(dǎo)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(dāng)動(dòng)車組以不同車速于隧道中心等速交會(huì)時(shí)的設(shè)備艙內(nèi)壓力變化峰峰值.可知,設(shè)備艙內(nèi)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(shè)備艙內(nèi)壓力變化峰峰值

如圖13所示為設(shè)備艙內(nèi)部13號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力變化曲線.可知,由于列車運(yùn)行速度不同,引起隧道內(nèi)的壓力波形及幅值存在較大差異,加之壓力波傳播到設(shè)備艙不同位置存在時(shí)間差,導(dǎo)致設(shè)備艙內(nèi)不同位置處的壓力波有一定差異.

圖13　不同車速下設(shè)備艙內(nèi)的壓力波形Fig.13　Pressure wave in equipment cabin under different speed

如表5所示為當(dāng)動(dòng)車組以不同車速于隧道中心交會(huì)時(shí)的設(shè)備艙內(nèi)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(dāng)車速為200、250、300和350 km/h時(shí),設(shè)備艙內(nèi)測(cè)點(diǎn)壓差峰峰值最大差距分別為12.5%、6.9%、3.2%和0.8%.

表5設(shè)備艙內(nèi)、外壓差變化峰峰值

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

equipment cabin

測(cè)點(diǎn)序號(hào)Δp/Pa200km/h250km/h300km/h350km/h2848105215832475372911211620248757301178151224217718117815702486877612251637248510711111415952450RMS754114615872468

如圖14所示為設(shè)備艙內(nèi)各測(cè)點(diǎn)壓差變化峰峰值的RMS隨車速的變化曲線.可知,設(shè)備艙內(nèi)壓差變化峰峰值與車速的平方呈線性關(guān)系；對(duì)于設(shè)備艙內(nèi)壓差變化而言,單車過隧道工況對(duì)速度更敏感.

如圖15所示為設(shè)備艙內(nèi)部5號(hào)測(cè)點(diǎn)壓差變化曲線.可知,引起隧道內(nèi)壓力波形及幅值存在較大差異,加之壓力波傳播到設(shè)備艙內(nèi)不同位置存在時(shí)間差,進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備艙內(nèi)不同位置處壓差波有明顯差異.

圖14　設(shè)備艙內(nèi)、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(shè)備艙內(nèi)、外壓差波形Fig.15　Differential pressure wave in equipment cabin under different speed

4　結(jié)　論

(1) 列車單車通過隧道和于隧道中心等速交會(huì)兩過程,設(shè)備艙外表面壓力變化峰峰值均基本一致；設(shè)備艙內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)壓力變化相差較小,但正、負(fù)峰值有一定差異；設(shè)備艙內(nèi)不同位置處壓差變化幅值差距相對(duì)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(guān)系；隧道內(nèi)交會(huì)車體表面壓力變化峰峰值與車速的三次方呈線性關(guān)系.對(duì)于車體表面壓力,隧道內(nèi)交會(huì)對(duì)于速度比單車過隧道更加敏感.

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

(4) 設(shè)備艙內(nèi)不同位置處壓差變化峰峰值有明顯波動(dòng).相對(duì)隧道中心交會(huì)而言,單車過隧道工況對(duì)速度更敏感.

[1] 許建林, 孫建成, 梅元貴,等. 高速列車隧道內(nèi)交會(huì)壓力波基本特性數(shù)值模擬研究[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2016, 35(3): 184-191．

XU Jian-lin, SUN Jian-cheng, MEI Yuan-gui, et al. numerical simulation on crossing pressure wave characteristics of two high-speed trains in tunnel [J]. Journal of Vibration and Shock, 2016, 35(3): 184-191．

[2] 梅元貴, 孫建成, 許建林,等. 高速列車隧道交會(huì)壓力波特性[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào), 2015, 15(5): 34-43．

MEI Yuan-gui, SUN Jian-cheng, XU Jian-lin, et al. Crossing pressure wave characteristics of high-speed trains in tunnel[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2015, 15(5): 34-43．

[3] RABANI M, FAGHIH A K. Numerical analysis of airflow around a passenger train entering the tunnel [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2015, 45(45): 203-213．

[4] KO Y Y, CHEN C H, HOE I T, et al. Field measurements of aerodynamic pressures in tunnels induced by high speed trains [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2012, 100(1): 19-29．

[5] 張川寶,黃少東,范樂天,等. 高速列車設(shè)備艙壓力特性分析[J]. 鐵道車輛, 2015, 53(2): 5-8．

ZHANG Chuan-bao, HUANG Shao-dong, FAN Le-tian, et al. Analysis of pressure characteristic of equipment bay on high speed [J]. Rolling Stock, 2015, 53(2): 5-8．

[6] 梅元貴,周朝暉. 高速列車通過隧道時(shí)誘發(fā)車廂內(nèi)壓力波動(dòng)的數(shù)值分析[J]. 鐵道學(xué)報(bào), 2005, 27(5): 36-40.

MEI Yuan-gui, ZHOU Chao-hui. Numerical analysis of transient pressures inside high speed passenger trains through tunnels [J]. Journal of the China Railway Society, 2005, 27(5): 36-40．

[7] 王前選,梁習(xí)鋒,任鑫. 列車高速通過隧道時(shí)車內(nèi)壓力波模擬試驗(yàn)研究[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2014, 45(5): 1699-1704.

WANG Qian-xuan, LIANG Xi-feng, REN Xin. Experimental research on simulation of interior pressure of train passing through tunnel at high speed [J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2014, 45(5): 1699-1704．

[8] 亢文祥, 陳春棉, 熊小慧. CRH2動(dòng)車組新風(fēng)換氣裝置對(duì)車內(nèi)壓力波動(dòng)影響試驗(yàn)研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2011, 8(5): 84-89.

KANG Wen-xiang, CHEN Chun-mian, XIONG Xiao-hui. Experimental research on the pressure variation effect inside the car caused by CRH2 EMU new-wind ventilator [J]. Journal of Railway of Railway Science and Engineering, 2011, 8(5): 84-89．

[9] 張相,梅元貴,周朝暉. 高速列車車內(nèi)壓力波動(dòng)值計(jì)算方法初探[J]. 鐵道機(jī)車車輛, 2008, 28(4): 33-35.

ZHANG Xiang, MEI Yuan-gui, ZHOU Chao-hui. Calculating method of pressure change inside high speed train [J]. Railway Locomotive and Car, 2008, 28(4): 33-35．

[10] 江傳東,陳春俊,方超. 高速列車隧道通過對(duì)車內(nèi)流場(chǎng)影響研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2015(1): 4-6.

JIANG Chuan-dong, CHEN Chun-jun, FANG Chao. Study on air flow fieild when high-speed train crossing through a tunnel [J]. Machinery Design and Manufacture, 2015(1): 4-6．

[11] 莊達(dá)民,林國(guó)華,袁修干. 高速列車艙內(nèi)氣流分布的數(shù)值模擬[J]. 鐵道學(xué)報(bào), 2000, 22(2): 26-30.

ZHUANG Da-min, LIN Guo-hua, YUAN Xiu-gan. Simulation of air distribution in cabin of high speed train [J]. Journal of the China Railway Society, 2000, 22(2): 26-30．

[12] 許良中, 梁習(xí)鋒, 劉堂紅,等. 單車明線工況下高速列車室內(nèi)壓力波動(dòng)研究[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2014, 45(8): 2878-2884．

XU Liang-zhong, LIANG Xi-feng, LIU Tang-hong, et al. Pressure variation test inside full-scale high-speed train running in open area [J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2014, 45(8): 2878-2884．

[13] 宋紅,孫彥. 高速列車設(shè)備艙底板折邊氣動(dòng)阻力和底板剛度分析[J]. 計(jì)算機(jī)輔助工程, 2011, 20(2): 7-10．

SONG Hong,SUN Yan. Analysis on aerodynamic resistance of bottom plate flap of equipment cabin and bottom plate stiffness for high speed train [J]. Numerical Simulation of Engineering and CAE Algorithm, 2011, 20(2): 7-10．

[14] 徐世南, 張繼業(yè), 李田,等. 高速列車過隧道時(shí)的底板壓力分析[J]. 計(jì)算機(jī)輔助工程, 2015, 24(4):28-32．

XU Shi-nan, ZHANG Ji-ye, LI Tian, et al. Analysis on pressure of bottom panel of high-speed train passing through tunnel [J]. Computer Aided Engineering, 2015, 24(4):28-32．

[15] 王文靜, 惠曉龍, 馬紀(jì)軍. 高速列車設(shè)備艙支架疲勞裂紋機(jī)理研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2015, 51(6):142-147．

WANG Wen-jing, HUI Xiao-long, MA Ji-jun. Fatigue crack mechanism research on high speed train equipment cabin frame [J]. Journal of Mechanical Engineering, 2015, 51(6):142-147．

[16] 田紅旗. 中國(guó)高速軌道交通空氣動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展及發(fā)展思考[J]. 中國(guó)工程科學(xué), 2015(4): 30-41．

TIAN Hong-qi. Development of research on aerodynamics of high-speed rails in China [J]. Engineering Sciences, 2015(4): 30-41．

[17] 田紅旗. 列車空氣動(dòng)力學(xué)[M]. 北京:中國(guó)鐵道出版社, 2006.

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(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)網(wǎng)址： www.journals.zju.edu.cn/eng

高鐵聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(U1134203, U1334205)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51575538)；湖南省自然基金資助項(xiàng)目(14JJ3028)；中南大學(xué)教師研究基金資助項(xiàng)目(2013JSJJ014)；湖南省研究生科研創(chuàng)新資助項(xiàng)目(CX2015B046)；中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)課題資助項(xiàng)目(2013J008-E)； 中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013B001-A-2).

牛紀(jì)強(qiáng)(1988-)，男，博士生，從事列車空氣動(dòng)力學(xué)研究. ORCID: 0000-0002-0768-0788. E-mail: jiqiang_niu@163.com

通信聯(lián)系人：梁習(xí)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