黃志祥， 陳 立， 蔣科林

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 空氣動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 綿陽 621000)

高速列車空氣動力學(xué)問題既關(guān)系到高速列車運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性，也事關(guān)高速列車研制的自主知識產(chǎn)權(quán)。因此，該問題越來越受到廣泛的關(guān)注和重視。目前，高速列車空氣動力學(xué)問題的研究手段有模型試驗(yàn)(包括風(fēng)洞試驗(yàn)和動模型試驗(yàn))、數(shù)值計算、實(shí)車路試和理論分析。其中，模型試驗(yàn)中的風(fēng)洞試驗(yàn)既能為數(shù)值計算提供驗(yàn)證依據(jù)，也因試驗(yàn)條件易于控制，能開展更多工況的研究，可進(jìn)行精確測量而比實(shí)車路試更方便易行，因而在高速列車空氣動力學(xué)研究方面具有不可或缺的作用，成為目前最主要和常用的研究手段[1-2]。

由于風(fēng)洞試驗(yàn)通常作為數(shù)值計算和理論分析的驗(yàn)證依據(jù)，因而對其數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度的要求和試驗(yàn)結(jié)果的期望值都是很高的。然而，影響高速列車模型風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的因素很多,不同的模擬方式、試驗(yàn)條件和設(shè)備性能等都會對試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，包括高速列車模型縮比、外形結(jié)構(gòu)、支撐方式、編組方式、路基形式、地面效應(yīng)模擬方式、風(fēng)洞尺寸與結(jié)構(gòu)、流場品質(zhì)、測試設(shè)備性能、模擬方法和試驗(yàn)條件(主要是試驗(yàn)風(fēng)速和風(fēng)向角)等。目前，公開報道的國外文獻(xiàn)中，多側(cè)重于高速列車風(fēng)洞試驗(yàn)研究結(jié)果的討論[3-5]，而對高速列車風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)影響的研究很少。盡管歐盟出版了EN14067-6[6]，從側(cè)風(fēng)試驗(yàn)規(guī)范方面對高速列車模型的部分風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M方式進(jìn)行了說明，但國內(nèi)大量高速列車模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究實(shí)踐表明，上述規(guī)范不完全適用。本文針對目前國內(nèi)外通用的高速列車模型風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M方法，主要以國內(nèi)高速列車模型的風(fēng)洞試驗(yàn)平臺為基礎(chǔ)和研究對象，對有無路基、路基結(jié)構(gòu)外形、模型支座形式、風(fēng)洞洞壁和固定地板表面附面層等因素進(jìn)行分析研究，找出上述因素對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響規(guī)律，為我國高速列車模型風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度的提高和試驗(yàn)精細(xì)化水平的提升提供參考依據(jù)和建議。

在高速列車模型風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，鑒于氣動阻力是最受關(guān)注和重視的對象，本文主要針對氣動阻力的無量綱系數(shù)cd進(jìn)行分析。

1 路基對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響

高速列車風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M的路基方式包括高架結(jié)構(gòu)、平地路基和高路堤結(jié)構(gòu)。近年來，國內(nèi)模擬最多的路基方式是平地路基結(jié)構(gòu)。

1.1 有無路基對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響

平地路基在試驗(yàn)安裝過程中工作量大，既要求表面安裝平整，縱向中心線與風(fēng)洞中心線平行，且能在地板表面實(shí)現(xiàn)連續(xù)風(fēng)向角轉(zhuǎn)動，是否安裝路基將對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生重要影響。

對某型高速列車三車編組,1∶8模型分別在有路基和無路基狀態(tài)下進(jìn)行了不同風(fēng)向角試驗(yàn)，試驗(yàn)來流風(fēng)速60 m/s，湍流度0.1%，大氣壓94 350 Pa，氣溫18 ℃。圖1給出了高速列車模型各節(jié)車在有路基和無路基狀態(tài)下的氣動阻力系數(shù)cd比較。由圖1可知，在風(fēng)向角為0°時，與有路基相比，無路基狀態(tài)下，頭車、中間車、尾車和全車cd都明顯增大。在其他風(fēng)向角時，無路基狀態(tài)下的頭車、尾車和全車的cd都比有路基軌道下的cd大。由此可見，是否模擬路基是影響高速列車模型氣動阻力的一個重要因素[7]。

1.2 路基結(jié)構(gòu)外形對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響

在風(fēng)洞試驗(yàn)中，理論上路基軌道模擬的長度越長，路基前端斜坡的坡度越小，對試驗(yàn)結(jié)果的影響將越小。然而，如果模擬的路基軌道太長，路基前端的斜坡坡度很小，則路基的長度將會明顯增大，由于受到風(fēng)洞試驗(yàn)段寬度的限制，則可模擬的側(cè)風(fēng)風(fēng)速(對應(yīng)試驗(yàn)風(fēng)向角)很小，不能滿足較大側(cè)風(fēng)的模擬要求[8]。而且當(dāng)路基前后端部靠近洞壁時，高速列車模型頭尾車端部附近的流場模擬會失真，對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大影響。路基結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

對某型高速列車1∶20的一節(jié)頭車+半節(jié)中間車編組試驗(yàn)?zāi)Ｐ头謩e在路基伸出車頭不同長度和路基前端不同斜坡坡度狀態(tài)下進(jìn)行了變風(fēng)向角試驗(yàn)，試驗(yàn)來流風(fēng)速40 m/s，湍流度0.14%，大氣壓94 500 Pa，氣溫20 ℃。表1給出了路基前端伸出車頭的不同長度對頭車氣動阻力的影響結(jié)果(B表示列車模型寬度)。從表1可以看出，在路基前端伸出車頭不同的長度下，在不同風(fēng)向角下，當(dāng)路基前端伸出車頭的長度在3.6B～3.0B時，隨著路基前端伸出車頭長度的變化，頭車cd的變化很小；當(dāng)路基前端伸出車頭的長度從3B減小到1.8B，頭車cd逐漸增大；當(dāng)路基前端伸出車頭的長度進(jìn)一步減小到1.2B，頭車cd略有減小。由此可見，對于本文的高速列車試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，路基前端伸出車頭的長度不應(yīng)少于模型3倍車身寬度，則路基前端伸出車頭的長度變化對頭車cd的影響較小。

表1 路基前端伸出車頭不同長度下的cd比較

表2給出了路基前端斜坡不同坡度、不同風(fēng)向角對頭車氣動阻力的影響結(jié)果。從表2可以看出，當(dāng)路基前端斜坡坡度在10°～19°時，頭車cd隨著路基前端斜坡坡度的增大變化很?。划?dāng)路基前端斜坡的坡度增大到35°時，頭車cd略有增大；當(dāng)路基前端斜坡的坡度進(jìn)一步增大到74°時，頭車cd則明顯減小。這主要是由于路基前端斜坡坡度較大時，氣流在經(jīng)過路基前端斜坡上部棱角時出現(xiàn)分離，導(dǎo)致頭車底部部分的流場變化且被附面層淹沒，從而導(dǎo)致氣動阻力降低。由此可見，在高速列車模型風(fēng)洞試驗(yàn)中，路基前端斜坡坡度不大于35°，則路基前端斜坡坡度的變化對頭車cd的影響較小。

表2 路基前端斜坡不同坡度下的cd比較

2 模型支座形式對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響

高速列車風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕饘倏騼?nèi)部焊有天平聯(lián)接板，天平上表面通過天平連接板與車體連接，天平下表面通過支座與路基連接，見圖3(a)。國內(nèi)采用較多的天平支座形式有2種，一種是單腿“Ⅰ”型支座，另一種雙腿“Ⅱ”型支座，見圖3(b)。相較于雙腿“Ⅱ”型支座，單腿“Ⅰ”型支座結(jié)構(gòu)相對簡單，對高速列車模型底部結(jié)構(gòu)要求也相對簡單，且利于引出試驗(yàn)線路。

然而，由于高速列車模型為細(xì)長體，長細(xì)比大，天平和支座的長度相對于高速列車模型的長度較小，且天平支座的剛度有限，因此，在試驗(yàn)過程中，由于受到氣流的作用，列車模型很容易出現(xiàn)振動[9],致使試驗(yàn)數(shù)據(jù)的重復(fù)性精度(即多次重復(fù)性試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)的均方根誤差)受到明顯影響，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度也產(chǎn)生一定程度的影響。

對某型高速列車3車編組、1∶8模型分別采用單腿“Ⅰ”型支座和雙腿“Ⅱ”型支座進(jìn)行了重復(fù)性測力試驗(yàn)，試驗(yàn)來流風(fēng)速60 m/s，湍流度0.1%，大氣壓94 140 Pa，氣溫16 ℃?！阿瘛毙椭ё汀阿颉毙椭ё呒s250 mm，僅是支座中間支腿數(shù)量和尺寸不同，其中，“Ⅰ”型支座中間支腿數(shù)量為1，直徑約為80 mm，“Ⅱ”型支座中間支腿數(shù)量為2，每根支腿直徑約為50 mm。表3給出了分別采用2種形式支座獲得的測力重復(fù)性試驗(yàn)精度的比較。

表3 不同形式支座的重復(fù)性精度比較(風(fēng)向角0°)

從表3可以看出，相對于單腿支座，采用雙腿支座的高速列車模型頭車、中間車和尾車的cd重復(fù)性試驗(yàn)精度都明顯提高，均更加優(yōu)良，有效提升了試驗(yàn)精度水平。 這主要是采用不同形式天平支座的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停鞴?jié)車廂的振動幅度有差別，尤其是受不對稱尾流影響的尾車，差別更明顯。相對于單腿支座，采用雙腿支座的高速列車各節(jié)車廂的振動幅度明顯減小，試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谥貜?fù)性試驗(yàn)中狀態(tài)的一致性更好，有效提升了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。

根據(jù)上述研究結(jié)論，目前國內(nèi)大縮比(1∶8～1∶10)高速列車模型采用的天平支座形式多為4腿支座。對于1∶8模型，支座的每根支腿直徑僅有約20 mm，在高速列車模型底部暴露在氣流中的體積更少，能盡可能減少對車身底部氣流的影響。實(shí)踐證明，采用4腿支座的測力重復(fù)性試驗(yàn)精度較高，在風(fēng)向角0°時各節(jié)車廂的各氣動力精度能達(dá)到甚至優(yōu)于航空合格指標(biāo)[10]。

3 風(fēng)洞洞壁對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響

對于高速列車模型風(fēng)洞試驗(yàn)而言，風(fēng)洞(主要是指閉口試驗(yàn)段風(fēng)洞)洞壁對試驗(yàn)結(jié)果的影響主要體現(xiàn)在兩個方面，一是阻塞影響，二是軸向靜壓梯度影響。

由于高速列車模型為細(xì)長體，一般情況下，正向投影面積相對于試驗(yàn)段截面積很小。由于高速列車模型長度較長，受限于風(fēng)洞試驗(yàn)段長度，通常試驗(yàn)風(fēng)向角較小，因此阻塞度也通常不大。根據(jù)歐洲試驗(yàn)規(guī)范[6]，從偏保守的角度考慮，對于閉口試驗(yàn)段，只要在風(fēng)向角30°時的阻塞度小于15%，就不需做阻塞修正，目前在國內(nèi)的大型風(fēng)洞中開展的高速列車模型試驗(yàn)都能滿足上述要求，因此，參考上述規(guī)范，沒有考慮阻塞影響。

幾乎所有的閉口風(fēng)洞試驗(yàn)段氣流沿軸向都有靜壓變化。這是因?yàn)樵囼?yàn)段壁面上的附面層沿流向不斷增厚，使試驗(yàn)段氣流的有效截面積減小，根據(jù)流動連續(xù)性原理，氣流沿風(fēng)洞軸向的流速會越來越大，靜壓則越來越低，因而形成了沿試驗(yàn)段軸向的靜壓梯度，盡管絕大多數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)段沿軸向設(shè)計了擴(kuò)張角以補(bǔ)償附面層的影響，但由于風(fēng)洞試驗(yàn)段壁面不可調(diào)，且擴(kuò)展角是固定的，因而一般還是存在軸向靜壓梯度[11]。靜壓梯度使高速列車模型受到一個沿氣流方向的附加阻力，直接影響試驗(yàn)結(jié)果中的氣動阻力數(shù)據(jù)。如果軸向靜壓梯度小于零，則氣流產(chǎn)生一個正的附加阻力，使氣動阻力試驗(yàn)結(jié)果偏大，反之，如果軸向靜壓梯度大于零，則氣流產(chǎn)生一個負(fù)的附加阻力，使氣動阻力試驗(yàn)結(jié)果偏小。因此，必須根據(jù)高速列車模型區(qū)域的當(dāng)?shù)剌S向靜壓梯度值進(jìn)行修正處理。目前，開展高速列車模型試驗(yàn)研究的風(fēng)洞多為閉口試驗(yàn)段，其軸向靜壓梯度不可忽略，且大比例(如1∶8)高速列車模型每節(jié)車廂的長度一般較長，由此帶來的軸向靜壓梯度對各節(jié)車cd的影響非常明顯。表4～表7給出了某型高速列車1∶8模型風(fēng)洞試驗(yàn)的cd結(jié)果，試驗(yàn)來流風(fēng)速60 m/s，湍流度0.1%，大氣壓94 320 Pa，氣溫17 ℃。從表4～表7可以看出，軸向靜壓梯度對各節(jié)車cd的影響可達(dá)6%～13%，對測量結(jié)果影響非常顯著，必須進(jìn)行修正處理。

軸向靜壓梯度的影響修正一般采用下式進(jìn)行，風(fēng)向角0°下Cd的水平浮力修正為：ΔCd=L×(dCp/dx)，L取模型各節(jié)車廂長度，dCp/dx為各節(jié)車廂區(qū)域的軸向靜壓梯度。

表4 對頭車cd的影響

表5 對中間車cd的影響

表6 對尾車cd的影響

表7 對全車cd的影響

因此，對于阻塞度較小的高速列車模型風(fēng)洞試驗(yàn)，風(fēng)洞洞壁對高速列車模型風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響一般可以不考慮阻塞影響，而必須根據(jù)模型區(qū)域的軸向靜壓梯度考慮軸向靜壓梯度的影響，并作相應(yīng)的數(shù)據(jù)修正。

4 地板表面附面層對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響

高速列車風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ǔｉL度較長，目前國內(nèi)外大多數(shù)風(fēng)洞采用的是固定地板模擬地面效應(yīng)。在試驗(yàn)過程中，盡管對固定地板表面采用了諸如開槽、吹氣或吸氣等方式控制地板表面附面層，但受設(shè)備和技術(shù)等因素的影響，附面層依然難以完全消除，只是使附面層厚度降低，使之對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響較小[12]。

目前，國內(nèi)高速列車模型風(fēng)洞試驗(yàn)采用固定地板，其中應(yīng)用最多的是中國空氣動力研究與發(fā)展中心低速所8 m×6 m風(fēng)洞的列車試驗(yàn)專用地板。地板裝置由4塊地板拼接而成，總共長約16 m、寬 8 m，地板前后緣為流線型，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)，從而降低地板表面附面層厚度。在2012年3月以前，8 m×6 m風(fēng)洞采用的是舊列車試驗(yàn)地板，2012年3月之后，采用了新研制的列車試驗(yàn)地板。根據(jù)流場測量試驗(yàn)結(jié)果，新舊地板表面附面層厚度存在差異，新地板在高速列車模型區(qū)域的表面附面層厚度比舊地板平均少約12～15 mm。

對某型高速列車1:8模型分別采用舊、新地板進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)來流風(fēng)速60 m/s，湍流度0.1%，大氣壓94 340 Pa，氣溫18 ℃，并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析。從試驗(yàn)結(jié)果中對cd的對比和分析看，扣除其他因素的影響，采用新地板獲得的全車cd約為0.373 2，舊地板全車cd約為0.366 1，新地板全車cd比舊地板全車cd大約2%。由此可見，地板表面附面層厚度不同對試驗(yàn)結(jié)果將會產(chǎn)生影響，即地板表面附面層厚度偏大，則導(dǎo)致氣動阻力的試驗(yàn)結(jié)果偏小。這是因?yàn)閷τ诠潭ㄔ诘匕灞砻娴母咚倭熊嚹Ｐ?，?dāng)?shù)匕灞砻娓矫鎸雍穸容^大時，高速列車模型從頭至尾將有一部分“淹沒”在地板表面附面層內(nèi)，附面層越厚，車身“淹沒”在地板表面附面層內(nèi)的部分越多。而地板表面附面層內(nèi)氣流流速比附面層外小，導(dǎo)致車身“淹沒”部分受到的氣動阻力也偏小，則試驗(yàn)獲得的氣動阻力也偏小。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)論[13]，當(dāng)附面層位移厚度在10 mm以內(nèi)，氣動阻力系數(shù)與附面層位移厚度之間基本呈線性遞減的關(guān)系，即ΔCd=Kδ*，其中ΔCd為氣動阻力系數(shù)的修正量，δ*為附面層位移厚度，K為常數(shù)。對于國內(nèi)大多數(shù)采用固定地板開展的高速列車模型風(fēng)洞試驗(yàn)，需要根據(jù)地板表面附面層分布和發(fā)展情況研究合適的修正比例常數(shù)K，從而獲得比較準(zhǔn)確的附面層影響修正結(jié)果。

5 結(jié)論

本文以國內(nèi)高速列車模型風(fēng)洞試驗(yàn)平臺為基礎(chǔ)，對國內(nèi)開展的高速列車模型風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，分析有無路基、路基結(jié)構(gòu)外形、模型支座形式、風(fēng)洞洞壁和固定地板表面附面層等因素對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響規(guī)律，得出如下結(jié)論：

(1) 與有路基相比，在無路基狀態(tài)下，頭車、中間車、尾車和全車的cd都明顯增大；

(2) 路基前端伸出車頭的長度不應(yīng)少于3倍車身寬度，路基前端斜坡坡度不應(yīng)大于35°，則路基前端伸出車頭長度和前端斜坡坡度的變化對頭車cd的影響較小；

(3) 采用雙腿或多腿支座的高速列車模型頭車、中間車和尾車各氣動力的重復(fù)性試驗(yàn)精度均明顯優(yōu)于采用單腿支座的重復(fù)性試驗(yàn)精度；

(4) 風(fēng)洞洞壁對高速列車模型風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響一般可以不考慮阻塞影響，而應(yīng)該根據(jù)模型區(qū)域的軸向靜壓梯度考慮軸向靜壓梯度的影響，并作相應(yīng)的數(shù)據(jù)修正；

(5) 固定地板表面附面層厚度偏大，將導(dǎo)致氣動阻力的試驗(yàn)結(jié)果偏小。

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