郭易 郭迪龍,2) 楊國(guó)偉,? 劉雯,?

?(中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所流固耦合系統(tǒng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

?(中國(guó)科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院,北京 100190)

引言

列車風(fēng)是由于空氣的黏性作用,在列車高速運(yùn)動(dòng)時(shí)誘導(dǎo)列車周圍空氣產(chǎn)生的氣流流動(dòng).

高速列車運(yùn)行引起的列車風(fēng)是列車空氣動(dòng)力學(xué)重要的研究?jī)?nèi)容和保證列車安全運(yùn)行的重要方面.根據(jù)實(shí)車實(shí)驗(yàn)測(cè)試,在距離列車側(cè)邊1.3 m 處,列車風(fēng)的瞬時(shí)風(fēng)速最高可達(dá)列車運(yùn)行速度的40%[1-2].目前我國(guó)高速動(dòng)車組的最高持續(xù)運(yùn)行速度為350 km/h(97.2 m/s),也就是說(shuō),高速通過(guò)的動(dòng)車組列車會(huì)產(chǎn)生39 m/s 的列車風(fēng).在這種環(huán)境下人們很難無(wú)意識(shí)地保持站立姿勢(shì),這會(huì)異常危險(xiǎn).高速列車運(yùn)行時(shí)誘導(dǎo)出的列車風(fēng)不僅會(huì)危害道旁作業(yè)人員和站臺(tái)上候車乘客的安全[3-4],同時(shí)強(qiáng)大的風(fēng)力也會(huì)損壞道旁設(shè)施[5].

歐洲已經(jīng)落實(shí)限制由高速列車誘導(dǎo)產(chǎn)生的列車風(fēng)速的規(guī)定.在歐洲運(yùn)營(yíng)的高速列車必須遵守歐洲鐵路署的互通性技術(shù)規(guī)范TSI 中關(guān)于列車風(fēng)的條例[6].TSI 參照了歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN[7],其中歐洲標(biāo)準(zhǔn)涵蓋實(shí)車、模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的實(shí)踐規(guī)范.目前我國(guó)還沒(méi)有關(guān)于高速列車列車風(fēng)的相關(guān)規(guī)范.

高速列車的列車風(fēng)速在列車頭部經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)局部峰值,之后隨著邊界層沿列車長(zhǎng)度方向,列車風(fēng)速逐漸增大,在列車的近尾跡區(qū)達(dá)到最大峰值.這些列車風(fēng)的一般特征被許多研究者在實(shí)車道旁實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證過(guò)[8-13].

列車風(fēng)速的最大值通常出現(xiàn)在高速列車的尾跡區(qū)[1,8-9,14-15],尾跡區(qū)的列車風(fēng)特征與列車的尾部流動(dòng)有密切關(guān)系.列車的尾部流動(dòng)是影響列車的壓差阻力[16]和氣動(dòng)噪聲[17]等氣動(dòng)性能的重要因素.大量的關(guān)于列車尾部流動(dòng)機(jī)制已經(jīng)被研究和認(rèn)同:尾流區(qū)由剪切層、脫落渦、分離與再附區(qū)以及一對(duì)大型的反對(duì)稱旋轉(zhuǎn)流向渦構(gòu)成[18-25],反向旋轉(zhuǎn)渦對(duì)尾流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的作用被認(rèn)為是形成列車風(fēng)十分重要的因素[8,19-20].反向旋轉(zhuǎn)渦是由于頂部和列車尾部向下的氣流與橫截面兩側(cè)向車尾方向流動(dòng)的氣流共同作用產(chǎn)生的[19-20,22].由于反向旋轉(zhuǎn)渦的互相作用和其從車體分離過(guò)程中與地面的作用,這對(duì)渦向下和向外運(yùn)動(dòng),超出列車軌道寬度范圍,引起最大的列車風(fēng)速[1,10,26].

動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)是目前被認(rèn)為列車風(fēng)測(cè)試研究最為有效的手段[1,27].動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)列車在無(wú)風(fēng)環(huán)境中于平直軌道上勻速運(yùn)動(dòng)的模擬,具有與實(shí)車一樣相對(duì)地面運(yùn)動(dòng)的狀態(tài),展現(xiàn)列車運(yùn)行時(shí)的地面效應(yīng).利用動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)研究列車風(fēng)可以改善風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中對(duì)列車地面效應(yīng)模擬的失準(zhǔn)和因風(fēng)洞尺寸限制得不到完整列車風(fēng)曲線[25]等問(wèn)題.另外,動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)是在室內(nèi)無(wú)風(fēng)環(huán)境下進(jìn)行的,可以避免戶外實(shí)車實(shí)驗(yàn)中環(huán)境風(fēng)速對(duì)列車風(fēng)測(cè)量的干擾[12-13].

目前,動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)中研究列車風(fēng)有兩個(gè)關(guān)鍵的局限:減小的雷諾數(shù)和縮小的長(zhǎng)寬比.減小的雷諾數(shù)主要是由于受模型或?qū)嶒?yàn)平臺(tái)縮比的限制,縮小的長(zhǎng)寬比則是因?yàn)槟壳按蠖鄶?shù)實(shí)驗(yàn)采用兩編組或三編組的列車模型.本文利用八編組列車模型進(jìn)行動(dòng)模型的列車風(fēng)實(shí)驗(yàn),排除了因與實(shí)車長(zhǎng)寬比不同而帶來(lái)的影響.通過(guò)系綜平均法刻畫列車風(fēng)的時(shí)均特性,分析車身周圍列車風(fēng)的發(fā)展.利用本征正交分解法POD 和條件平均法分析高速列車尾部列車風(fēng)的瞬態(tài)特征.

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)是在中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所先進(jìn)軌道力學(xué)研究中心的高速列車雙向動(dòng)模型平臺(tái)進(jìn)行的.該平臺(tái)全長(zhǎng)264 m,測(cè)試段長(zhǎng)為100 m,列車風(fēng)測(cè)試場(chǎng)景如圖1 所示.

圖1 高速列車動(dòng)模型試驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 The moving model rig of high-speed train

中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所的高速列車雙向動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是采用壓縮空氣間接驅(qū)動(dòng)列車模型加速和磁渦流作用產(chǎn)生非接觸磁力減速列車模型的關(guān)鍵技術(shù),研制了模型縮比為1:8,最高實(shí)驗(yàn)速度達(dá)500 km/h的動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置.該平臺(tái)是目前世界上規(guī)模最大、實(shí)驗(yàn)速度最高的動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái).得益于該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)獨(dú)特的加減速技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)整備質(zhì)量較大的長(zhǎng)編組列車的動(dòng)模型實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)所用的高速列車模型為1:8 的CR400AF 動(dòng)車組模型,采用八編組形式,全長(zhǎng)26.12 m.模型做了簡(jiǎn)化處理,略去受電弓、空調(diào)整流罩等附屬部件,其他位置的部件外形均與實(shí)車保持一致,保留轉(zhuǎn)向架、裙板和風(fēng)擋等結(jié)構(gòu),這樣是為了盡可能地保證尾車能形成與實(shí)車一樣的、具有相應(yīng)強(qiáng)度的一對(duì)反向旋轉(zhuǎn)渦,并使高速列車實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅M可能地逼真.縮比為1:8 的列車模型在實(shí)驗(yàn)中可以模擬高雷諾數(shù)的氣流流動(dòng),模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)車實(shí)驗(yàn)的吻合度高,模型實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)誤差可小于10%[28].

列車風(fēng)由熱線風(fēng)速儀測(cè)量得到,如圖3 所示.熱線風(fēng)速儀是測(cè)量被加熱的、直徑為5 μm 的鎢絲在流場(chǎng)中的散熱率,實(shí)現(xiàn)對(duì)氣流流速的測(cè)量.得益于鎢絲極為細(xì)小的尺寸和其熱惰性的特點(diǎn),熱線風(fēng)速儀可以捕捉高達(dá)100 kHz 的高頻氣流的流速,極高的響應(yīng)頻率使得熱線風(fēng)速儀可以進(jìn)行低至0.02 m/s,高至300 m/s 的氣流流速的測(cè)量.一維熱線風(fēng)速儀測(cè)量的是氣流流速的標(biāo)量值,即空間中三個(gè)方向速度u,v和w的合速度U的大小.

圖2 CR400AF 八編組實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2 The eight group type model of CR400AF

圖3 一維熱線風(fēng)速儀Fig.3 The single hot wire

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

熱線風(fēng)速儀的在實(shí)驗(yàn)中的位置布局是按照TSI和EN14067 的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的:在動(dòng)模型平臺(tái)測(cè)試段設(shè)置4 個(gè)熱線風(fēng)速儀測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)的間隔為2.5 m(對(duì)應(yīng)實(shí)車20 m),位置如圖4 所示.測(cè)點(diǎn)S1～S4 均為一維熱線探針,布置在距軌道中心375 mm,距軌道頂面高度25 mm(分別對(duì)應(yīng)實(shí)車y=3 m,z=0.2 m)處的軌道同一側(cè),此位置是由TSI 規(guī)定的“軌旁高度”,用于觀察列車風(fēng)對(duì)軌道旁設(shè)施及道路維護(hù)人員的影響.

圖4 熱線風(fēng)速儀測(cè)點(diǎn)布置Fig.4 The location of hot wires

熱線平行于地面、垂直列車模型側(cè)壁安裝,如圖5 所示.為了保證熱線風(fēng)速儀支架對(duì)列車風(fēng)的采集沒(méi)有明顯的干擾,采用細(xì)桿支架對(duì)熱線進(jìn)行固定,這樣可以避免由于列車頭部鼻錐加速流遭到熱線風(fēng)速儀支架的阻擋,而導(dǎo)致在列車風(fēng)曲線中頭部鼻錐處會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)波峰的現(xiàn)象,保證列車風(fēng)測(cè)量的準(zhǔn)確性.

圖5 熱線風(fēng)速儀支架Fig.5 The support of hot wire

由激光器和光電傳感器組合成的測(cè)速系統(tǒng)用于測(cè)量列車模型經(jīng)過(guò)風(fēng)速儀時(shí)的速度Ut,模型的速度Ut用于把測(cè)量得到列車風(fēng)曲線由時(shí)間域轉(zhuǎn)化為空間域.以列車模型為參考系,尾車鼻錐處作為零點(diǎn),在空間域分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,同時(shí),Ut可以將測(cè)量到的列車風(fēng)速進(jìn)行無(wú)量綱化,用U/Ut表示列車風(fēng)速與列車模型速度的比值,比單純的列車風(fēng)速更具有參考意義.測(cè)速系統(tǒng)所投射的光線與熱線風(fēng)速儀S1 探針在列車模型行進(jìn)方向上的位置一致,如圖6 所示,利用CBOOK-2000 數(shù)據(jù)采集卡(如圖7) 可將測(cè)速信號(hào)與風(fēng)速儀信號(hào)同步,這樣可以準(zhǔn)確地確定列車頭部經(jīng)過(guò)風(fēng)速儀時(shí)在列車風(fēng)曲線中對(duì)應(yīng)的位置.

圖6 光電測(cè)速系統(tǒng)Fig.6 The electro-optic velocity-measuring system

圖7 CBOOK-2000 數(shù)據(jù)采集卡Fig.7 The CBOOK-2000 DAQ

熱線風(fēng)速儀的采樣頻率設(shè)定為10 000 Hz,模型的實(shí)驗(yàn)速度為56 m/s,對(duì)應(yīng)的熱線風(fēng)速儀的空間分辨率為5.6 mm.

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)S1 和S2 探針測(cè)試得到的單次列車風(fēng)曲線差異明顯,如圖8 所示.這可能說(shuō)明S1和S2 的測(cè)量結(jié)果存在低相關(guān)性,可能相互獨(dú)立.根據(jù)Baker[2,29]提出的測(cè)試相關(guān)性的方法,驗(yàn)證S1～S4探針的測(cè)量結(jié)果是否獨(dú)立.測(cè)試測(cè)點(diǎn)之間的相關(guān)性通過(guò)比較每次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最大值,兩兩繪制測(cè)點(diǎn)S1,S2,S3,S4 的最值散點(diǎn)圖,如圖9 所示.如果測(cè)點(diǎn)的最值相同則點(diǎn)位于1:1 的線上,表示測(cè)點(diǎn)有100%相關(guān)性.可以發(fā)現(xiàn),S1,S2,S3,S4 之間的相關(guān)性較小.這說(shuō)明S1～S4 這4 個(gè)測(cè)點(diǎn)的每次測(cè)試結(jié)果都是獨(dú)立的,可以利用其增加實(shí)驗(yàn)的次數(shù),相當(dāng)于“一個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)多次”.考慮到測(cè)點(diǎn)之間的距離和無(wú)風(fēng)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)境,熱線風(fēng)速儀之間的干擾可以忽略.因此進(jìn)行了20 次有效的列車風(fēng)的測(cè)量.

圖8 S1 和S2 測(cè)得的列車風(fēng)曲線Fig.8 Measurements of S1 and S2

圖9 測(cè)點(diǎn)之間的相關(guān)性測(cè)試Fig.9 The correlation among S1～S4 probes

2 列車風(fēng)時(shí)均特征

列車在明線運(yùn)行時(shí),頭部氣流受到擠壓形成局部高壓區(qū),產(chǎn)生與列車運(yùn)行方向相反的“加速流”;在列車的側(cè)邊和頂部由于氣流間的剪切作用,產(chǎn)生與列車運(yùn)行方向相同的“攜帶流”,且會(huì)隨著列車邊界層的發(fā)展而逐漸變厚.在列車尾跡區(qū)出現(xiàn)寬而大的攜帶流,其主要是由存在于車尾的關(guān)于列車最大縱剖面對(duì)稱的一對(duì)反向旋轉(zhuǎn)的湍流擬序結(jié)構(gòu)組成,具有明顯的三維特征.

列車風(fēng)曲線可以很好地反映列車周圍的流動(dòng),如圖10 所示;在列車頭錐經(jīng)過(guò)時(shí),由于“加速流”的作用產(chǎn)生局部的列車風(fēng)波峰;而后列車風(fēng)速于車身段在“攜帶流”的作用下逐漸升高,在車尾有短暫下降后,最大列車風(fēng)速出現(xiàn)在近尾跡區(qū).列車風(fēng)曲線可以清晰的劃分為三個(gè)區(qū)域:頭部局部波峰區(qū)、車身發(fā)展區(qū)和尾跡區(qū).Baker 對(duì)列車周圍氣流的描述與分類(高速列車周圍的流動(dòng)可分為:鼻錐區(qū)、邊界層區(qū)和尾流區(qū))[8]是列車風(fēng)可分為三個(gè)區(qū)域的有力佐證.

圖10 高速列車周圍的流動(dòng)與列車風(fēng)曲線示意圖Fig.10 The flow around a high-speed train and the slipstream profile

短編組和長(zhǎng)編組的列車風(fēng)動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖11 所示.為了更好地對(duì)比列車編組長(zhǎng)度對(duì)尾跡區(qū)列車風(fēng)的影響,以尾車鼻錐處作為坐標(biāo)原點(diǎn),橫坐標(biāo)正值是尾跡區(qū),負(fù)值為列車車身區(qū)域.從圖11 可以看出三編組與八編組的列車風(fēng)峰值都出現(xiàn)在尾跡區(qū),且峰值出現(xiàn)位置一致,峰值的大小相當(dāng).在車身發(fā)展區(qū)中,由于列車編組長(zhǎng)度的增大,八編組列車的車身邊界層的發(fā)展較三編組更為充分,車身發(fā)展區(qū)的列車風(fēng)速高于三編組.八編組列車模型具有與實(shí)車相同的長(zhǎng)寬比(L/W=62),其模擬的列車風(fēng)會(huì)比其他編組狀態(tài)的模型更加接近實(shí)車.

圖11 三編組與八編組高速列車模型的動(dòng)模型列車風(fēng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.11 The contrast of slipstream between in 3-car and 8-car moving model experiment

八編組高速列車模型的列車風(fēng)如圖12 所示,灰色的單次實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線之間存在非常明顯的差異,除了頭部局部波峰區(qū)單次實(shí)驗(yàn)曲線重合度較高外,車身發(fā)展區(qū)和近尾跡區(qū)的列車風(fēng)重復(fù)性非常低.為了更好地刻畫該編組狀態(tài)下的列車風(fēng)曲線,將20 次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行系綜平均處理.

圖12 八編組列車周圍的氣流流動(dòng)Fig.12 The flow around a eight group type model high-speed train

列車風(fēng)的系綜平均曲線可以看作為“標(biāo)準(zhǔn)的列車風(fēng)曲線”[1,27],能代表列車風(fēng)的一般特征.為了觀察列車風(fēng)的非定常特性,圖中藍(lán)線所表示的是總體標(biāo)準(zhǔn)差曲線,該曲線很好地說(shuō)明了單次試驗(yàn)結(jié)果與系綜平均值的離散程度.在頭部局部波峰區(qū),總體標(biāo)準(zhǔn)差很低,說(shuō)明該區(qū)域列車風(fēng)有很好的重復(fù)性和穩(wěn)定性;總體標(biāo)準(zhǔn)差在車身發(fā)展區(qū)開(kāi)始上升,于尾跡區(qū)出現(xiàn)波峰,其波峰位置與大小與系綜平均曲線的相當(dāng),而后總體標(biāo)準(zhǔn)差曲線早于系綜平均曲線開(kāi)始出現(xiàn)下降.這與三編組動(dòng)模型列車風(fēng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[1,25]一致,說(shuō)明該特征并非八編組列車特有的,而是高速列車列車風(fēng)的普遍特點(diǎn).

圖13 表示的是列車周圍的列車風(fēng)系綜平均曲線和標(biāo)準(zhǔn)差曲線.在距離列車頭部前1.2 m 開(kāi)始形成波峰,在列車頭部鼻錐后0.1 m 達(dá)到峰值,而后開(kāi)始下降;在流線型頭型與車廂過(guò)渡區(qū)(距離頭車和第二節(jié)車廂之間的風(fēng)擋1.9 m 處) 列車風(fēng)曲線出現(xiàn)了短暫的平臺(tái),此時(shí)風(fēng)速平穩(wěn)在U/Ut=0.039;在頭車中部列車風(fēng)曲線下降到最低,此時(shí)列車頭部受到擠壓形成的局部高速氣流對(duì)列車風(fēng)的作用結(jié)束.在頭車中部向后,由于車身表面氣流之間的剪切作用,隨著列車表面邊界層的發(fā)展而形成的“攜帶流”開(kāi)始影響列車風(fēng)的發(fā)展.在第二節(jié)車廂中后部(距離第二第三節(jié)車廂之間的風(fēng)擋0.9 m 處) 車身周圍氣流的波動(dòng)開(kāi)始增強(qiáng),列車風(fēng)的風(fēng)速由U/Ut=0.008快速上升至U/Ut=0.032,標(biāo)準(zhǔn)差也從σ=0.007躍升到σ=0.035,此后至尾車,標(biāo)準(zhǔn)差曲線一直在σ=0.035 附近波動(dòng).從第三節(jié)至第五節(jié)車廂,列車風(fēng)曲線在U/Ut=0.040 附近波動(dòng),發(fā)展平穩(wěn);列車風(fēng)曲線自第六節(jié)車廂開(kāi)始向上波動(dòng),風(fēng)速平均值從之前的U/Ut=0.040 上升至U/Ut=0.048,在第七節(jié)車廂列車風(fēng)的風(fēng)速平均值增長(zhǎng)到了U/Ut=0.063,同時(shí)也出現(xiàn)了列車風(fēng)在車身發(fā)展區(qū)的最大值U/Ut=0.084,而后在尾車出現(xiàn)小幅回落.

圖13 車身發(fā)展區(qū)列車風(fēng)的系綜平均曲線與標(biāo)準(zhǔn)差曲線Fig.13 The ensemble average profile and ensenble standard deviation profile of the slipstream in trailing area

上圖黑色曲線展示的是高于軌面25 mm,距離軌道中心線375 mm,位于列車同一側(cè)的列車風(fēng)沿列車長(zhǎng)度方向在空間域上的分布.在高度方向上該位置處于列車的車輪下緣,此處的氣流應(yīng)該極易受到轉(zhuǎn)向架艙和車廂間風(fēng)擋間隙的擾動(dòng),但經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的列車風(fēng)曲線卻沒(méi)有反映出這些影響.

系綜平均曲線是多個(gè)單次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的“平均值”,有一定的代表性.但總體標(biāo)準(zhǔn)差曲線顯示出列車風(fēng)的車身發(fā)展區(qū)和近尾跡區(qū)有明顯的偏差,特別是在近尾跡區(qū)出現(xiàn)最大偏差,說(shuō)明列車風(fēng)的這兩個(gè)區(qū)域有很明顯的非定常特性.利用系綜平均法來(lái)描述列車風(fēng)的瞬態(tài)特征有一定的局限性,系綜平均曲線并不能很好地代表單次實(shí)驗(yàn)的列車風(fēng)曲線.

3 列車風(fēng)瞬態(tài)特征

為了嘗試解釋圖12 中系綜平均曲線與單次實(shí)驗(yàn)曲線的不同,在車身發(fā)展區(qū)和近尾跡區(qū)標(biāo)準(zhǔn)差明顯增大等現(xiàn)象,利用本征正交分解法和條件平均法分析八編組的列車風(fēng)曲線,研究列車風(fēng)的瞬態(tài)特征與非定常特性.

3.1 列車風(fēng)的本征正交分解

POD 在研究流體力學(xué)中的擬序結(jié)構(gòu)有著廣泛的應(yīng)用[30-33],目前逐漸應(yīng)用在高速列車尾流的研究[14,29].本文利用POD 對(duì)列車風(fēng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分解,探尋列車風(fēng)中波動(dòng)能量集中的區(qū)域,確定引起單次列車風(fēng)差異的主要因素.

將單次實(shí)驗(yàn)的列車風(fēng)看作為POD 方法中的“快照”,每個(gè)“快照”作為POD 求解矩陣中的一列進(jìn)行分解.2 個(gè)單次列車風(fēng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為20 個(gè)“快照”進(jìn)行POD 分解,得到以波動(dòng)能量由高到低排序的20 個(gè)模態(tài).每個(gè)模態(tài)的能量占比如圖14 所示,其中模態(tài)1～模態(tài)13 共占有91%的能量.模態(tài)1 和模態(tài)2 所占能量比重較大,分別為17%和14%;而后是模態(tài)3和模態(tài)4,分別為10%和9%.模態(tài)1～模態(tài)4 共占有51%的能量,可以認(rèn)為前4 個(gè)模態(tài)是引起列車風(fēng)差異的主要因素.

圖14 模態(tài)1～模態(tài)20 占總波動(dòng)能量的百分比Fig.14 Percentage of the total energy of the fluctuating motion for modes 1～20

圖15 是模態(tài)1～模態(tài)4 曲線與系綜平均曲線的對(duì)比,可以看出模態(tài)1 在0～10 m 處出現(xiàn)波峰,波峰位置與波峰寬度和系綜平均曲線的第一個(gè)波峰一致,說(shuō)明模態(tài)1 影響列車風(fēng)的近尾跡區(qū)的第一波峰;模態(tài)2 在?20～0 m 的曲線與系綜平均曲線同步增長(zhǎng),說(shuō)明模態(tài)2 影響列車風(fēng)車身發(fā)展區(qū)的波動(dòng);模態(tài)3 在系綜平均曲線尾跡區(qū)的第二個(gè)波峰處出現(xiàn)峰值,說(shuō)明模態(tài)3 主要作用于列車風(fēng)的近尾跡區(qū)第二波峰;模態(tài)4在距離車尾(X=0)很近的地方出現(xiàn)明顯的波谷,與系綜平均曲線中車尾引起的波谷相對(duì)應(yīng),說(shuō)明列車車尾引起的列車風(fēng)波谷是由模態(tài)4 決定的.

圖15 前四階POD 模態(tài)曲線與系綜平均曲線對(duì)比圖Fig.15 The profiles of POD modes 1～4 with ensenble average

考慮波動(dòng)能量的大小,由于模態(tài)1>模態(tài)2>模態(tài)3>模態(tài)4,可知列車風(fēng)的擾動(dòng)能量集中于近尾跡區(qū)波峰處,次之是車身發(fā)展區(qū).也就是說(shuō),每次實(shí)驗(yàn)的列車風(fēng)在近尾跡區(qū)的差異最大,這與圖12 中總體標(biāo)準(zhǔn)差曲線所體現(xiàn)的特征相吻合.

許多研究者認(rèn)為車尾的列車風(fēng)主要是由一對(duì)反向旋轉(zhuǎn)渦的作用而形成的[8,19-20],這對(duì)渦是由從列車頂部向下流動(dòng)的氣流和從列車兩側(cè)分離的氣流相互融合產(chǎn)生[19-20,25,35-36],在車尾生成過(guò)程中會(huì)與地面相互作用,向列車兩側(cè)不斷分離、破裂.這對(duì)渦生后在被列車拖拽伸長(zhǎng)外,還有向列車兩側(cè)的方向振蕩的特征[19,37-38].結(jié)合POD 的分析結(jié)果,可知列車尾部形成的渦對(duì)具有顯著的波動(dòng)能量,這可能引起了尾跡區(qū)的列車風(fēng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異.

3.2 尾跡區(qū)列車風(fēng)的條件平均分析

圖16 所展示的是八編組模型單次實(shí)驗(yàn)尾跡區(qū)列車風(fēng)波峰的差異.如圖16(a)所示的四次實(shí)驗(yàn)的尾跡區(qū)列車風(fēng)曲線,波峰位置的不同,有不同大小的峰值,波峰位置分別為X=0.16 m,2.45 m,3.73 m 和6.57 m,峰值大小也有明顯的區(qū)別,依次為0.2,0.28,0.26 和0.17.但如圖16(b)所示的三組列車風(fēng)曲線,位置相似的波峰卻有不同的峰值,波峰位置分別在X=?4.5 m,3.7 m 和8.5 m 附近的列車風(fēng)卻有不同的峰值.圖16說(shuō)明在尾跡區(qū)的瞬態(tài)列車風(fēng)具有隨機(jī)性,列車尾部流動(dòng)表現(xiàn)出非定常特征.

圖17 顯示出一些列車風(fēng)曲線在近尾跡區(qū)的波峰出現(xiàn)后又出現(xiàn)了較為明顯的第二個(gè)波峰,這表明列車尾部的氣流流動(dòng)有周期性特征.第二波峰出現(xiàn)的位置受第一波峰的影響,第一波峰距離車尾越遠(yuǎn),第二峰值也相應(yīng)的在更遠(yuǎn)處出現(xiàn);同時(shí),兩波峰之間的距離也會(huì)隨著第一波峰距車尾距離增大而增大:第一波峰分別距車尾5.06 m,6.57 m 和8.36 m 時(shí),兩波峰間距離分別為9.59 m,16.25 m 和16.70 m.

圖16 尾跡區(qū)的列車風(fēng)差異Fig.16 The difference of slipstream in the wake area

圖16 尾跡區(qū)的列車風(fēng)差異(續(xù))Fig.16 The difference of slipstream in the wake area(continued)

圖17 尾跡區(qū)的列車風(fēng)具有周期性Fig.17 The periodicity of slipstream in the wake area

若是列車尾部的一對(duì)反向旋轉(zhuǎn)渦在列車兩側(cè)的振動(dòng)是引起單次實(shí)驗(yàn)列車風(fēng)尾跡區(qū)波峰差異的主要原因,那么這對(duì)渦與熱線風(fēng)速儀之間的瞬態(tài)位置關(guān)系就有可能解釋上述現(xiàn)象.

利用條件平均法處理該編組狀態(tài)下的列車風(fēng)數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)各次實(shí)驗(yàn)得到的列車風(fēng)的波峰位置,按照波峰位置距離車尾遠(yuǎn)近排序.選取波峰位置距離車尾最近(near)的5 次,中間(middle)的5 次和最遠(yuǎn)(far)的5 次實(shí)驗(yàn)結(jié)果,這3 組列車風(fēng)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行系綜平均.各組的系綜平均曲線如圖18 所示.

圖18 條件平均后的三組系綜平均曲線Fig.18 Conditional averaging porfiles of three cases

三組不同情況的系綜平均曲線所表現(xiàn)的波峰有明顯的差異,Bell 有關(guān)于動(dòng)模型列車風(fēng)的尾流瞬態(tài)相位的假設(shè)[1]:當(dāng)列車尾渦靠近熱線風(fēng)速儀時(shí),列車風(fēng)曲線出現(xiàn)波峰;當(dāng)尾渦遠(yuǎn)離風(fēng)速儀時(shí),列車風(fēng)曲線出現(xiàn)波谷;尾渦在列車兩側(cè)振蕩時(shí),則列車風(fēng)曲線在平衡位置波動(dòng);在距離車尾很近的位置,由于強(qiáng)度高且尺度小的湍流結(jié)構(gòu)在車尾快速耗散會(huì)導(dǎo)致該位置列車風(fēng)曲線中等水平的波峰.

根據(jù)Bell 的假設(shè),可推測(cè):在最近和最遠(yuǎn)處,車尾前(X＜0)的位置就存在小而強(qiáng)的湍流結(jié)構(gòu)并快速耗散,導(dǎo)致該位置的列車風(fēng)有高于或接近尾跡區(qū)波峰的峰值.最近的尾渦生成后在近尾跡區(qū)水平振蕩,列車風(fēng)曲線的波峰不明顯;中間的尾渦則是在生成后向風(fēng)速儀靠近,列車風(fēng)曲線中出現(xiàn)明顯的波峰;最遠(yuǎn)的尾渦則是生成后遠(yuǎn)離風(fēng)速儀,向列車運(yùn)行方向的中線振蕩,在尾渦的渦對(duì)相互碰撞作用后彼此遠(yuǎn)離,向風(fēng)速儀振蕩,從而導(dǎo)致列車風(fēng)曲線有較遠(yuǎn)的波峰和更遠(yuǎn)處的第二波峰.

4 結(jié)論

本文采用與實(shí)車相同編組長(zhǎng)度的高速列車實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行明線列車風(fēng)的實(shí)驗(yàn)研究,突破了列車風(fēng)動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)中因減小的長(zhǎng)寬比帶來(lái)的局限性.利用系綜平均法刻畫了CR400AF 八編組列車模型周圍的時(shí)均流動(dòng),分析了軌邊處的列車風(fēng)在空間域中的分布特征;使用本征正交分解法(POD) 和條件平均法對(duì)尾跡區(qū)列車風(fēng)的瞬態(tài)特征進(jìn)行了分析,得到以下結(jié)論:

(1)高速列車明線運(yùn)行時(shí)周圍的列車風(fēng)可以劃分為三個(gè)區(qū)域:頭部局部波峰區(qū)、車身發(fā)展區(qū)和尾跡區(qū).列車風(fēng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間存在顯著差異,將多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行系綜平均得到的列車風(fēng)曲線才具有一般性.列車頭部會(huì)引起穩(wěn)定的列車風(fēng),在車身和車尾處的列車風(fēng)有明顯的非定常特征,列車風(fēng)最大值出現(xiàn)在近尾跡區(qū).

(2)空間域中頭部波峰區(qū)和車身發(fā)展區(qū)的列車風(fēng)可以反映列車周圍的流動(dòng):列車頭部受到擠壓形成的局部高速氣流會(huì)作用于列車鼻錐前1.2 m 至流線型頭型最大變截面處;在頭車中后部以后,因車身表面氣流間剪切作用而形成的邊界層開(kāi)始主導(dǎo)列車周圍的流動(dòng),車身附近的氣流在平穩(wěn)發(fā)展一節(jié)車廂的距離后開(kāi)始劇烈波動(dòng),列車風(fēng)速也隨之躍升,隨著車身邊界層的發(fā)展,列車風(fēng)振蕩上升,在第七節(jié)車廂出現(xiàn)車身發(fā)展區(qū)的最大值,而后小幅回落.

(3)通過(guò)POD 對(duì)列車風(fēng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分解,得到能量占比由大到小的20 階模態(tài).模態(tài)1 主要影響列車風(fēng)近尾跡區(qū)的波峰,模態(tài)2 影響車身發(fā)展區(qū)列車風(fēng)的波動(dòng).列車風(fēng)的擾動(dòng)能量集中于近尾跡區(qū)波峰處,次之是車身發(fā)展區(qū).

(4)以各次實(shí)驗(yàn)結(jié)果中列車風(fēng)的峰值位置距離車尾遠(yuǎn)近為條件,對(duì)列車風(fēng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行條件平均分析.在列車尾部形成的反向旋轉(zhuǎn)渦對(duì)與列車風(fēng)探針之間不同的位置關(guān)系可能影響列車風(fēng)尾跡區(qū)峰值的形態(tài):尾渦生成后水平振蕩,列車風(fēng)曲線會(huì)出現(xiàn)寬且低量值的波峰;尾渦生成后向風(fēng)速儀靠近,列車風(fēng)曲線會(huì)出現(xiàn)明顯的高量值波峰;尾渦生成后先遠(yuǎn)離后靠近風(fēng)速儀,列車風(fēng)曲線會(huì)有距離列車尾部較遠(yuǎn)的波峰和位置更遠(yuǎn)的次波峰.