黃志祥,陳 立,蔣科林
(中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 空氣動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 綿陽 621000)
高速列車模型編組長(zhǎng)度和風(fēng)擋結(jié)構(gòu)對(duì)氣動(dòng)阻力的影響
黃志祥,陳 立,蔣科林
(中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 空氣動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 綿陽 621000)
采用風(fēng)洞試驗(yàn)的方法,分別對(duì)高速列車試驗(yàn)?zāi)P?~6車編組狀態(tài)下的各節(jié)車廂氣動(dòng)阻力的分布規(guī)律,以及2種不同結(jié)構(gòu)外形的風(fēng)擋對(duì)3車編組列車模型各節(jié)車廂氣動(dòng)阻力的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:當(dāng)編組長(zhǎng)度大于3車,頭車、尾車的阻力系數(shù)隨編組長(zhǎng)度的增加變化較小,中間車的阻力系數(shù)約為0.1。1節(jié)頭車+N節(jié)中間車+1節(jié)尾車的全車氣動(dòng)阻力系數(shù),可用3車編組模型試驗(yàn)的頭車阻力系數(shù)+0.1×N+尾車阻力系數(shù)之和進(jìn)行估算。高速列車風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)P头謩e采用風(fēng)擋1和風(fēng)擋2兩種風(fēng)擋,只是使得氣動(dòng)阻力在各節(jié)車廂之間形成不同的分配,對(duì)由各節(jié)車廂相加形成的全車氣動(dòng)阻力的試驗(yàn)結(jié)果影響很小。
高速列車;編組;風(fēng)擋;氣動(dòng)阻力;風(fēng)洞試驗(yàn)
隨著高速列車運(yùn)行速度的提高,運(yùn)行阻力越來越大,且運(yùn)行速度越高,氣動(dòng)阻力在總運(yùn)行阻力中的比重越來越高[1-2]。因此,研究氣動(dòng)阻力及減阻措施對(duì)于高速列車的節(jié)能降耗具有非常重要的意義。目前,研究高速列車氣動(dòng)阻力的手段主要有風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算和實(shí)車路試。其中,風(fēng)洞試驗(yàn)是數(shù)值計(jì)算最常見的驗(yàn)證依據(jù)提供者,也因?yàn)橐子诳刂?、可?shí)現(xiàn)更多工況的研究而比實(shí)車路試更為方便和有效,因此,風(fēng)洞試驗(yàn)是目前高速列車氣動(dòng)阻力最常用和有效的研究手段[3-4]。
在包括氣動(dòng)阻力在內(nèi)的高速列車空氣動(dòng)力學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)研究中,由于風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M的特殊性,在實(shí)際研究過程中氣動(dòng)阻力存在著受到模擬方式影響的問題。一是由于受到風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸尤其是長(zhǎng)度的限制,通常采用短編組(國內(nèi)通常采用3車編組)進(jìn)行高速列車氣動(dòng)阻力的模擬,而實(shí)際高速列車通常是6車、8車或16車編組。研究表明,氣動(dòng)阻力與編組情況密切相關(guān),因此,如何將短編組的氣動(dòng)阻力結(jié)果推廣到長(zhǎng)編組的氣動(dòng)阻力是一個(gè)非常現(xiàn)實(shí)的問題[5-6]。二是研究人員通常需要分別獲得高速列車各節(jié)車廂(頭車、中間車和尾車)氣動(dòng)阻力的分布,為此,在實(shí)際模擬過程中,試驗(yàn)?zāi)P偷母鞴?jié)車廂是相互獨(dú)立的單元,彼此分開,以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)獨(dú)立單元?dú)鈩?dòng)阻力的單獨(dú)測(cè)量,由此就帶來了各獨(dú)立單元之間風(fēng)擋結(jié)構(gòu)的模擬問題。風(fēng)擋結(jié)構(gòu)外形不同,對(duì)各獨(dú)立單元的氣動(dòng)阻力的大小以及氣動(dòng)阻力在各節(jié)車廂之間的分配具有非常明顯的影響,因此,如何對(duì)高速列車風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)P透鞴?jié)車廂之間的風(fēng)擋結(jié)構(gòu)和外形進(jìn)行合理模擬,是高速列車氣動(dòng)阻力風(fēng)洞試驗(yàn)研究中另一個(gè)非常重要和現(xiàn)實(shí)的問題。
采用風(fēng)洞試驗(yàn)的方法,研究不同編組長(zhǎng)度和風(fēng)擋結(jié)構(gòu)對(duì)高速列車氣動(dòng)阻力的影響規(guī)律,為高速列車氣動(dòng)阻力的風(fēng)洞試驗(yàn)研究中面臨的上述問題提供適用、有效的工程方法。
試驗(yàn)研究在中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心8m×6m/12m×16m風(fēng)洞第二試驗(yàn)段進(jìn)行。風(fēng)洞試驗(yàn)段寬8m,高6m,長(zhǎng)15m,如圖1所示。試驗(yàn)段安裝了列車試驗(yàn)專用地板裝置。列車試驗(yàn)地板裝置由5塊板拼接而成,地板上表面距風(fēng)洞下洞壁1.06m,地板中間為直徑7m、可旋轉(zhuǎn)360°的轉(zhuǎn)盤,地板采用被動(dòng)式邊界層吸除方式,可有效降低地板邊界層厚度。安裝列車試驗(yàn)地板后,試驗(yàn)段變?yōu)殚L(zhǎng)16.1m、寬8m、高4.94m、有效截面積39.2m2。
圖1 8m×6m/12m×16m風(fēng)洞結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of 12m×16m/8m×6mwind tunnel
高速列車試驗(yàn)?zāi)P捅壤謩e為1∶8和1∶15,頭車和尾車流線型長(zhǎng)度換算為實(shí)車約為12m,全車參考面積換算為實(shí)車約為9.5m2。1∶8模型為3車編組:頭車、1節(jié)中間車和尾車,模型總長(zhǎng)度約9.7m。1∶15模型分別為2車編組(頭車+尾車)、3車編組(頭車+1節(jié)中間車+尾車)、4車編組(頭車+2節(jié)中間車+尾車)、5車編組(頭車+3節(jié)中間車+尾車)、6車編組(頭車+4節(jié)中間車+尾車)。列車中間車無受電弓,3車以上編組的中間車是相同的,列車頭、尾外形完全相同。不同編組列車模型和各節(jié)車廂名稱標(biāo)示如圖2。1∶15和1∶8列車模型各節(jié)車廂之間分別約有3和5mm的間隙,保證相互獨(dú)立,以實(shí)現(xiàn)各節(jié)車廂的單獨(dú)測(cè)力。
圖2 不同長(zhǎng)度編組列車模型示意圖Fig.2 Different length of train formation of train models
列車模型通過連接件支撐在平地路基和軌道上,轉(zhuǎn)向架車輪下表面高度與軌道上表面高度相同,且列車模型與路基、軌道不接觸。路基中間部位固定在試驗(yàn)段轉(zhuǎn)盤之上,兩端安裝有滑輪,整個(gè)列車模型和路基軌道可以隨轉(zhuǎn)盤同步轉(zhuǎn)動(dòng)。平地路基和軌道模型長(zhǎng)約14m,前后端伸出列車頭車、尾車的長(zhǎng)度不小于2m。
為了研究高速列車模型在不同編組長(zhǎng)度狀態(tài)下各節(jié)車廂的氣動(dòng)阻力分布規(guī)律,對(duì)于1:15模型,分別進(jìn)行2車編組、3車編組、4車編組、5車編組和6車編組在試驗(yàn)側(cè)偏角為0°(無側(cè)風(fēng))、試驗(yàn)風(fēng)速30~65m/s的條件下各節(jié)車廂的氣動(dòng)阻力測(cè)量試驗(yàn)。為了研究不同風(fēng)擋結(jié)構(gòu)對(duì)列車模型氣動(dòng)阻力的影響,對(duì)1∶8模型在3車編組狀態(tài)下分別采用了兩種風(fēng)擋結(jié)構(gòu),在試驗(yàn)風(fēng)速為60m/s、試驗(yàn)側(cè)偏角0°~30°的條件下進(jìn)行各節(jié)車廂氣動(dòng)阻力的測(cè)量試驗(yàn)。在風(fēng)擋1的外形結(jié)構(gòu)中,其高度約為314mm,一半厚度約為28mm,且相鄰兩節(jié)車廂外風(fēng)擋表面形成對(duì)稱的內(nèi)凹,收縮角約為22.5°;在風(fēng)擋2的外形結(jié)構(gòu)中,除了采用嵌套結(jié)構(gòu)外,相鄰兩節(jié)車廂外風(fēng)擋表面是平直過渡的。兩種風(fēng)擋結(jié)構(gòu)如圖3和4所示。
圖3 風(fēng)擋結(jié)構(gòu)1Fig.3 Vestibule diaphragm structure 1
圖4 風(fēng)擋結(jié)構(gòu)2Fig.4 Vestibule diaphragm structure 2
試驗(yàn)采用多天平分別對(duì)高速列車模型各節(jié)車廂同時(shí)測(cè)量氣動(dòng)力的方案,測(cè)量氣動(dòng)力的盒式六分量應(yīng)變天平位于模型各節(jié)車廂空腔內(nèi),如圖5所示。列車模型各節(jié)車廂分別單獨(dú)測(cè)量氣動(dòng)力。
圖5 試驗(yàn)?zāi)P蛢?nèi)部安裝的天平Fig.5 The balance installed in testing model
高速列車模型全車的氣動(dòng)阻力為各節(jié)車廂氣動(dòng)阻力之和。例如,3車編組全車氣動(dòng)阻力=頭車氣動(dòng)阻力+中間車氣動(dòng)阻力+尾車氣動(dòng)阻力。
圖6和表1分別給出了1∶15模型的2~6車編組狀態(tài)下列車模型各節(jié)車廂氣動(dòng)阻力系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果的比較。
從圖6和表1的試驗(yàn)結(jié)果可以看出,不同編組長(zhǎng)度列車模型各節(jié)車廂的阻力系數(shù)基本是隨著風(fēng)速的增加略有變化,且試驗(yàn)風(fēng)速大于40m/s后,氣動(dòng)阻力系數(shù)隨試驗(yàn)風(fēng)速的增加變化很小,基本趨于穩(wěn)定。
圖6 不同編組列車的各節(jié)車廂氣動(dòng)阻力結(jié)果比較Fig.6 Comparison of aerodynamic drag results of each car of different train formation
在2~6車編組狀態(tài)下,在相同的試驗(yàn)風(fēng)速時(shí),不同編組長(zhǎng)度列車的頭車阻力系數(shù)約為0.11左右,不同編組狀態(tài)下頭車的阻力系數(shù)差異很小。當(dāng)編組長(zhǎng)度為3車及以上時(shí),第1節(jié)中間車的阻力系數(shù)約為0.08左右,其中3車編組的第1節(jié)中間車(僅有1節(jié)中間車)阻力系數(shù)略大于0.08,比其它編組的第1節(jié)中間車阻力系數(shù)略大,但4~6車編組的第1節(jié)中間車的阻力系數(shù)差異較小,且略小于0.08。這可能是因?yàn)?車編組的第1節(jié)中間車后緊鄰尾車,受尾流影響比4~6車編組的第1節(jié)中間車(其后緊鄰等截面中間車)大,因此阻力系數(shù)偏大。當(dāng)編組長(zhǎng)度為4~6車時(shí),第2節(jié)中間車的阻力系數(shù)約為0.10,且隨編組長(zhǎng)度的增加變化很小。當(dāng)編組長(zhǎng)度為5~6車時(shí),第3節(jié)中間車的阻力系數(shù)約為0.10,同樣隨編組長(zhǎng)度的增加變化很小。當(dāng)6車編組時(shí),第4節(jié)中間車的阻力系數(shù)約為0.10,與第3節(jié)中間車的阻力系數(shù)基本接近。在2~6車編組狀態(tài)下,2車編組的尾車阻力系數(shù)約為0.17,3~6車編組的尾車阻力系數(shù)約為0.18,即2車編組的尾車阻力系數(shù)稍小于3車及以上編組的尾車阻力系數(shù)。
表1 不同編組列車的各節(jié)車廂氣動(dòng)阻力結(jié)果比較Table 1 Comparison of aerodynamic drag results of each car of different train formation
由此可見,當(dāng)風(fēng)速條件相同,在不同長(zhǎng)度的編組狀態(tài)下,頭車的氣動(dòng)阻力基本變化很小,即不同長(zhǎng)度的編組對(duì)頭車阻力影響很小。當(dāng)編組長(zhǎng)度大于3車,第1節(jié)中間車的阻力系數(shù)比其它中間車的阻力系數(shù)略小,第1節(jié)中間車之后的其它中間車阻力系數(shù)差異較小。3車及以上編組狀態(tài)下的尾車阻力系數(shù)略大于2車編組的尾車阻力系數(shù),而且,當(dāng)編組長(zhǎng)度不少于3車(即中間車不少于1節(jié)),則尾車阻力系數(shù)隨編組長(zhǎng)度的增加略有變化,但變化很小。因此,根據(jù)上述編組長(zhǎng)度對(duì)阻力試驗(yàn)結(jié)果的影響規(guī)律可以推測(cè),在沒有受電弓的狀態(tài)下,1節(jié)頭車+N節(jié)中間車+1節(jié)尾車的全車氣動(dòng)阻力系數(shù)可以用3車編組試驗(yàn)的頭車阻力系數(shù)+0.1×N+3車編組試驗(yàn)的尾車阻力系數(shù)進(jìn)行估算。從而用工程方法初步解決了短編組風(fēng)洞試驗(yàn)的氣動(dòng)阻力結(jié)果推廣到長(zhǎng)編組全車氣動(dòng)阻力的問題。
表2給出了1∶8模型在不同風(fēng)擋結(jié)構(gòu)狀態(tài)下試驗(yàn)風(fēng)速為60m/s的各節(jié)車廂氣動(dòng)阻力系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果的比較。
從表2的數(shù)據(jù)比較可以看出,在0°側(cè)偏角(無側(cè)風(fēng))下,安裝風(fēng)擋1的頭車、中間車、尾車和全車的阻力系數(shù)分別約為0.09、0.075、0.21和0.38,安裝風(fēng)擋2的頭車、中間車、尾車和全車的阻力系數(shù)分別約為0.12、0.076、0.18和0.38。即風(fēng)擋1狀態(tài)的頭車阻力系數(shù)比風(fēng)擋2的小,中間車阻力系數(shù)與風(fēng)擋2的接近,尾車阻力系數(shù)比風(fēng)擋2的大,全車阻力系數(shù)與風(fēng)擋2的接近。這是因?yàn)椴捎蔑L(fēng)擋1之后,相鄰兩節(jié)車廂外風(fēng)擋表面形成對(duì)稱的內(nèi)凹外形,氣流從前向后流動(dòng)至此后受到內(nèi)凹風(fēng)擋向下的誘導(dǎo),進(jìn)入兩節(jié)車廂(頭車與中間車、中間車與尾車)風(fēng)擋處的縫隙空腔內(nèi),在空腔內(nèi)形成一個(gè)類似彈簧產(chǎn)生的作用力,分別作用在形成空腔的前后兩節(jié)車廂上,使前車廂阻力減小,后車廂阻力增大,即頭車阻力減小,尾車阻力增大,中間車因?yàn)榍昂蠓謩e受到一個(gè)向后和向前的作用力,互相抵消,因而阻力變化很小。
表2 不同風(fēng)擋結(jié)構(gòu)的列車各節(jié)車廂氣動(dòng)阻力結(jié)果比較Table 2 Comparison of aerodynamic drag results of each car of different structure of vestibule diaphragm
當(dāng)側(cè)偏角不為0°時(shí),在相同的試驗(yàn)側(cè)偏角下,同0°側(cè)偏角類似,風(fēng)擋1的頭車阻力系數(shù)比風(fēng)擋2的小,中間車阻力系數(shù)與風(fēng)擋2的差異較小,尾車阻力系數(shù)比風(fēng)擋2的大,全車阻力系數(shù)與風(fēng)擋2的接近。
由此可見,高速列車風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)P筒捎蒙鲜鰞煞N風(fēng)擋結(jié)構(gòu),只是使得氣動(dòng)阻力在各節(jié)車廂之間形成不同的分配,對(duì)由各節(jié)車廂相加形成的全車氣動(dòng)阻力的試驗(yàn)結(jié)果影響很小。但是,從氣動(dòng)阻力在各節(jié)車廂的分配合理性上來說,風(fēng)洞試驗(yàn)中的模型建議還是采用風(fēng)擋2結(jié)構(gòu)。主要原因有兩點(diǎn):一是風(fēng)擋1對(duì)車身表面流經(jīng)風(fēng)擋處的氣流進(jìn)行導(dǎo)流而形成干擾,從而放大了各節(jié)車廂風(fēng)擋間隙的影響。盡管風(fēng)擋1向內(nèi)收縮的外形結(jié)構(gòu)在一定程度上與高速列車實(shí)車近似,然而,高速列車實(shí)車相鄰兩節(jié)車廂的(外)風(fēng)擋是緊密連在一起的,之間并沒有縫隙。而高速列車試驗(yàn)?zāi)P蜑榱藢?shí)現(xiàn)對(duì)各節(jié)車廂氣動(dòng)力的獨(dú)立測(cè)量,在風(fēng)洞試驗(yàn)研究過程中,必須保證各節(jié)車廂之間相互獨(dú)立,互不干涉,于是人為地將各節(jié)車廂分離開,使得相鄰兩節(jié)車廂風(fēng)擋處保持一定距離的間隙(1∶8模型的間隙約為5mm),這是高速列車多編組模型風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)壳盁o法避免的一個(gè)固有問題;二是風(fēng)擋1使得頭車與中間車的阻力系數(shù)更接近而不太合理,因?yàn)閺母咚倭熊嚫鞴?jié)車廂實(shí)際氣動(dòng)力的形成和分配來看,頭車的氣動(dòng)阻力主要由壓差阻力和摩擦阻力構(gòu)成,中間車的氣動(dòng)阻力主要由摩擦阻力構(gòu)成,頭車氣動(dòng)阻力明顯比中間車氣動(dòng)阻力大才更合理[7]。而采用風(fēng)擋2結(jié)構(gòu),尾車的氣動(dòng)阻力最大,中間車的氣動(dòng)阻力最小,頭車的氣動(dòng)阻力明顯比中間車的大,這種氣動(dòng)阻力分配規(guī)律得到了大量高速列車模型表面壓力測(cè)量的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證。
通過風(fēng)洞試驗(yàn)的方法,研究了不同編組長(zhǎng)度和風(fēng)擋結(jié)構(gòu)對(duì)高速列車氣動(dòng)阻力的影響規(guī)律,得到了以下結(jié)論:
(1)對(duì)于不同編組長(zhǎng)度的高速列車模型,不同編組長(zhǎng)度對(duì)頭車阻力的影響很?。划?dāng)編組長(zhǎng)度大于3車,第1節(jié)中間車的阻力系數(shù)比其它中間車的阻力系數(shù)略小,且其它中間車阻力系數(shù)差異較?。?車編組的尾車阻力系數(shù)稍小于3車及以上編組的尾車阻力系數(shù),3車及以上長(zhǎng)度編組的尾車氣動(dòng)阻力隨編組長(zhǎng)度的增加變化很小。
(2)1節(jié)頭車+N節(jié)中間車+1節(jié)尾車的全車氣動(dòng)阻力系數(shù),可用3車編組模型試驗(yàn)的頭車阻力系數(shù)+0.1×N+尾車阻力系數(shù)進(jìn)行估算。
(3)在相同的試驗(yàn)側(cè)偏角下,風(fēng)擋1狀態(tài)下的頭車阻力系數(shù)比風(fēng)擋2狀態(tài)下的小,中間車阻力系數(shù)與風(fēng)擋2狀態(tài)下的差異較小,尾車阻力系數(shù)比風(fēng)擋2狀態(tài)下的大,全車阻力系數(shù)與風(fēng)擋2狀態(tài)下的接近。
(4)高速列車風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)P头謩e采用風(fēng)擋1和風(fēng)擋2兩種風(fēng)擋,只是使得氣動(dòng)阻力在各節(jié)車廂之間形成不同的分配,對(duì)由各節(jié)車廂相加形成的全車氣動(dòng)阻力的試驗(yàn)結(jié)果影響很小。從高速列車各節(jié)車廂氣動(dòng)力分配合理性的角度出發(fā),風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)P徒ㄗh采用風(fēng)擋2結(jié)構(gòu)。
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黃志祥(1980-),男,湖北黃陂人,助理研究員。研究方向:車輛空氣動(dòng)力學(xué)。通訊地址:四川省綿陽市中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 (621000),E-mail:xjtu331hzx@163.com
Influence of length of train formation and vestibule diaphragm structure on aerodynamic drag of high speed train model
HUANG Zhi-xiang,CHEN Li,JIANG Ke-lin
(State Key Laboratory of Aerodynamics,China Aerodynamics Research and Development Center,Mianyang Sichuan 621000,China)
The wind tunnel test is carried out to study the distribution regularity of aerodynamic drag of each car of the high speed train models from 2-car to 6-car formation,and the affect of 2types of vestibule diaphragm structure on aerodynamic drag on each car of the train model under 3-car formation.The results indicate:while the train formation is more than 3,the changes of drag coefficients of head car and tail car are little with increase of the number of train formation,and the drag coefficients of middle cars are about 0.1.The drag coefficient of entire train under the formation of 1head car plus N middle cars plus 1tail car could be estimated by sum of 1head car plus 0.1×N plus 1tail car drag coefficient results of 3-car formation.The different distributions of aerodynamic drag among each car of the high speed train model are caused by two different types of vestibule diaphragm 1and 2,but the affect of vestibule diaphragm structure on aerodynamic drag of the entire train is small.
high speed train;train formation;vestibule diaphragm;aerodynamic drag;wind tunnel test
V211.74
A
1672-9897(2012)05-0036-06
2011-09-20;
2012-02-20