高速列车空气动力学

第33卷第3期力学进展VoL 33 No. 32003年8月25日ADVANCES IN MECHANICSAr高速列车空气动力学Joseph A Schetz航空与海洋工程系,维吉尼亚工学院和州立大学,布莱克斯堡,弗吉尼亚24061;E-mail: tiger@vt. edu摘要着重描述了高速列车与其它交通工具在空气动力学方面的差异,重点在包括磁悬浮列车( Maglev)在内的现代高速列车.这些差异与下述因素紧密相关;高速列车贴近地面或轨道运行、其长径比远大于其它交通工具、两列火车会擦身而过,与道旁建筑物相互干扰、常受到横风的干扰、通过隧道时会产生隧道出入口效应.本文综述了最新的相关信息,涵盖实验技术和实验结果、理论分析和数值方法关键词空气动力学,地面车柄、硫悬列车03131引言相对于空气的速度,系数A为滚动机械阻力Gawthorpe2把单位列车质量的阻力系数A/m取为早在多年前人们就已经开始关注列车的空气动0.00802)N/kg,其中m为列车质量,B1为其它力特性.尽管列车空气动力特性和其它车辆有很多机械阻力,包括传递损耗和刹车阻力, Gawthorpe相似之处,但也有许多很重要的不同之处,例如,飞取B1/m为(15×10-4~2.0×10-3)N/kg,表示机气动特性需要考虑流线型机体,而列车却不同,它单位列车速度(m/s)所引起的单位列车质量的阻力贴近地面或轨道运行长径比远大于其它交通工具、系数.B2为空气动量阻力,在列车运行时,发动机有时贴身驶过道旁建筑物或其它列车、易受横风的干热力循环、发动机冷却和车内空调等过程需要吸入大扰、运行速度低,通过隧道时则会产生隧道出入口效量空气,B2就与加速这些空气所需要的能量有关应.虽然汽车和卡车也行驶于地面,且相互驶过时也 Gawthorpe2取B2/L为(0.2~0.25)kg/s,是单位列会受到横风影响,但是和列车相比,后者的长径比更车长度m)、单位列车速度(m/)的阻力系数,式大、时速更高本文将详细讨论上述差异以及不同之中L为列车长度,最后是外部气动阻力,主要表示处,重点是现代高速列车的特性为系数CMuhlenberglll回顾了关于列车阻力的早期研究,引用了1910年 Schmidt在美国、1913年 StrahlCVA=1/2pVASCD(2)在德国和1927年 Mukhachev在俄国发表的公式,式中p为密度,S为列车迎风面积,CD为阻力出了类似的公式.系数如果列车的迎风面积为10m2而长300m,CD多年来,1926年发表的Davs公式以及后来的修正值的范围约在1.0,对于高度流线型的列车此值小形式都一直被广泛应用对于露天运行的列车,点,对于货点,对于货运列车此值应小于10~15.因为气动阻这些公式的统一形式为力主要起因于表面摩擦阻力,表面摩擦阻力又取决于R=A+(BI+B2)V+CV雷诺数Re,所以气动阻力正比于速度的幂方,而数略小于2.由于部分表面摩阻已包括在B2中,在其中R为列车运动总阻力,V为列车相对静止空气该公式用于速度很高的情况时,根据V2推算这些阻的速度.当环境风比较叨显时,以上公式可改为力就会过大R=A+ BIVG+ B2VA+CVA(1b)对于时速为(250~300km/h的流线型列车来说,总阻力的75%~80%起因于外部气动阻力2,式中v为列车相对地面的速度,而VA为列车在这中国煤化工30%为表面摩阻,约Annual Review Fluid Mechanics惠允翻译此文( Published with是译者加的CNMHGFuid Mechanics关键词8%~13%为车首对于车尾的压差阻力,38%~47%力系数CD会引起30%的误差. willemsen(外推为和转向部件相关的干扰阻力,还有8%~20%为导 German-Dutch高雷诺数风洞实验数据,与全尺度结电架和其它车顶设备的阻力.显然,如果要着手研果相比,吻合很好(误差约10‰)究运行速度较高的列车,比如磁悬浮列车( Meglev)对于任何一种地面车辆的风洞和水洞实验来或其它新概念列车,外部气动阻力应是主要考虑对说,最具有挑战性的问题是恰当地模拟地面或车轨产生的重要影响在最简单的实际情况下,地面和风是引言部分仅考虑无风露天以及单个列车水平方静止的,而车辆是运动的而在风洞或水洞中地面和向运行这些简单情况下的气动阻力下面将对更复杂车辆模型是静止的,空气(或水)是运动的以上2种的情况进行探讨:(1)风,特别是横风;(2)隧道内情况下的最终流场是不同的,来自与 ONERA(Oe运行(3)列车相互驶过或驶过站台建筑物()气动 National d' Etudes et de Recherches aerospatial)噪音,或者上述因素的综合影响最后一章将介绍磁流场显示动画证实了这一事实.人们做了很多努力悬浮列车引起的一些特殊问题.本文还引述了升力以模拟这些影响,比如应用抽吸技术或者使用镜面侧向力、力矩和流场分布等内容在每一章中,首先给对称布置的双模型去除壁面边界层,但是迄今为止出全尺度列车或实验室尺度列车模型的实验资料,然最令人满意的方法是用传送带拖动风洞壁面技术后是简化理论分析和复杂的CFD模型介绍传送带的速度要和风洞的气流速度匹配,和汽车模2没有横风时的单行列车型实验相比,对高速列车实验来说这种技术更具有挑战性. Baker和 Brockie的报告指出,不同类型的风洞地面模拟方法会引起不大于10%的阻力误21实验数据上节引用的阻力计算公式都是根据全尺度车轨是很重要的差,对升力的影响将更大,而对磁悬浮列车来说升力实验数据与亚尺度风洞、水涧、实验水池或实验车轨也许有人会问应用哪类风洞有利于得到高速列实验数据综合所得全尺度车轨实验数据比较受欢车空气动力特性的可靠结果呢?在 Saint-Cyr气动迎,因为这可以避免尺度问题以及下面将提到的其它重要因素的影响测力车厢和列车整合在一起,以的sNcm( Societe National des Chemins de技术学nicas)22m×175mx15m安装有地面传送带便测量列车各部件上的阻力从总阻力值减去机械阻的风润可供参考刚!据 guihenL'的报告称,应用这力就可得到气动阻力2,而测量列车总阻力时常应设备,法国的高速列车TGV的模型实验和全尺度用和测量汽车总阻力相近的惯性运行技术 coasting惯性运行实验( (coasting test)的结果吻合良好technique)9.全尺度实验除费用很高以外,还有其它问题,其中最棘手的问题是环境风的影响,特别是上述的地面影响可采用使实验车辆在轨道上运橫风,因为它对气动阻力影响很严重行的方法来减轻一些. Hamburg船舶学院在船模实鉴于全尺度实验中的问题,大部分高速列车验水池中进行的实验,是在此水池的底面上牵引一个气动力特性研究是应用亚尺度模型在实验设备上进倒装实验模型,并得到了很理想的结果.很显然,在行的在某些情况下,流动条件是可以控制的,但也此实验中必须要避免气穴现象( cavitation)的影响会引起一系列严重问题首先和进行任何车辆的亚英国的铁道研究所开发了一种新式实验设备,尺度模型气动实验一样,必须注意模型的缩比尺度如图1所示,模型比例为1/25,轨道总长136m,实要恰当.理想情况下模型的雷诺数He和马赫数M验模型的推进系统是橡皮发射器,制动系统包括活塞都要和全尺度车辆相匹配例如在全尺度情况下,缸、活塞、钢缆和制动钩,其中活塞和制动钩通过钢马赫数为M<02,如果不考虑波传播现象或它的作缆连接,用于实验模型到达轨道终点时的制动用并不重要,那么模型的马赫数也只能是M<0.2;为了研究横风、隧道出入口及其它物理现象的影再如,假设相对于列车的气流速度对模型和全尺度响,建造了一些特殊实验设备,本文将在后面讨论列车来说是近似相同的,那么,实验室的雷诺数Re对于各种阻力成分的实验研究,这里首先考虑列就会明显地远小于全尺度车辆的雷诺数Re两者的车车头和车尾截面上的压差阻力详细的研究121比例等于模型与原型的尺度比这个问题是所有车辆表明,如果模型没有锐边,大量细长实验模型测得的模型实验都要遇到的,但对列车来说这个问题更为的压差阻力没有明显差异图2给出了典型的风洞重要因为列车很长列车的模型实验存在许多特殊实验压力分布曲线和无黏面元方法( (inviscid panel问题,因其存在一些小尺度的产生阻力的重要阻力构 method)预测曲线的比较.压差阻力对列车总阻力的件,如转向器、导电架和车厢间的间隔等.目前认为页献很小而目形阻多由车底动来控制而不是由列实验模型的尺度至少应是原型的1/103. Baker和车中国煤化工头和车尾的形状对Broe指出由模型实验数据推算全尺度车辆的阻列CNMHG,高速列车总是设405模型橡皮发射器加速车架制动管组制动钩图1英国铁道研究所研制的动模型实验设备(来自于So1,援授权再版350400450计算实验2003004005006007003002001000图2车头模型上压力分布测量和计算结果[2,1习计为可以双向行驶的,牵引车厢和尾厢相同,因此车齐的门窗、细心设计车厢间隙结构和车底的机件.车头和车尾的形状可以假定一样车尾的形状更是无关体的气动设计是一个值得不断关注的领域7.据报大局,原因是列车运行时,车尾深浸在沿车身发展的导,通过在车头、车裙、车底、转向架以及内嵌构架个厚的湍流边界层里上安装整流器,可以把作用在这些机件上的气动阻力下面我们将考虑湍流边界层及其对列车总阻力降低约20%的影响.流场数据表明,Cf(Cr≡Tv/(1/2pv2),其对高速电力列车来说,导电架的气动力学是一个中u为壁面剪应力的范围高达000低至00较为重要的问题因为升力影响到导电架和电力线的因为列车周围的流动是三维的系数沿车身及其周边变化很大. Baker和 Brockie14推荐此系数的△SNCF(法国国营铁路公司)带UIC车厢的火车值在0002-000之间. Sockel给出沿不同车体日日本电气列车的边界层厚度(6)的值(图3,由图3可知,边界层位5oDB带Avim车厢的车头103移厚度(6)的范围是6/8~6/12. Baker等对安装在动轨道上的列车模型实验测量,得到了边界层的剖面,他们的报告指出边界层的形状因子(H=6’/6,其中θ为动量厚度)沿车身长度方向保持为一个稍大△于10的常数. Parado等在风洞中通过传送带上的模型实验给出了沿车顶的边界层剖面和TG0.0406080100120140模型后横截面上的速度分布,结果见图4第一节提及诸如转向器、导电架等部件对总阻力都有所贡献,对此值得特别注意所有的现代高速列中国煤化工的边界层厚度测量结果车都应用了以下气动优化措施,比如光滑的车身、平CNMHG406力问题.最佳效果是应用升力处于中性状态的导电架.代表性的工作有 Althammer[8的研究.应用整流器可使阻力减少约50%,而伸缩式导电架可使其阻力减少约90%同应用内燃机推进的高速列车涉及更特殊的气动问题,其中包括吸气排气和冷却系统的设计,这一领域的技术也是诸如汽车等非铁道领域的研究范围.吸气部分的设计受到列车双向运行需要的限制,为了o E+-#H避免排气被再次吸入,进气道一般布置在车底或两0.00.20.60.8侧,而排气道布置在车顶,这种布置方案也有助于防U/Vr止吸入雨水、灰尘、碎渣,也可以降低排气噪音和污a)x=4407mm处车顶边界层外形染等.当时速超过约150km/h,人们发现进气道不能放在距车头15倍车宽范围内,也不能放在车顶的拐角区分析研究结果主要来自于两类分析,第一类包括前节描述的那些简单参数相关关系,第二类基于计算机处理,包括应用无黏方法,或者是应用了湍流、Reynods平均Ns方程(RANS)的复杂的CFD分析,基于数据相关关系的阻力分析,其阻力系数CD10001可表示为1(b)车尾300mm后尾流截面速度CD=CDL CB+Ar(lT-lL)/AL/2(3)其中CDL为牵引车或火车头的阻力系数;CB为列图4在风洞中测量到的TGV模型附近的速度分布车尾部阻力系数;为车身摩擦阻力系数,包括转(来自于 Parado等(1,铁道技术研究所授权)向器、车轮、车厢连接部和底面的阻力影响;l和lx分别是列车全长和牵引车部分的长度. Cockell接触力,所以不仅要考虑它的气动阻力,还要考虑升汇总了这些参数的典型数据值,其值见表1表1列车阻力和摩擦系数1IT IL CuAPT-P20HST2,110.110.0192MKI常规旅客列车2001180%载客量6.5Shinkansen 2000.062421.5224.50200160ICE102115200.120.200125a,APTP,高级旅客列车;HST,高速列车;ICE,城际快车b.星号表示估计值最简单的应用计算机分析的方法是无黏面元方况下,基于无黏面元方法的CFD分析结果和实验的法,在图2中已给出此类结果和实验结果的比较两压力数据是吻合的四2种结果的符合程度还是不错的.但是在有横风情况下RAPIDE项目涉及了CFD计算、模型实验的吻合情况就急剧恶化另外,这种无黏面元方法不和全尺度实验的验证. Matschke等2给出了运行能分析黏性阻力,而黏性阻力对流线型和高r/42时速达280km/h总长205m的城际快运列车(ICE值的高速列车来说,是非常重要的.应用黏性CFD2, Inter City Express)的一些很有意义的近期分析结程序研究铁道空气动力学是从20世纪80年代初期果开始兴起的21. Gaylard的文章回顾了19年以前3中国煤化工影序的CFD研究由包括风洞实验验的关于列车的CFD研究,并且指出在没有横风的情证,CNMHG(a尾车的压力分有和沉线图y(b)牵引车厢的水平速度分量计算结果(c)牵引车厢的水平速度分量测量结果图5列车1CE2流场计算(来自于 Dutschke等2习,wwR9,铁道技术研究所授权)3横风效应约为10%,在大风天气里,如果横风按照BSF(Beaufort Scale Force)标准风力为8级,则会引起气动阻横凤对列车空气动力特性有很多重要的影响也力增加约50%. Peter[的结论认为,如果列车运行许有人会认为,如果提高现代高速列车的运行时速就时速为(250~300)km/h,风速15m/s,在迎风角为可以减小给定横风分量时相对应的实际偏航角,从而30°最恶劣的情况下,将会增加60%的气动阻力可以减小横风的影响然而实际情况并非如此,实现横风不仅对气动阻力,而且对升力、侧向力和气现代列车的高速运行,必须通过改进结构设计和提高动转矩都有影响,而这些参数对列车稳定性评估都材质来尽可能地减轻列车的自身重量,这一些措施的是很重要的最近人们对这一课题的兴趣越来越浓,最终结果是加大了横风的影响Hine和 Matschkel2把没有动力、轻质、高速的车横风最直接的作用是对气动阳力的影响横风速辆安装在列车牵引位置上,实验表明由于强风作用而度和列车运行速度合成即形成偏航角,对于现代列使迎风侧车轮卸载而列车在离开隧道时遇到强风将车来说,在B<30°的情况下,偏航角和阻力系数之使列车陷入类似的特别恶劣的运行环境间的简单相关关系由文献24给出31实验数据CD(6)=CD(0)(1+0.02)Gawthorpe2估计,和列车以时速150km/h在无风中国煤化工尺度实验得到,尽管这天气里运行相比,日平均横风力引起的气动阻力增加CNMHGHeine和 Matschke(果.图6给出了在不同列车外形轨道基础和噪音隔离棚情况下的翻转力道施加的惯性力时存在困难27Baker和 Humpherys曾试图就各种风洞模拟过程对模型气动力的影响得出-些结论,但是他们只研究了具有棱边形的列车模型.他们首先得到的结论是:横风对地面车辆的平均侧向力系数对风涧模拟的种类并不敏感,而圆角化的车辆将显示出对Re数更大的依赖度.另一方面, Baker和 Humpherys发0040心|■开放式道堤现升力系数非常依赖于实验布置和实验条件,并推荐噪音隔离栅应用高Re数和移动模型在列车稳定性研究中气动转矩是一个有意义的问题,人们发现它主要由侧向力引起,而升力的贡献图6不同风速和不同道旁布置条件下列车 InterRegio气很小.对于高速列车的设计,转矩随偏航角的变化关动转矩来自于 Heine和 Matschkel20,系由图7给出,牵引车厢上的压力分布产生对转矩TRANSs测果协会授权)的影响比后续车厢大.在偏航角<45°时,转矩与偏航角呈线性递增关系,而偏航角>45°后转矩就为在实验室内试验,使得特殊运行条件可以重复操一个定值作,易于测量,但也会引起模型尺度和相似条件的严风洞实验结果可以用来为列车在横风中运行设重问题例如,在风洞中具有偏航角的长模型引起的定上限82.但Pee2以及 Baker和Hum气流滞塞作用明显增大.另外,应用传送带技术模拟 theres③s指出在应用没有考虑大气湍流影响的实地面作用,传送带是否也象模型那样需要有一个偏转验数据时要加倍小心角?这些考虑会引起机械装置的复杂性,而且传送带露出的外缘也会带来干扰.实际上,如要模拟地面的关于横风对列车的总体影响研究正在进行,包括问题就来自于轨道基础和支架列车可能运行在9°横风影响的各种方法还有通过栅栏来减少影响2,问题是相当复杂的,因为最棘手的横风作用的横风中,此时有效偏航角相对运行方向为40°,这横风的影响并不局限于列车主体的气动特性.如就要求风洞实验时模型应有40°的偏航角相随而来对电动列车来说横风可能导致车顶导电线路或列车的问题是轨道受90°的横风干涉,而实验中却象列车导电架的故障②.故障的原因通常是横风施加给缩样只设了40°的偏航角另一个问题是在实验室尺放仪的升力增加了,导电架上升从而脱离供电线路度下适当地模拟大气边界层在建筑物风载研究中就有人关注了这一问题, Cooper2也给出了他在做地面车辆实验时得到的相关数据鉴于这些考虑,风只有牵引车洞实验趋向2个方面:其一是在风洞中把相对较大尺度并有偏航角的模型放在抬高的周定的底板上,这一方法可以合理模拟雷诺数Re,但是不能体现移0.3后续车厢动地面效应和大气边界层的作用;其二是把小尺度模型放在固定地板上,使其暴露在精心设计的大气边界层内对于横风的关注和研究主要集中在非稳定阵风上, Bearman和 Mullarkey2在风洞实验中使用襟翼来产生阵风, Dominy和 Docto(在开式风洞( open-throat wind tunnel)中应用横向喷射器产生阵0102030405060708090风.以上2个研究组都是做公路车辆实验的偏航角/(°)所有这些考虑引发了众多移动模型实验方案7在横向风作用下列车的气动转矩特征(来自于图1已描述其中一例,也已提及了船模水池中进行Gawthorpe27, Elsevier Science授权)的列车模型实验.主要想法是在风洞中,把实验模型沿地面轨道发射,以便模拟流动的大气边界层.地面风洞实验表明,存在2个偏航角区,可通过列车效应和横风也可通过移动模型实验来模拟.当然,这背风面的涡流型来区分.当偏航角<45°时,就会形些实验也带来了新的问题,比如为了保证列车模型成能平稳运行就需要实验轨道足够光滑、精确安装.另中国煤化工现的现象相类似的外,模型的载荷平衡间题也使得在区分气动载荷与轨后CNMHG地面边界层脱落,然角大于60°后,背风面的流场就类似于横风中圆柱体后的流场.如果偏航验中,把偏航角为60°的模型安装在地板上,通过油角在45°和60°之间,背风面的流场就在以上两种流显示得到了列车背风面的流型,图8给出了这些模式之间变化7.192年Cin和Sque在风洞实结果流动方向流动方向开式分离截面IIS一截面II截面Iva)表面流线图截面I截面Il截面IIl截面IV截面V(b)尾迹的轴向发展图8列车在横向风中的尾迹涡(来自于Chiu和 Squire[37), Elsevier Science授权)32分析计算结果与实验数据比较的详细资料可见 Copley③8上一节的式(4)给出一个简单的典型数据关和Chin的文章系自上一世纪90年代初期以来,基于RANS控制Copley应用面元法( panel method)来分析偏方程和ke湍流模型的现代CFD计算方法已经应用航运行的列车模型,并给出了与风洞研究的比较结到包括横风的列车气动问题的研究中.早期二维近似果.在现代设计的具有25°偏航角的车头附近,三维的研究工作对于较大偏航角的情况比如90°来说面元法可以给出不错的流场预报,因为此时流动几乎人们认为有一定的有效性21没有分离,尾迹流的影响也很弱.对偏航角更大或在基于RANS和重整化群理论kε湍流模型的沿车体更远的部位,背风面的流动分离现象必须要考 TRANSAERO程序,.包含了风洞实验和全尺度模虑并加以模拟.对于这些问题模拟计算,应用面元法型实验数据,可用来研究列车空气动力特性,其中包是很困难的,除非通过实验或边界层分离计算等方括横风的影响研究.这一CFD程序应用了近8×10°法得到流场分离的位置并应用到面元法计算中.偏中国煤化工3种方法研究得到的航角很大的情况下,二维模型就可以成功模拟沿车体离开车头较远区域的流场.关于面元分析法以及人 CNMHG应用移动模型和静止力损失(△Ps)Now=k(1/2p1.2(APs)Tail=kr(1/2pVaail annulus) (6)a.o00静态模型风洞实验注意对于长列车来说,在车头和车尾2处,车体与隧梓动型实验道之问环面上的速度通常是不同的. hardy446给仓民度实验出这些系数的估计值,对于流线化的车头,kN约FD计算01或小一点,而kr≤R2. Gaillard4认为和运行在露天相比,列车在隧道中运行时表面摩阻系数因子增长为(1+221R,然而, vardy4.4指出这个因图9关于全尺度和亚尺度、行使和静止的列车侧向力和转矩子很难确定.据 Vardy估计,对于典型情况摩阻和车测量结果以及雷诺平均NS方程CFD计算结果的比较(来自于 Matschke等40,铁道技术研究所授权)头车尾压差阻力的比值约为55Gawthorpe等47利用类似的公式估算了隧道长度、阻塞率和车体形状对阻力的影响. Sockelllll给出4列车—隧道效应了限于长隧道流线形车体的结果,但包含了列车加速度和周边空气的影响作用.比值T=CD/CD(0)随高速列车的铁路涉及到越来越多的隧道,其原因着车长的增加而减小,但在通常的阻塞率R=01有多种其中包括:(1)在人口密度高的区域有环境02范围内,2与隧道长度和列车速度没有关系,方面的考虑;(2)不断增长的闲置平整地面的匮乏问这与全尺度实验结果相吻合2题;(3)高速运行要求车轨更直高速列车在隧道中4,2列车-隧道中的压力波运行涉及到的空气动力学问题,体现在2个相互依当列车通过隧道时,将产生一系列的压缩波和膨赖的现象中,即压力波的形成和阻力的增加·在长隧胀波,并以近似声速的速度沿隧道传播.这些波在隧道中,阻力增加是主要的,而对于较短的隧道,在其道进出口区域对列车和乘客引起一些问题人们认为入口和出口的脉冲压力则引起了更多问题可以容忍的压力变化范围应在(1~4)kPa之间,脉41隧道中的气动阻力宽为(4~10)s,而现代高速列车运行都通近这些极限(.压力波增加了列车结构的负载,同时,如前隧道中列车的气动阻力能相当多地超过同一列文所述,压力场还会影响气动阻力车在露天运行时的阻力,这主要依赖于列车在隧道中的阻塞率R( blockage ratio)、隧道和列车的长度、图10给出的单列ICE列车在双轨隧道中运行车头和车尾的形状、空气柱的存在、隧道横向连接结时的压力-时间曲线,可以用来分析一些问题.此压力-时间曲线显然描述了一个非常复杂的波动过构、隧道壁面的粗糙度、列车的粗糙度以及在隧道中程,其中包括了利用图1所示实验设备得到的125是否有其它列车同时存在关于列车在隧道中的空气模型实验数据和全尺度实验数据,而且很容易看到这动力特性的实验研究,可以在全尺度(Mtuo4和Ⅴardy& Heinkel2)或实验室模型尺度条件下进行,些结果吻合得很好(ΔP在6%之内)图11给出一典可以应用图2所示的实验设备o或较新的移动模型的计算结果,这将在下文详细论述,它很有助于理型设备,后者可以以高达500km/h时速发射实验模解这类复杂流动的主要特征.图11a)为xt曲线型图11(b)为离开车头20%车长处某点上的超压-时间曲线(△P-t).首先,当列车驶进隧道时,头部产与其它车辆类似列车阻力是压阻和表面摩阻的生一个压缩波,此压缩波到达隧道出口时反射回来一合力,但是跟在露天中运行相比,在隧道中运行时这个膨胀波当列车尾部也进入隧道时,产生一个膨胀2类阻力的值会有所改变在隧道的入口和出口产生波,并在出口反射一个压缩波由图10可见最大的很强的压力波,在隧道内的水平压力梯度沿列车发压力脉冲发生在隧道中部(图中用AB标记,这是由展.列车周围的流场很明显地改变了,特别是在车头于头部和尾部的反射波之间复杂的相互作用、车头附下游或尾部的任何分离区都会受到影响,从而影响头近压力变化以及车身周边摩擦作用等原因形成的隧部和尾部阻力道气柱可以减小此压力脉冲的强度0列车在隧道内运行的气动总阻力通常表示为头现分析一下这些复杂的流动现象此类流动问题部损失系数kN和尾部损失系数k的函数4,其通中kN代表头部滞止压力损失,h代表尾部滞止压烦中国煤化工其分析是很困难和一某些主要特征可以应CNMHG40(1.6)E名区1275(5.1)215(86)A压线一)襪型长图10列车通过隧道过程中压力历史的全尺度测量和1:25模型尺度测量的比较(来自于Pope, BHR Group Ltd授权)用理想化模型来预测1.很多学者应用了一维非定A BCD EFGH常等熵流.对隧道入口压缩波引起的压升,图121000.0比较了全尺度测量和理想化模型预测的结果.日20000下面的分析假设流动是一维、非定常、绝热、可压缩流隧道和列车的壁面摩擦作用则根据准稳态假4000.0设在动量方程中考虑,列车壁面所做的功放在能量方5000.00016.032.048.064080.0960112.0程中由此所得到的双曲型偏微分方程可以应用特征时间/s线法来求解,文献(1有更详细的讨论]图11给(a)车尾轨迹和波的传播线出应用这一方法得到的结果在此流动过程的初期,瞬态压力通常吻合得非常好,但是随着时间的延续,这一理论就低估了压力波的衰减效应,原因可能是非定常摩擦、准稳态边界条件假设、忽略传热、和/或40o假设列车和隧道壁面是多孔的有几位学者已经应用了三维非定常Euer方程30位置,车头20m后来求解列车/隧道问题25.图13对CFD计算和0.016.032.048.064.0800960112.0模型实验得到的压力系数-时间曲线作比较是不错时间/sb)车头20m后一点的压力历史曲线,R=0.363对于隧道中沿高速列车产生的非定常流场,已图11列车通过随道过程压力计算值(来自于 Schulte经有几个大尺度 RANS CFD研究,这类流动会引起Socket4y, Addison Wesley Longman授权)中国煤化工k应用了标记单元方法)、三维非定常可CNMH气列车在隧道和露天运412行时的流动过程.他使用了198×10个网格点和道内的流场.图14给出了沿列车侧面的瞬态涡量分176×10°万个网格点分别计算露天部分的流场和隧布图,可以看出隧道内流动的非定常性是很严重的5列车型号1(R=01m)TGFo3D/ DEXTOP N. A=0.266运行的压力系數比较BA3=30II(R=0.203)口Iv(R=0.159)Tg- tlo 3D:V/kmh-时间/s图12列车进入隧道后压升,伞尺度测量和简单一维非定常计图13列车通过隧道时的瞬态压力,模型尺度测量结果和三维算结果比较(来自于 Matsuo等1,BHR集团公司非定常 Euler方程数值计算结果的比较(来自于Gre授权)gorie等2),BHR集团公司授权)a)露天运行的列车(b)隧道中运行的列车,从隧道中心君(c)隧道中运行的列车,从隧道侧壁看图14列车 Shinkansen侧面涡的计算结果(来自于 Suzuk54, M Suzuki授权)40%555列车与列车之间以及列车与道旁列车行驶引起的滑流( slipstream)风力会引起严建筑物的相互作用重的道旁问题,它引起的高度紊流可能危及站台上的乘客、小货车、行李及包裹等.在第3节已经讨论过,列车诱导的流场的主要特征是背风面的强烈涡当单一列车在空气中驶过,它会诱导一个复杂的旋环境风的变化引起的非定常作用会进一步恶化上流场这就意味着道旁建筑物或过行的其它列车上的述高度非均匀的流场现代高速列车设计中比较典型流场对这一列车来说是很重要的,这是不同于其它车的车头是细长的,它和钝形车头相比,可以减轻车头辆的原因是列车运行时往往和道旁建筑物或其它列引起的阵风和平均滑流( slipstream)速度.然而,车车距离非常近.下文讨论这些问题尾的改进设计会使得尾流变窄和集中,从而引起尾流51实验研究阵风加强.滑流( slipstream)速度直接随着车速的变车头和车尾驶过后将依次引起静压的扰动压力化而改变,而很强地依赖列车外形. Penwarden峰值的大小和横向衰减率是重要的研究对象部分来认为风速大于20m/时会危及人类. Montagne2自于 Tsuzuku等人的全尺度实验数据在图15中在轨道旁安装了圆柱体来近似人体,当TGV列车通给出,可以很清楚地看出车头形状和横截面面积的影过时测量发现在车尾驶过后较大的风力可达到侧向响是很大的.压力峰值依赖车速的平方.需要重点指距离18m处出的是压力的改变率是很大的(压力脉冲的时间尺度其次,列车驶过另一列停站或者同向或逆向行驶按比例取决于车头通过所需要的时间),这会引起冲的列车时,在行驶中的列车旁测得的压力脉冲很强地击载荷,给诸如车囱等物件带来许多问题.这种压力依现象使得在道旁架设噪音隔离栅是很必要的,车速在过YH中国煤化工的距离,这和列车驶车驶过速度较慢的450km/h时,这些隔离栅可以把压力的峰值减小约传CNMHG虑, RAPIDE计划正在研究这类情况2纲的压力系数给出,这些值儿乎是速度的线性函数最近 Komatsu和 Yamada给出了关于高速列因而,压力脉冲绝对值既是车速平方的函数,也是车车的一套全尺度实验数据, Komatsu和 Yamada.应头形状的函数.侧向加速度为车速平方的函数,其幅用一辆 Shinkansen系列300列车(见图15(a),以值是很大的很高的相对速度驶过同类列车和驶过其它高速列车文章中给出的大部分数据来自于全尺度实验,时,测得了压力瞬态值和侧向加速度.图16中给出模型尺度的列车行驶实验结果也常见图1所示了部分结果压力峰值的正偏移量和负偏移量以无量备就很适合这种研究,在 Johnson和Dll明的文系列车头形状截面图侧面图截面积(m2)车头长度(m)圆形16.0OX尖头形6.0700流线型109300斜面型11.2300X车速350km/h,其它车速270kn/h2300X(尖头离开车体侧面的距离/m图15高速列车通过隧道时引起的压力彼全尺度测量(来自于 Tsuzuki等5, WCRR'S9提供,铁道技术研究所授权系列1000.15·系列300▲系列100系列700●系列300a300系列7000.00a300X0.15开列车时速/kmh-1(a)压力峰值-速度cr H中国煤化工度CNMHG章里可以找到利用此设备所做的一些最新研究工时的数据吻合得很好. Matschle等指出较长的车头作和较宽的轨道间距能得到吻合的数据,因为这种情况现在讨论列车同时在隧道中运行时的一些重要可以避免流动分离现象问题.由于隧道中列车之间的相互作用非常依赖于进一步的分析涉及到应用三维 Euler控制方程两车进入隧道的相对时间,所以这种情形很复杂例组的数值模拟. Pahlkel的文章给出了相关数值如,进入时间改变仅4s就能使最强的压力变化加倍模拟的一个具有代表性的算例. Pahokee详细讨( Vardy和 Anandarajah).在所有相关参数和变量论了列车隧道问题相关数值计算的精度要求和应用中,不可能选择一个有代表性的典型数据. Johnson问题.例如在露天运行典型的列车驶过问题的算例和 Dalley应用ETR500列车模型所做的模型尺度中,压力信号变化仅是滞止压力的±10%左右而跨实验中,一列列车停在隧道入口附近而另一列列车驶音速飞机的特征压力变化约为滞止压力的10%量过,测到的压力脉冲随车速的平方、车头形状和轨道级.这些问题更加限制了网格要求对于数值预报和间距变化长车头设计可以显著减轻压力脉冲对轨道全尺度实验数据的吻合水平可以用图17来说明,在间距的敏感程度在Mani和voi的文章中给露天中,两列ICE列车以时速250km/h相对行驶的出了两列高速ETR500列车在隧道内并行的全尺度过程中,分别记录车头和车尾特殊位置的表面压力数据车头位置的压力峰值-时间曲线计算得很准确,而在车尾位置上的计算值过大,有人把这归因于忽略了沿52分析车体发展的厚边界层的影响关于列车通过问题的早期分析都做了不可压无基于RANS的CFD数值方法在高速列车隧道旋流的假设.随着车速的提高这些假设就有局限性中相对行驶问题的应用也有很少的几个算例,三维非了. Tolmein2给出了理想化的列车通过隧道的二定常高Re数湍流的数值模拟的网格需求量很大,这维势流解意味着即使应用了高级算法和并行计算机,能用的三维面元法( panel method)也已经被用来分析算网格也是很粗糙的.在 Kalro和 Tezduyar4文列车隧道问题. Matschle等4的研究中,全尺度章中也提到了有限元法求解此类问题,计算得到的列和模型尺度的两列高速列车上分别应用4700个格车尾部压力降的最大值为12kPa,这和(14~16)kPa子,得到结果和一列高速列车通过另一列载货列车实验测量值很接近Euler模拟Euer模拟·实验两列ICE列车在露天轨道上行驶时速250km/h,轨道间距47m5000-730车窗同高面上的压力7501000030.4050.6图17两列城际快车以250km/h驶过时的瞬态压力,全尺度测量结果和三维非定常方程数值计算结果的比较(来自于 Pahlkel63, TRANSAERO授权)6气动噪音进和离开隧道、驶过道旁建筑物和其它列车时引起压力脉冲会产生噪音.Iida等分析了消除这些不管在列车内部还是列车外部噪音都是高速列问是车必须考虑的重要环境问题.Hard站在乘客的音中国煤化工m/h以上时气动噪角度上讨论了这个问题前文已经讨论了,当列车驶次力CNMHG强度随着车速的6于高速列车气动声415学的测量技术、分析方法和硬件研究的声源,他们认为双模型镜象配置法( mirror- ImageTori&zlto6对全尺度 Shinkansen列车的几 method)比单模型动地板法更实用个声源进行了气动噪声研究.图18所示的车头形Talotte等网介绍了他们关于车体不规则外形状的改变会使在离开轨道25m处测量得到的噪音值产生气动噪音的实验和数值计算相结合的研究,其实减小2dB(A),同样也减弱了在隧道入口处产生的压验研究是在低噪声风洞中进行的,使用了理想化的不力波.上述车形的改变同时也注意了粗糙度、侧门规则车体.气动声学的计算则应用了非定常湍流大涡的缝隙和把柄,车头底部也做了气动处理. Takaishi模拟(LES)和控制噪声传播的线性 Euler方程耦合等利用1:125模型的风洞实验和二维非定常算法RANS CFD程序研究了 Shinkansen列车的气动噪音关于转向器对气动阻力和噪音的影响,正在进行92m6.0mC(a) Shinkansen系列700低噪音系列列车(b) Shinkasen系列300列车700系列长度/(c)横截面分布图18车头形状研究,减小气动噪音和隧道中运行时的压力脉冲(米自于 Torri Itol627,wGRR99,铁道技术研究所授权)广泛研究车阿利用喷气发动机来推进和空气垫作悬浮支撑作为气动噪音、气动阻力以及升力等的源点,还有各种建议高速列车在管道中连续运行网,方案导电架也同样引起关注86,7,Tori&Ito7对中使用各种推进系统,包括简单的空气压差推进技Shinkanson700系列列车和 Shinkanson300系列列术最近,人们的注意力几乎全部集中在磁悬浮列车车进行了全尺度测量和比较,得到前者的气动噪音及其推进系统上因改进导电架而减小了4dB(A), Althammer等[18磁悬浮列车和推进系统的倡导可以追溯到多年的风洞实验报告指出,改进的导电架可以减小噪音以前.Stix7综述了20世纪90年代前的相关主题高达(13~16)dB(A),然而也遇到了较大的升力研究.鉴于很多实际因素,磁悬浮列车系统都运行在Ikeda7介绍了一种低噪音的导电架设计方案,以便高于地面10m的高架轨道上.有2种应用磁力的总克服上述问题方案,相关的气动问题也很不同.电磁悬浮(EMS7磁悬浮列车空气动力特性方案有个T型的轨道,磁悬浮列车的底部包在T型轨道外侧(见图19(a).引力磁体安装在轨道底面人们已经提出了很多新概念以代替高速列车中中国煤化工列车和轨道底部之间距传统的车轮/轨道支撑系统和推进系统.气垫列CNMH与悬浮(ED方案列416车骑在轨道上,通常有一个矩形或U型的导向槽,轨渐减小,而后续车厢上的阻力增大,车头和车尾上的道和列车底部安装有互斥的磁体.对于这种结构,列阻力变化过程类似而总阻力也随着偏航角的增大而车和轨道的间隙大的多,约为10cm.目前日本的磁按照线性关系增大. Peters指出,全尺度磁悬浮悬浮列车系统属于带有矩形导向槽的EDS类.如果列车惰力运行实验得到的阻力和风洞实验结果是相应用较窄的U型导向槽,气动学家就必须特别注意符的升力和侧向力,以保证列车刚好在轨道的正上面.实际上两类磁悬浮系统都不希望有车体产生的升力,原因是升力随车速变化很剧烈,设计者更希望全部浮力小火车都由磁体产生电硫悬严系统BM3导向带七磁体图20电磁悬浮系统类磁悬浮列车1:10模型的阻力系数随气9525m偏航角的变化关系(来自于 Peters时, ndersocience笔国改计Enterprises Ltd授权)电力悬浮系统RDs图21给出了侧向力和升力数据.牵引车厢上的侧向力远大于后续车厢,而且大部分侧向力来自于车头.随着偏航角的增大,车头的升力几乎不变.但是整个列车的升力却急剧增大.可以在车头底部安装整流器来减小车头的升力停站钓气雾>101.6mm为了模拟磁悬浮列车在高架轨道上运行,弗以A生吉尼亚工学院和州立大学在他们的1828cm悬浮磁体超导磁182.88cm×731.53cm的风洞里,把一种特殊设备安装在高速(150m/h)移动的传送带上[s. Howell?表明在风洞实验中,安装在固定轨道上的列车模型不能精确模拟磁悬浮列车的底部的流场.上述设备图19磁浮列车EMS和EDS系统示意图如图22所示,在风洞中,EMS磁悬浮列车模型安装在传送带上,模型底盘包在传送带外.在攴撑和滑71实验研究轮前有一个巨大的传送带驱动器,驱动器的外形是Pers3综述了早期EM列车结构气动特性的在对传送带上部和周围流场进行精心研究的基础上洞研究,轨道和转向器之间的区域需特别关注,设计的,月的是把高架传送带引起的无黏和湍流扰否则转向器上的阻力会达到整个车轮阻力的2/3然动减小到最小,以便得到期望的均匀、无湍流的磁而,通过精心设计转向器及其构件可以使列车阻力悬浮列车模型流场以上努力是成功的,得到了相当减咸小2倍.Peer根据船模水池实验的结果,指均匀的流场.传送带上没有模型时的测量数据已经出轨道和列车底盘之间的问隙可以把此区域的摩擦由T等5啊详细描述.利用这套设备已经进行阻力减小50%.因为目前的磁悬浮列车设计得比较了多种不同磁悬浮列车的空气动力学研究(78~80短,所以其总阻力受车头和车尾的影响比传统列车 Grumman有2种流线化的EMS设计方案:美国的受的影响更大在车轮/轨道类的列车中,车头和车磁悬浮技术中, Lockheed提出的钝头EDS设计方尾的外形长细比( (slenderness ratio)为125时可以高案,其悬浮系统的特点是有一个细窄的垂直叶片伸效运行.对磁悬浮列车来说,只要尖角处理得好,这入到列车中;另一个是来自于弗吉尼亚工学院的流值也是可用的.图20给出了缩比模型的阻力实验线形设计方案,列车运行在一个很浅的U型导向槽结果,包括了横风的影响,如果没有横风(偏航角为0),双车厢列车的阻力几乎平均分布在牵引车厢和后中国煤化工制在模型的导向浅槽据包括了力和力矩续车厢上随着偏航角的增大,牵引车厢上的阻力逐CNMH利量表面摩阻,平均流速和湍流流速的测量,以及簇丛法(tuts)表面流图23和图24分别给出了阻力和升力的比较,其的流场显示中IGE和OGE分别指考虑地面效应( in-ground图21 TRSNSRAPID TOG磁悬浮列车牵引车厢的升力和侧力系统随偏航角的变化关系(来自于 Peters3图22架起的移动轨道磁悬浮列车实验设备,电磁巷浮系Inderscience Enterprises Ltd授权)统(EMS)模型安装在传送带上,Ⅴ irginia理工学院18288mm×18288mm风洞300.05图23风洞实验刚力系数,包括 Grumman电磁悬浮系统(EMS)磁悬浮列车、 Lockheed电动悬浮系统(EDS)磁壯浮列车和 virginia理工电动懋浮系统(EDS)磁悬浮列车,轨道运行,即考虑地面交应IGE( (in-ground effects,以及无轨道运行,即没有地面交应OGE( out-of-ground effec).CD阻力系数,Be为雷诺数所有数据来自于文献(75,78~80s02°892000004000008000001000000图24风洞实验升力系数,包括 Grumman电磁悬浮系统(EMS)磁悬浮列车, Lockheed I电动悬浮系统(EDS)、磁悬浮列车和 irginia理工电动浮系统(EDs)磁悬浮列车,轨道运行,即考虑地面交应 IGE (in-ground effects以及无轨道运行右她面应OGEout-of-ground effects).CL为升力系数;中国煤化工献8~80])CNMHGeffect)和不考虑地面效应( out-ground effect),即是否的分析方法,后者在22节中已经讨论过对于在矩应用了传送带首先可以看到,当以车宽为特征长度形导向槽上运行的EDS列车, Barrows等2试图的Re数超过约400000后,升力系数CL对Re数的模拟涡分离现象的影响,其方法是把流场看作定位在依赖关系就消失了其次,对于流线化的外形,当列车两平行平板之间的一个点源,流场中动能就和涡分离靠近轨道运行时阻力会增加,升力也有所改变.对于引起的阻力有关,研究得到一个车头的优化外形钝头车形来说,升力会增加而阻力改变很小流线化磁悬浮列车都靠近轨道和地面运行,其中EMS车形阻力水平很适当,而升力水平也可行;而钝头车系统最近一般认为列车和轨道之间的黏性影响很形的阻力和升力都偏高,从空气动力学的角度出发这是磁悬浮列车设计过程中应当避免的.图25中给大,因此低精度无黏面元法( inviscid panel method)难以模拟这种重要现象,如当列车运行太靠近地面或出了 Grumman设计方案的尾迹测量数据的一个例轨道时可能发生“举翻”( ift reversal)另一方面,子,这些数据将和下文的CFD计算结果作一比较为了多学科设计和优化(MDO)研究等目的,需要种简单而耗费不高的分析方法yl等发现涡面元法 (vortex panel method)虽然精度低,但能够在一定程度上模拟黏性影响,而且不需要复杂的 RANS CFD模型.图26给出了涡流图形,表示 Grumman磁悬浮列车设计时考虑地面影响和不考虑地面影响的差异.图27给出了应用图25 Virginia学院设计的 Grumman磁悬浮列车尾迹流OGE横截面上的速度等值线图(来自于Tyl等r可,AIAA授权日本的 Yamanashi磁悬浮列车实验线测得了大量的有用的全尺度实验数据,涵盖了磁悬浮列车运行的各个方面,包括空气动力学56.最近的磁悬浮列车设计都是EDS类的,列车运行在矩形导向槽图26 Grumman磁悬浮列车涡面元法结果.OGE表示没上,导向槽的高度达车高的一半.车头根据广泛的有考虑地面影响IGE考忠地面影响(来自Tyd等思CFD研究(下文将介绍)精心设计,以便使列车通过作者授权隧道时,气动噪音、阻力和压力脉冲降到最小目前实验的车头有2种形状,一种很长,车体圆角(称为气动圆角)也很小,另一种的外形象鸭嘴(称为双尖点).目前许多实验都集中在列车高速运行时纵向、水平和转动稳定性上,包括在曲线轨道上转弯或驶过其它列车.列车实验速度高达550km/h,而列车对开时的相对速度高达96km/h时速500km/h时的气动升力约为50kN,露天运行和隧道运行没有较大差RANSI&异.在直轨和曲轨上运行时速高达500km/h后,横涡量法向和纵向位移偏度为±10mm.列车驶过其它物体时的侧向力比纵向力大,转矩也是这样,这些影响作用和传统列车测量结果相似. Yoshimura等1的报04告给出了各种气动刹车系统的实验结果,他们发现这对于高速磁悬浮列车来说,这些系统很管用磁暴浮列车压力分布, Sinclair等|8272分析中国煤化工解和祸面元法计算结果早期的磁悬浮列车的气动分析模仿了传统列车CNMHG了2种方法得到的同一个二维车体顶部和底部的压力分布,其一是涡面元法,其二是 Siclari等8的二维 RANS CFD计算方法,它们都考虑了地面的影响,通过比较可以看出2种结果相当吻合.值得特别说明的是涡面元法得到的列车底部的压力分布很正确,这是其它无黏低精度方法做不到的根据这一成功的计算,涡面元法已被应用到磁悬浮列车外形设计的多学科设计和优化程序代码中783.。,这种方法已经被证实能够预测最小阻力外形,和 RANS CFD研究结果十分接近.实际上,来自多学科的设计和优化的程序精确设计了有一个突出的较低的唇沿的车(4)从上前方向看头外形,这些都被最新的 Shinkansen系列列车所采用.就象上面讨论的那样,磁悬浮列车的车头外形的选择是开展广泛的 RANS CFD研究的主题,当然这些研究要联合风洞实验,有时甚至是全尺度实验鸭嘴或双尖点车形以及气动圆角外形都是通过这些研究得到的6.87.运行在矩形导向槽上的双尖角设计方案的计算流场由图28给出scla等849应用 RANS CFD方法得到了EMS磁悬浮列车的设计方案,后来在弗吉尼亚工学院进行了实验研究.图29给出的车头和车尾的流场计算结果和风洞中测量的结果相当吻合阿图29 Grumman磁悬浮列车尾部流场的雷诺平均NS方程CFD数值解(来自于 Sicklari等,AIAA授权)Klopfer和 Mental应用 ANS CFD技术得到了EDS磁列车的设计方案,此列车运行在U型导向浅槽上,图30给出了车体和导向槽上部和周围的流场,和平头车尾附近尾迹流中的涡流图Re-ox to,nMa=1),a)力等值线图30运行在U-型窄槽上的带有电动系统的磁悬浮列车,及流场雷诺平均NS方程CFD数值解(来自于 Klopfer和 Metha,AAA授权)参考文献1 Muhlenberg J D. Resistance of a Freight Train to ForwardMotion. FRA/ORD I, IL, III: 78-04. US Fed. Railr. 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The coverageincludes experimental techniques and results and analytical and numerical methods, concentrating on the mostrecent information availableKeywords aerodynamics, ground vehicles, Maglev trains中国煤化工CNMHG