黃志祥，朱任宇，黃漢杰，陳 立

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000)

氣動阻力是衡量高速列車性能的一個重要技術(shù)指標(biāo)[1-2]，它與高速列車的能耗密切相關(guān)，關(guān)系到節(jié)能降耗與減排。同時，氣動阻力也與氣動噪聲成正相關(guān)關(guān)系。研究表明，高速列車運行速度達到300 km/h時，氣動阻力占總運行阻力的比例超過80%[3]，高速列車牽引動力主要用于克服運行阻力，這就意味著，高速列車能耗中的絕大部分將用于克服氣動阻力。因此，氣動阻力也是高速列車研制廠家和運營機構(gòu)最為關(guān)注的重要指標(biāo)之一。

對于高速列車氣動阻力的研究方法包括：理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗和實車測試[3-4]，其中，模型試驗包括風(fēng)洞試驗和動模型試驗。由于風(fēng)洞試驗?zāi)転閿?shù)值模擬提供驗證依據(jù)，并且試驗條件易于控制，可開展更多工況的研究，因而風(fēng)洞試驗是目前最重要的研究方法之一[4]。

在高速列車風(fēng)洞試驗中，由于需要以盡可能大的縮尺比例模擬多節(jié)車輛編組工況，故試驗?zāi)Ｐ偷拈L度通常較長。此外，需要對各節(jié)車廂分別進行氣動力測量，故每節(jié)車廂需要單獨支撐并固定。如果采用活動帶模擬地面，則地面效應(yīng)的模擬會更加準(zhǔn)確，但需要的活動帶長度很長，活動帶的控制相對復(fù)雜，而且模型的支撐也是一個工程實際難題。鑒于此，在對長度較長的多車編組高速列車模型開展風(fēng)洞試驗時，目前國內(nèi)外大多采用固定地板模擬地面[4]。但固定地板表面的附面層將對氣動阻力試驗結(jié)果產(chǎn)生重要影響，成為當(dāng)前廣受業(yè)內(nèi)關(guān)注的研究重點之一。為了降低固定地板表面附面層厚度，采用了包括開槽、開縫、吸氣和吹氣等在內(nèi)的多種措施，雖然能在一定程度上降低固定地板表面附面層厚度，但開槽和開縫措施附面層控制效果不夠理想，而采用諸如吸氣和吹氣的措施，其控制系統(tǒng)又比較復(fù)雜，控制成本也比較高，甚至還可能引起對試驗段正常氣流流態(tài)的干擾。因此，在目前缺少有效的附面層影響修正方法的背景下，開展附面層對試驗結(jié)果的影響研究，具有非常重要的工程應(yīng)用價值。

目前，開展附面層對高速列車模型氣動特性的影響研究大多數(shù)是采用數(shù)值模擬的方法。文獻[5]采用數(shù)值模擬的方法，研究了地面效應(yīng)影響下高速列車氣動力的變化規(guī)律，得到了地面效應(yīng)對不同側(cè)偏角下高速列車氣動力的影響特性。文獻[6]通過數(shù)值模擬的方法，研究了靜止地面與運動地面對高速列車模型氣動特性影響的差異。在地面效應(yīng)影響的風(fēng)洞試驗研究方面，文獻[7]通過在風(fēng)洞試驗段上游設(shè)置尖劈、粗糙的障礙物等模擬沿地面形成的大氣湍流附面層，該方法常見于建筑物或橋梁氣動特性的風(fēng)洞試驗研究中。文獻[8]采用小型的尖劈結(jié)構(gòu)模擬高速列車車頂?shù)耐牧鞲矫鎸?，對車頂受電弓的氣動特性進行了研究。目前，通過在試驗地板或路基前端設(shè)置粗糙的結(jié)構(gòu)物對路基表面附面層實施干預(yù)，從而研究其對試驗?zāi)Ｐ蜌鈩幼枇τ绊懙墓_文獻相對較少。

本文采用固定地板的平地路基模擬高速列車地面條件，在平地路基前端表面安裝鋸齒結(jié)構(gòu)，不同鋸齒形狀和鋸齒安裝位置將對路基表面附面層的形成和發(fā)展產(chǎn)生影響。本文主要研究上述鋸齒形狀和安裝位置對路基表面的多編組高速列車模型各節(jié)車廂及列車氣動阻力的影響。需要說明的是，在本文的研究中，主要開展無側(cè)風(fēng)工況的試驗研究，即試驗?zāi)Ｐ偷膫?cè)風(fēng)角度為0°。主要原因是，在高速列車通常運行的線路中，絕大多數(shù)情況下，高速列車處于直線運行狀態(tài)，相對于列車運行速度而言，周圍自然風(fēng)很小，可近似認為是無側(cè)風(fēng)狀態(tài)[9-10]。這種無側(cè)風(fēng)運行工況是高速列車研制廠商最為關(guān)注的工況，也是風(fēng)洞試驗中最重要的工況之一。

1 試驗研究設(shè)備與模型

1.1 研究設(shè)備

試驗研究在中國空氣動力研究與發(fā)展中心(CARDC)的8 m×6 m風(fēng)洞第2試驗段開展。8 m×6 m風(fēng)洞第2試驗段寬 8 m、高6 m 、長 15 m，安裝了列車試驗專用地板裝置，地板裝置由4塊地板拼接而成，地板上表面距風(fēng)洞下洞壁 1.06 m。地板前后緣為流線型，以減少對氣流的干擾，每塊地板后緣下表面裝有擾流片，在地板之間的縫隙附近形成渦流低壓區(qū)，吸除地板表面低能氣流，從而降低地板附面層厚度。安裝試驗地板后，試驗段有效尺寸為長15.16 m、寬 8 m、高4.94 m，有效截面積為39.2 m2。風(fēng)洞結(jié)構(gòu)見圖1。風(fēng)洞試驗段氣流參數(shù)見表1。

圖1 8 m×6 m風(fēng)洞結(jié)構(gòu)圖

表1 風(fēng)洞試驗段氣流參數(shù)

根據(jù)高速列車試驗?zāi)Ｐ偷某叽绾驮u估的氣動載荷，采用3臺六分量盒式應(yīng)變天平TH-A、TH-B、TH-C，分別對列車模型的頭車、中間車和尾車同時進行氣動力的測量。試驗天平內(nèi)置于列車模型內(nèi)腔。試驗天平的阻力量程均為300 N，準(zhǔn)確度誤差≤0.05%，長×寬×高均為500 mm×100 mm×80 mm。

1.2 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

試驗?zāi)Ｐ蜑槟矯RH型高速列車模型，模型比例為1∶8，三車編組：頭車+中間車+尾車，試驗?zāi)Ｐ蛥?shù)見表2。

表2 試驗?zāi)Ｐ蛥?shù)

高速列車模型安裝在平地路基模型之上，路基上表面兩側(cè)沿縱向安裝有軌道。三車編組的路基軌道長14.3 m，伸出動車組模型頭尾部約2.2 m，路基高75 mm，前后端和兩側(cè)均采用斜坡與圓弧過渡，前后斜坡坡度 15°，兩側(cè)斜坡坡度35°。路基固定在風(fēng)洞試驗段中心位置。試驗?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。

圖2 試驗?zāi)Ｐ?/p>

高速列車模型外部采用復(fù)合樹脂板成型，內(nèi)部為金屬框架結(jié)構(gòu)。高速列車模型內(nèi)部的金屬框焊有天平連接板，天平上表面通過連接板與車身連接，天平下表面與天平支座上表面連接板相連，天平支座上表面連接板通過四腿支柱與下表面連接板相連，天平下表面連接板與路基連接，試驗?zāi)Ｐ瓦B接結(jié)構(gòu)圖見圖3。各節(jié)車廂與車廂之間，車廂轉(zhuǎn)向架車輪與軌道之間，車廂底板與天平支座柱腿之間都保持一定尺度的縫隙，從而使各節(jié)車廂成為獨立的測力單元[11]。

圖3 試驗?zāi)Ｐ瓦B接結(jié)構(gòu)圖

2 試驗研究方案與方法

2.1 相似準(zhǔn)則

對于高速列車模型風(fēng)洞試驗研究，主要原理是運動相對性原理和流動相似原理。主要采用部分模擬相似條件，包括幾何相似和流動相似。模擬的相似準(zhǔn)則主要是雷諾數(shù)Re相似。研究表明，列車模型風(fēng)洞試驗的氣動力存在自模擬區(qū)，即只要Re接近106，則模型風(fēng)洞試驗的氣動力試驗結(jié)果隨Re的增加變化很小[11]。本文以高速列車模型寬度計算的試驗雷諾數(shù)Re可達1.75×106，氣動特性已進入自模擬區(qū)。

2.2 研究方案

本文主要針對三車編組的高速列車試驗?zāi)Ｐ?，在固定地面的平地路基前端的表面上選取不同位置安裝不同形狀的鋸齒結(jié)構(gòu)，研究不同形狀和不同安裝位置的鋸齒對高速列車模型氣動阻力試驗結(jié)果的影響。

(1) 鋸齒形狀包括2種方案，根據(jù)鋸齒尺寸不同分別命名為JC-1和JC-2。JC-1的鋸齒為大齒，該齒為腰長20 mm、高度10 mm的等腰三角形；JC-2的鋸齒為小齒，該齒為腰長10 mm、高度5 mm的等腰三角形。2種鋸齒方案見圖4。

圖4 不同形狀的鋸齒方案

(2) 鋸齒在路基表面的安裝位置有2個，第1個是在路基平直表面的最前端位置，第2個位置是高速列車模型頭車鼻尖在路基表面的投影位置，2個位置分別命名為WZ-1和WZ-2，見圖5。

圖5 鋸齒不同位置方案

(3) 研究工況包括3種。第1種是無鋸齒結(jié)構(gòu);第2種是JC-1方案，分別在安裝位置1和位置2;第3種是JC-2方案，同樣，分別在安裝位置1和位置2。研究工況見表3。

表3 研究工況

2.3 研究方法

2.3.1 試驗?zāi)Ｐ桶惭b

(1) 高速列車模型的頭車、中間車和尾車采用3臺天平同時測力，測力天平位于模型內(nèi)腔。高速列車模型安裝的側(cè)偏、傾斜、俯仰角度誤差均小于0.05°。路基軌道表面的高度誤差不超過3 mm。

(2) 不同形狀的鋸齒各為一條，長度與路基上表面寬度相同，將鋸齒下底部磨平后，用膠水粘貼在路基上表面對應(yīng)的位置，橫跨整個路基寬度方向，且齒面與路基上表面法向垂直。

2.3.2 試驗條件與數(shù)據(jù)采集

(1) 試驗風(fēng)速分別為30 m/s、45 m/s和65 m/s，試驗過程中，試驗段的平均大氣密度為1.15 kg/m3。以高速列車模型寬度為參考長度的最大試驗雷諾數(shù)約為1.75×106，僅模擬無側(cè)風(fēng)工況，即試驗側(cè)偏角β=0°。

(2) 測力試驗數(shù)據(jù)采集按以下方式進行：試驗數(shù)據(jù)采樣前延時5 s，采樣時間5 s，采樣頻率每通道為500 Hz。

2.3.3 數(shù)據(jù)處理

高速列車模型每節(jié)車廂的測力數(shù)據(jù)按其自身車體軸系給出。各節(jié)車體軸系坐標(biāo)原點即各車廂的氣動力矩參考點，位于車身縱向?qū)ΨQ面內(nèi)，與天平中心重合。X軸正向與車身縱向中心線平行并指向頭車方向(氣動阻力以指向X軸負向為正)，Y軸方向垂直于車身底面向上，Z軸方向按右手定則確定，高速列車模型體軸系示意圖見圖6。

圖6 高速列車模型體軸系示意圖

氣動阻力試驗結(jié)果以無量綱的系數(shù)表示：

(1)

式中：cxu——未經(jīng)修正的氣動阻力系數(shù)；

Fx——氣動阻力，N；

S——高速列車模型參考面積；

ρ——試驗段大氣密度；

v——試驗風(fēng)速。

采用內(nèi)置式天平，且支座外露部分很少，因此數(shù)據(jù)不做支架干擾修正。

高速列車帶路基軌道模型在β=0°的阻塞度小于1%，因而試驗數(shù)據(jù)不做阻塞修正[12]。

根據(jù)各節(jié)車廂所在區(qū)域的軸向靜壓梯度對每節(jié)車進行水平浮力修正：

(2)

式中：cx——修正后的氣動阻力系數(shù)；

L——各節(jié)車廂模型的長度；

列車氣動阻力為測力的各節(jié)車廂氣動阻力之和：

cx列車=cx頭車+cx中間車+cx尾車

(3)

氣動阻力試驗數(shù)據(jù)的均方根誤差按下式計算：

(4)

式中：σ——數(shù)據(jù)的均方根誤差；

n——某試驗工況下的重復(fù)試驗次數(shù)；

xi——某試驗工況下第i次測量的氣動阻力系數(shù)；

3 研究結(jié)果和分析

3.1 測力試驗結(jié)果的誤差分析

在v=65 m/s 、β=0°的工況下，對高速列車模型在路基表面無鋸齒方案下進行了5次重復(fù)性試驗，按公式(4)計算，頭車、中間車、尾車和列車cx重復(fù)性試驗結(jié)果的σ分別為0.000 6、0.000 7、0.000 9和0.000 4，對應(yīng)的極限誤差分別為0.001 8、0.002 1、0.002 7和0.001 2。

3.2 變雷諾數(shù)試驗結(jié)果

在v=30～65 m/s、β=0°的工況下，對高速列車模型在路基表面無鋸齒方案下進行了變雷諾數(shù)試驗，圖7給出了各節(jié)車廂及列車cx隨v變化的結(jié)果。從圖7可以看出，當(dāng)v達到55 m/s后，各節(jié)車及列車cx隨v的增大而變化很小，趨于穩(wěn)定，進入雷諾數(shù)自模擬區(qū)。

圖7 氣動阻力的變雷諾數(shù)試驗結(jié)果

3.3 氣動阻力的試驗結(jié)果分析

在v=65 m/s 、β=0°的工況下，對高速列車模型在不同鋸齒方案下進行了試驗研究，按式(1)～式(3)得到了各節(jié)車廂和列車的氣動阻力系數(shù)，見表4。

表4 不同研究方案下的氣動阻力結(jié)果

從表4可以看出，當(dāng)鋸齒安裝在WZ-1時，無鋸齒、JC-1和JC-2方案的頭車cx分別為0.105 4、0.094 6和0.093 3，中間車cx分別為0.089 2、0.085 6和0.086 1，尾車cx分別為0.136 2、0.136 6和0.136 7，列車cx分別為0.330 8、0.316 9和0.316 2。還可以看出，鋸齒安裝在WZ-1時，與無鋸齒相比，JC-1和JC-2的頭車cx分別減小10.25%和11.48%，中間車cx分別減小4.04%和3.48%，尾車cx則分別增大0.29%和0.37%，列車cx分別減小4.20%和4.41%。由此可見，鋸齒安裝在WZ-1，即安裝在路基前端時，JC-1和JC-2均使得頭車、中間車和列車的氣動阻力明顯減小。從對氣動阻力的影響效果(強度)來看，2種鋸齒使頭車cx的變化量最大，尾車cx的變化量最小，中間車cx的變化量居于二者之間。由此可知，由于鋸齒在路基前端，鋸齒主要影響頭車，對中間車和尾車氣動阻力的影響效果依次減小。另外，從頭車和列車氣動阻力減小量來看，相比JC-1，JC-2使頭車和列車的氣動阻力減小量更大。

當(dāng)鋸齒安裝在WZ-2時，無鋸齒、JC-1和JC-2方案的頭車cx分別為0.105 4、0.094 8和0.095 3，中間車cx分別為0.089 2、0.089 1和0.088 6，尾車cx分別為0.136 2、0.137 1和0.136 5，列車cx分別為0.330 8、0.321 0和0.320 4。還可以看出，鋸齒安裝在WZ-2時，與無鋸齒相比，JC-1和JC-2的頭車cx分別減小10.06%和9.58%，中間車cx分別減小0.11%和0.67%，尾車cx則分別增大0.66%和0.22%，列車cx分別減小2.96%和3.14%。由此可見，鋸齒安裝在WZ-2，即安裝在頭車鼻尖投影位置時，JC-1和JC-2均使得頭車和列車的氣動阻力明顯減小，中間車和尾車氣動阻力則變化較小。從對氣動阻力的影響效果(強度)來看，同樣，2種鋸齒主要使頭車cx發(fā)生明顯的變化，即頭車氣動阻力變化量最大，中間車和尾車cx的變化量則較小。即在WZ-2，鋸齒主要對頭車氣動阻力產(chǎn)生影響。另外，從頭車和列車氣動阻力減小量來看，2種鋸齒使頭車和列車氣動阻力產(chǎn)生的變化量比較接近，JC-2使列車氣動阻力的減小量略大。

對于JC-1，與無鋸齒相比，頭車cx在WZ-1減小了10.25%，在WZ-2減小了10.06%；中間車cx在WZ-1減小了4.04%，在WZ-2減小了0.11%；尾車cx在WZ-1增大了0.29%，在WZ-2增大了0.66%；列車cx在WZ-1減小了4.20%，在WZ-2減小了2.96%?？梢钥闯?，JC-1在WZ-1和WZ-2使頭車氣動阻力的減小量接近，在WZ-1使中間車和列車氣動阻力的減小量比WZ-2的都大，在WZ-1和WZ-2使尾車氣動阻力的變化量接近。

對于JC-2，與無鋸齒相比，頭車cx在WZ-1減小了11.48%，在WZ-2減小了9.58%；中間車cx在WZ-1減小了3.48%，在WZ-2減小了0.67%；尾車cx在WZ-1增大了0.37%，在WZ-2增大了0.22%；列車cx在WZ-1減小了4.41%，在WZ-2減小了3.14%?？梢钥闯?，JC-2在WZ-1使頭車、中間車和列車氣動阻力的減小量都比WZ-2的大，在WZ-1和WZ-2使尾車氣動阻力的變化量接近。

由此可見，在路基上表面安裝鋸齒，改變了路基上表面的附面層狀態(tài)，從而影響了車身底部和路基上表面這一狹小空間的氣流流態(tài)，使得高速列車模型各節(jié)車廂的氣動阻力發(fā)生了變化。鋸齒不僅打亂了路基前端和車頭鼻尖區(qū)域氣流的層流狀態(tài)，且使得路基表面附面層厚度增大，由于車身與路基表面的空間不大，則頭車車身部分提前被“淹沒”在路基表面的附面層內(nèi)，而附面層內(nèi)氣流流速相對較低，頭車氣動阻力就相應(yīng)減小。由于車身底部和路基上表面空間狹小，在路基上表面和車身底部兩層附面層的共同作用下，附面層將很快“塞滿”這個狹小空間。路基上表面的氣流經(jīng)頭車至中間車和尾車，趨于穩(wěn)定，只是由于路基前方的氣流干擾影響逐漸減弱，因而對中間車和尾車氣動阻力的影響逐漸減小。

4 結(jié)論

本文對比例為1∶8的三車編組高速列車模型，通過在平地路基表面安裝鋸齒結(jié)構(gòu)，研究了鋸齒形狀和鋸齒安裝位置對高速列車模型各節(jié)車廂和列車氣動阻力的影響，得出如下結(jié)論：

(1) 在路基前端和車頭鼻尖處的路基表面安裝鋸齒結(jié)構(gòu)，頭車和列車的氣動阻力將明顯減小，且主要影響頭車的氣動阻力，對中間車和尾車氣動阻力的影響效果依次減小。

(2) 尺度更小的鋸齒2比鋸齒1使列車氣動阻力的減小量更大。

(3) 與無鋸齒相比，2種尺度的鋸齒在路基前端比車頭鼻尖處對列車氣動阻力的影響更大。

本文的研究主要是通過改變固定地板表面結(jié)構(gòu)狀態(tài)影響地板表面附面層狀態(tài)，探索其對高速列車模型氣動特性的影響規(guī)律，以期為固定地板表面附面層的控制提供參考。