楊永剛，杜云超，梅元貴

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單列高速列車(chē)通過(guò)隧道空氣阻力特性數(shù)值模擬研究

楊永剛，杜云超，梅元貴

(蘭州交通大學(xué) 甘肅省軌道交通力學(xué)應(yīng)用工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

針對(duì)高速列車(chē)空氣阻力直接影響列車(chē)最高運(yùn)行速度，采用真實(shí)外形的8編組國(guó)內(nèi)某型動(dòng)車(chē)組，建立單車(chē)通過(guò)隧道的數(shù)值計(jì)算模型，并對(duì)隧道空氣阻力的形成機(jī)理及其隨時(shí)間的變化特性、列車(chē)表面壓力與阻力兩者變化間的關(guān)系、列車(chē)各部件阻力的分布特性進(jìn)行分析；對(duì)比隧道通過(guò)時(shí)整車(chē)阻力的最大值、最小值和明線整車(chē)的阻力值。研究結(jié)果表明：列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)，隧道內(nèi)壓縮波和膨脹波對(duì)列車(chē)阻力有直接影響，列車(chē)空氣阻力呈現(xiàn)準(zhǔn)周期性波動(dòng)，其中壓差阻力的波動(dòng)幅度比摩擦阻力的波動(dòng)幅度大；壓差阻力和摩擦阻力所占的比例隨時(shí)間而變化；列車(chē)空氣阻力的最大值和最小值分別為明線的1.96倍和0.89倍。列車(chē)明線穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，壓差阻力和摩擦阻力分別占列車(chē)空氣阻力的61.7和38.3%。列車(chē)通過(guò)隧道過(guò)程中，列車(chē)各部件阻力分布特性隨時(shí)間而變化。

高速列車(chē)；隧道空氣阻力；形成機(jī)理；分布特性

近年來(lái)，隨著高速列車(chē)速度的快速提高，列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題成為高速列車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題，其對(duì)高速列車(chē)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、安全性、舒適性和周?chē)h(huán)境有著重要影響。高速列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)，空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題更為嚴(yán)重，高速列車(chē)空氣阻力直接影響列車(chē)的最高運(yùn)行速度。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法對(duì)高速列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了大量研究[1?11]，對(duì)高速列車(chē)隧道空氣阻力的研究相對(duì)較少。Nakade等[12?13]采用三維數(shù)值模擬方法將列車(chē)明線穩(wěn)定運(yùn)行和隧道單車(chē)通過(guò)時(shí)氣動(dòng)力的波動(dòng)幅度進(jìn)行了對(duì)比，說(shuō)明列車(chē)氣動(dòng)力波動(dòng)的原因，展示了氣動(dòng)力沿列車(chē)長(zhǎng)度方向的波動(dòng)規(guī)律，以及列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)，空氣阻力的變化特性。Takanobu等[14?15]采用三維數(shù)值模擬方法研究了高速列車(chē)隧道內(nèi)會(huì)車(chē)時(shí)空氣阻力隨時(shí)間的變化特性，車(chē)速和阻塞比對(duì)空氣阻力最大值的影響。王偉等[16]建立了隧道內(nèi)空氣阻力的計(jì)算公式，討論了不同隧道斷面的阻力系數(shù)。LI等[17?18]介紹了運(yùn)用動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)測(cè)試列車(chē)在明線運(yùn)行和隧道通過(guò)時(shí)的空氣阻力。趙有明等[19]介紹了一種隧道內(nèi)非恒定流空氣附加阻力實(shí)車(chē)試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)。Peters等[20]研究了ICE/V列車(chē)隧道因子隨列車(chē)長(zhǎng)度和隧道長(zhǎng)度的變化情況但是上述研究對(duì)列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)空氣阻力的形成機(jī)理、隨時(shí)間的變化特性、分布特性沒(méi)有進(jìn)行詳細(xì)研究。本文采用8編組國(guó)內(nèi)某型動(dòng)車(chē)組，研究單車(chē)通過(guò)隧道時(shí)，空氣阻力的形成機(jī)理及其隨時(shí)間的變化特性，隧道內(nèi)壓縮波和膨脹波對(duì)壓差阻力、摩擦阻力影響；列車(chē)表面壓力變化對(duì)列車(chē)空氣阻力的影響，車(chē)體各個(gè)部件的阻力分布特性。列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)空氣阻力的最大值、最小值以及明線運(yùn)行時(shí)的阻力值進(jìn)行對(duì)比研究。

1 計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分

1.1 計(jì)算模型

列車(chē)采用8編組國(guó)內(nèi)某型動(dòng)車(chē)組，列車(chē)外形及幾何尺寸如圖1所示。

(a) 正視圖；(b) 受電弓

取軌面到車(chē)頂平面高度4.05 m為基準(zhǔn)尺寸，記為，車(chē)體總長(zhǎng)為51.6。隧道采用《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10621—2009)時(shí)速300 km/h和350 km/h雙線隧道，隧道凈空面積100 m2，線間距5.0 m。忽略隧道線路沿列車(chē)運(yùn)行方向的坡度，隧道內(nèi)的線路為直線，并且忽略隧道內(nèi)的軌道、豎井等結(jié)構(gòu)，隧道長(zhǎng)度取800 m。

1.2 計(jì)算區(qū)域

計(jì)算區(qū)域如圖2所示，隧道長(zhǎng)度記為L。圖中為隧道內(nèi)輪廓直徑，=13.3 m。

(a) 側(cè)視圖；(b) 俯視圖

1.3 網(wǎng)格劃分

(a) 網(wǎng)格整體分布；(b) 尾流區(qū)網(wǎng)格；(c) 隧道口網(wǎng)格；(d) 轉(zhuǎn)向架表面網(wǎng)格；(e) 列車(chē)頭部(尾部)網(wǎng)格

1.4 計(jì)算方法

列車(chē)過(guò)隧道時(shí)，隧道內(nèi)的空氣流動(dòng)十分復(fù)雜，空氣流動(dòng)受到隧道壁面的限制而被壓縮，流場(chǎng)處于湍流狀態(tài)，計(jì)算采用三維、非定常、可壓縮N-S方程，湍流模型為SST?模型，應(yīng)用重疊網(wǎng)格技術(shù)對(duì)高速列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)的空氣阻力進(jìn)行數(shù)值模擬研究。根據(jù)重疊網(wǎng)格和非定常計(jì)算對(duì)時(shí)間間隔的要求，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取0.001 s，為保證每步計(jì)算達(dá)到收斂，內(nèi)迭代次數(shù)為20。

對(duì)于單車(chē)過(guò)隧道情形，列車(chē)表面和隧道表面、隧道口的垂直邊界、路基表面為無(wú)滑移固體壁面，其切向速度都設(shè)定為0。開(kāi)闊空間的其他邊界均采用自由流邊界，用于模擬無(wú)窮遠(yuǎn)處的可壓縮流動(dòng)。

計(jì)算參數(shù)：列車(chē)運(yùn)行速度350 km/h，遠(yuǎn)場(chǎng)壓力取1 013 025 Pa，參考溫度取283 K。

1.5 氣動(dòng)力系數(shù)定義

阻力系數(shù)和壓力系數(shù)定義如下：

阻力系數(shù)：

壓力系數(shù)：

式中：為空氣密度，1.225 kg/m3；為來(lái)流速度、列車(chē)運(yùn)行速度；為參考面積，取列車(chē)方向的橫截面積11.93 m2；F為空氣阻力。

根據(jù)CEN標(biāo)準(zhǔn)[21]，隧道因子的定義如下：

2 方法驗(yàn)證

文中分別采用高速列車(chē)風(fēng)洞試驗(yàn)的阻力和實(shí)車(chē)通過(guò)隧道壓力波的結(jié)果驗(yàn)證本文所采用的數(shù)值模擬方法的合理性和準(zhǔn)確性。

2.1 風(fēng)洞驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所采用網(wǎng)格劃分的可靠性。本文通過(guò)與CRH380A縮尺風(fēng)洞測(cè)試結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。風(fēng)洞試驗(yàn)中來(lái)流風(fēng)速為60 m/s，側(cè)偏角為0。風(fēng)洞試驗(yàn)采用的模型為1:8縮尺模型，帶有轉(zhuǎn)向架、路堤、鋼軌、支柱及風(fēng)擋，實(shí)際風(fēng)洞的截面尺寸為8 m×6 m。本文所使用計(jì)算域截面尺寸與風(fēng)洞相同，并在流向方向進(jìn)行延長(zhǎng)以降低尾流對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

表1 列車(chē)阻力系數(shù)值

數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表1可知：空氣阻力的誤差最大值為10.7%。

2.2 重疊網(wǎng)格方法驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所采用的計(jì)算方法的合理性。本文通過(guò)與京滬線鳳凰臺(tái)隧道實(shí)車(chē)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)車(chē)試驗(yàn)中，列車(chē)采用8編組，列車(chē)速度300 km/h，隧道長(zhǎng)1 168 m。實(shí)車(chē)試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算的壓力時(shí)間歷程曲線如圖4所示。由圖4可知：數(shù)值模擬計(jì)算所得測(cè)點(diǎn)的壓力與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的壓力變化規(guī)律基本一致，最大誤差為6.5%。

圖4 隧道內(nèi)200 m處測(cè)點(diǎn)的壓力波對(duì)比

綜合風(fēng)洞試驗(yàn)和實(shí)車(chē)試驗(yàn)可知：本文所采用的計(jì)算方法和網(wǎng)格劃分方法可用于求解列車(chē)過(guò)隧道的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 列車(chē)空氣阻力形成機(jī)理

圖5表示列車(chē)通過(guò)隧道的壓力、阻力時(shí)間歷程曲線。圖5(a)表示列車(chē)運(yùn)行軌跡、壓縮波和膨脹波的傳播軌跡。其中：“”表示壓縮波，“”表示膨脹波。圖5(d)中藍(lán)色曲線為阻力系數(shù)，紅色直線為隧道內(nèi)列車(chē)阻力系數(shù)的平均值。0時(shí)刻車(chē)頭端到達(dá)隧道端口。

(a) 傳播軌跡；(b) 頭車(chē)鼻尖測(cè)點(diǎn)壓力；(c) 尾車(chē)鼻尖測(cè)點(diǎn)壓力；(d) 阻力系數(shù)

由圖5可知：車(chē)頭駛?cè)胨淼狼?，列?chē)表面的壓力和列車(chē)阻力都處于穩(wěn)定狀態(tài)。0時(shí)刻，車(chē)頭到達(dá)隧道口，產(chǎn)生初始?jí)嚎s波N1并向隧道出口方向傳播。由于隧道壁對(duì)空氣流動(dòng)的限制作用，車(chē)頭前方的空氣受到壓縮，車(chē)頭鼻尖的壓力快速升高，由于車(chē)尾在明線運(yùn)行，故尾車(chē)鼻尖壓力依舊處于穩(wěn)定狀態(tài)，頭尾車(chē)的壓差增大，列車(chē)阻力突然增大。隨著列車(chē)?yán)^續(xù)駛?cè)胨淼?，?chē)頭鼻尖壓力線性增大，阻力也平穩(wěn)上升。=2.15 s時(shí)，車(chē)尾到達(dá)隧道口，產(chǎn)生初始膨脹波T1并向隧道出口方向傳播。車(chē)尾的壓力突然減小，頭尾車(chē)的壓差再次增大，列車(chē)的阻力再次急劇增大。車(chē)尾駛?cè)胨淼酪欢尉嚯x后，列車(chē)阻力達(dá)到最大值。由于車(chē)尾駛?cè)胨淼廊肟跁r(shí)產(chǎn)生的膨脹波強(qiáng)度最大，導(dǎo)致車(chē)尾負(fù)壓值最大，而車(chē)頭正壓仍保持較大值，因此，在此位置列車(chē)阻力最大。

=2.15~8.23 s時(shí)，高速列車(chē)在隧道內(nèi)運(yùn)行，由于壓縮波和膨脹波的不斷傳播和反射，列車(chē)阻力呈現(xiàn)準(zhǔn)周期性波動(dòng)。

=8.23 s時(shí)，車(chē)頭駛出隧道，車(chē)頭的壓力增大，恢復(fù)到明線運(yùn)行時(shí)的壓力。列車(chē)駛出隧道過(guò)程中，膨脹波T2和壓縮波N和T2相繼經(jīng)過(guò)車(chē)尾，使車(chē)尾的壓力產(chǎn)生波動(dòng)，導(dǎo)致列車(chē)駛出隧道過(guò)程中，列車(chē)阻力產(chǎn)生波動(dòng)。列車(chē)完全駛出隧道后，列車(chē)恢復(fù)到明線運(yùn)行時(shí)的阻力。8編組列車(chē)通過(guò)隧道過(guò)程中，阻力系數(shù)平均值為0.864，隧道因子為1.35。

3.2 列車(chē)表面壓力和阻力兩者變化間關(guān)系

圖6表示列車(chē)通過(guò)隧道過(guò)程中列車(chē)截面處的壓力分布。在圖6(a)中，列車(chē)明線穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，在車(chē)頭前方，以鼻尖為中心，形成正壓區(qū)，向四周輻射。圖6(b)中，=2.2 s時(shí)，車(chē)尾駛?cè)胨淼篮螅a(chǎn)生初始膨脹波T1，使車(chē)尾的壓力開(kāi)始下降；車(chē)頭前方的壓力繼續(xù)增大。圖6(c)中=5.0 s時(shí)，膨脹波N1經(jīng)過(guò)車(chē)體，列車(chē)表面的壓力和列車(chē)周?chē)膲毫ο陆?，?chē)體表面的負(fù)壓值較大。圖6(d)中，=6.6 s時(shí)，壓縮波T1經(jīng)過(guò)車(chē)體，列車(chē)表面的壓力和列車(chē)周?chē)膲毫υ俅卧龃?。圖6(e)中，=9.3 s時(shí)，列車(chē)駛出隧道一半車(chē)長(zhǎng)，駛出隧道的車(chē)體的表面壓力恢復(fù)到明線運(yùn)行時(shí)的壓力。

3.3 列車(chē)空氣阻力時(shí)間歷程特征

列車(chē)通過(guò)隧道過(guò)程中，阻力時(shí)間歷程曲線如圖7所示。圖7(a)為壓差阻力、摩擦阻力和總阻力的力系數(shù)曲線。圖7(b)為摩擦阻力。

(a) 明線運(yùn)行；(b) 列車(chē)完全駛?cè)胨淼?t=2.2 s)；(c) 膨脹波經(jīng)過(guò)車(chē)體(t=5.0 s，膨脹波EN1)；(d) 壓縮波經(jīng)過(guò)車(chē)體(t=6.6 s，壓縮波CT1)；(e) 駛出隧道一半車(chē)長(zhǎng)(t=9.3 s)

(a) 阻力時(shí)間歷程曲線；(b) 摩擦阻力

在圖7(a)中，列車(chē)在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，列車(chē)壓差阻力有時(shí)小于明線的壓差阻力，有時(shí)大于明線的壓差阻力；但摩擦阻力一直大于明線運(yùn)行時(shí)的摩擦阻力。列車(chē)的摩擦阻力和壓差阻力都隨時(shí)間而波動(dòng)，但摩擦阻力的波動(dòng)幅度小于壓差阻力的波動(dòng)幅度；列車(chē)阻力隨壓差阻力的變化而變化，兩者的變化趨勢(shì)幾乎一致，壓差阻力對(duì)列車(chē)阻力的影響遠(yuǎn)大于摩擦阻力對(duì)列車(chē)阻力的影響。

在圖7(b)中a~b時(shí)刻：=0~2.15 s時(shí)，列車(chē)駛?cè)胨淼肋^(guò)程中，車(chē)身壁面與隧道壁面組成環(huán)狀空間，隨著列車(chē)的不斷駛?cè)?，環(huán)狀空間增大，由于空氣的黏性，列車(chē)的摩擦阻力隨著環(huán)狀空間的增大而增大。b~c時(shí)刻：=2.15~2.7 s時(shí)，車(chē)尾完全進(jìn)入隧道口后，整車(chē)的摩擦阻力還在繼續(xù)增大。這主要是因?yàn)椋河捎诹熊?chē)在隧道內(nèi)繼續(xù)向前行駛，車(chē)頭前方受擠壓的空氣進(jìn)一步增多，車(chē)頭前方壓力也繼續(xù)增大。這樣，車(chē)頭前方的空氣通過(guò)環(huán)狀空間向車(chē)頭后方流動(dòng)的空氣越來(lái)越多，流動(dòng)速度也越來(lái)越大，這樣導(dǎo)致列車(chē)與周?chē)諝獾哪Σ磷枇σ苍絹?lái)越大。c時(shí)刻：=3.0 s時(shí)，膨脹波T1經(jīng)過(guò)車(chē)頭后，車(chē)頭前方的空氣壓力下降。這樣，從車(chē)頭前方流向車(chē)體后方的空氣流動(dòng)速度減小，摩擦阻力也開(kāi)始減小。

由圖7可知：列車(chē)通過(guò)隧道過(guò)程中，壓差阻力和摩擦阻力都隨時(shí)間而波動(dòng)。為了分析摩擦阻力和壓差阻力在列車(chē)通過(guò)隧道過(guò)程中不同時(shí)刻的值和所占的比例，取列車(chē)在明線、=2.7 s時(shí)列車(chē)完全駛?cè)胨淼馈?5.0 s時(shí)膨脹波N1經(jīng)過(guò)車(chē)體、=6.6 s時(shí)壓縮波T1經(jīng)過(guò)車(chē)體、=9.3 s時(shí)列車(chē)駛出隧道一半車(chē)長(zhǎng)5個(gè)時(shí)刻的阻力進(jìn)行分析。圖8表示了5個(gè)時(shí)刻各個(gè)力系數(shù)值以及所占的比例。

由圖8(b)可知：列車(chē)明線穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，摩擦阻力和壓差阻力分別占列車(chē)空氣阻力的38.4%和61.6%。列車(chē)完全駛?cè)胨淼篮?，壓差阻力所占的比例達(dá)到最大，占列車(chē)空氣阻力的75.3%。=5.0 s膨脹波經(jīng)過(guò)后，列車(chē)的壓差阻力所占的比例大于明線對(duì)應(yīng)的比例。=6.6 s壓縮波經(jīng)過(guò)后，列車(chē)的壓差阻力所占的比例小于明線對(duì)應(yīng)的比例。=9.3 s時(shí)，列車(chē)駛出隧道一半車(chē)長(zhǎng)，車(chē)頭的壓力恢復(fù)到明線運(yùn)行的壓力；而前一時(shí)刻，膨脹波T2經(jīng)過(guò)列車(chē)尾部，車(chē)尾的壓力下降，頭尾車(chē)壓差增大，導(dǎo)致該時(shí)刻列車(chē)的阻力大于明線的阻力，壓差阻力所占的比例大于明線對(duì)應(yīng)的比例。列車(chē)通過(guò)隧道過(guò)程中，列車(chē)的壓差阻力和摩擦阻力所占的比例隨時(shí)間而變化，壓差阻力和摩擦阻力各自所占的比例有時(shí)大于明線的，有時(shí)小于明線對(duì)應(yīng)的比例。

(a) 阻力值；(b) 所占比例

圖9為列車(chē)明線單車(chē)穩(wěn)定運(yùn)行和通過(guò)隧道過(guò)程中整車(chē)阻力最大值和最小值時(shí)刻的阻力分布。由圖可知：隧道對(duì)列車(chē)空氣阻力的影響較大，特別是壓差阻力。8編組列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)空氣阻力最大值為明線的1.96倍，對(duì)應(yīng)時(shí)刻的壓差阻力和摩擦阻力分別為明線的2.4倍和1.26倍。隧道通過(guò)時(shí)的阻力最小值為明線的0.89倍，對(duì)應(yīng)時(shí)刻的壓差阻力和摩擦阻力分別為明線的0.76倍和1.08倍。

圖9 隧道內(nèi)阻力最大值和最小值以及明線的阻力分布

3.4 列車(chē)阻力分布特性

取列車(chē)在明線、=2.7 s時(shí)列車(chē)完全駛?cè)胨淼馈?5.0 s時(shí)膨脹波N1經(jīng)過(guò)時(shí)的數(shù)據(jù)、=6.6 s時(shí)壓縮波T1經(jīng)過(guò)車(chē)體、=9.3 s時(shí)列車(chē)駛出隧道一半車(chē)長(zhǎng)5個(gè)時(shí)刻的阻力進(jìn)行分析。平直車(chē)身包含所有平直車(chē)廂的側(cè)墻和頂部，車(chē)底包含所有車(chē)廂的底部，轉(zhuǎn)向架包含所有的轉(zhuǎn)向架和轉(zhuǎn)向架腔，風(fēng)擋包含所有風(fēng)擋，如圖10所示。受電弓系統(tǒng)如圖11所示。圖12表示了列車(chē)通過(guò)隧道過(guò)程中，列車(chē)各部件阻力的分布特性。表2為不同時(shí)刻，列車(chē)各部件的阻力值。

圖10 列車(chē)部件示意圖

圖11 受電弓系統(tǒng)

由圖12和表2可知：對(duì)于車(chē)頭，阻力主要為壓差阻力，列車(chē)明線穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，車(chē)頭的阻力和所占的比例較小，列車(chē)駛?cè)胨淼篮?，?chē)頭的壓力增大，壓差阻力增大，車(chē)頭的阻力和所占的比例增大，大于明線的阻力值和所占的比例。當(dāng)膨脹波經(jīng)過(guò)列車(chē)后，車(chē)頭的壓力減小，壓差阻力減小，車(chē)頭的阻力變?yōu)樨?fù)值，小于明線運(yùn)行時(shí)所占的比例。壓縮波經(jīng)過(guò)之后，車(chē)頭的壓力增大，車(chē)頭的阻力和所占的比例增大，大于明線的阻力值和所占的比例。

圖12 不同時(shí)刻列車(chē)阻力分布特性

表2 不同時(shí)刻列車(chē)阻力百分比

對(duì)于車(chē)尾，阻力主要為壓差阻力，列車(chē)明線穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，車(chē)尾的阻力和所占的比例較小，列車(chē)駛?cè)胨淼篮?，產(chǎn)生初始膨脹波，車(chē)尾的壓力減小，壓差阻力增大，車(chē)尾的阻力和所占的比例增大，大于明線的阻力和所占的比例。當(dāng)壓縮波和膨脹波經(jīng)過(guò)車(chē)尾后，車(chē)尾的阻力與車(chē)頭的阻力變化相反。列車(chē)駛出一半車(chē)長(zhǎng)時(shí)，膨脹波T2經(jīng)過(guò)車(chē)尾，車(chē)尾的壓力減小，車(chē)尾的阻力和所占的比例增大，大于明線對(duì)應(yīng)的阻力和阻力所占的比例。

對(duì)于平直車(chē)身和平直車(chē)底，主要為摩擦阻力，隧道內(nèi)的阻力大于明線的阻力，但阻力值變化不大。但所占的比例有時(shí)小于明線對(duì)應(yīng)的比例，有時(shí)大于明線對(duì)應(yīng)的比例。對(duì)于轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)，列車(chē)完全駛?cè)胨淼篮?，阻力增大，大于明線對(duì)應(yīng)的阻力，但所占的比例小于明線所占的比例，主要是因?yàn)檐?chē)頭、車(chē)尾阻力的增大幅度大于轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的增大幅度。其他時(shí)刻，由于壓縮波和膨脹波的作用，轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的阻力和所占的比例隨時(shí)間而變化。對(duì)于受電弓系統(tǒng)和風(fēng)擋，同轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)一樣，其阻力值和阻力所占的比例隨時(shí)間而變化。

4 結(jié)論

1) 通過(guò)與實(shí)車(chē)試驗(yàn)、風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了本文所采用的計(jì)算方法和網(wǎng)格劃分的正確性。

2) 8編組列車(chē)明線穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，壓差阻力和摩擦阻力分別占總空氣阻力的38.3%和61.7%；列車(chē)單車(chē)通過(guò)隧道時(shí)，列車(chē)的壓差阻力有時(shí)大于、有時(shí)小于明線運(yùn)行時(shí)的壓差阻力，列車(chē)的摩擦阻力一直大于明線的摩擦阻力。

3) 單車(chē)通過(guò)隧道時(shí)，由于隧道內(nèi)壓縮波和膨脹波的反復(fù)作用，列車(chē)表面的壓力隨時(shí)間而變化，導(dǎo)致列車(chē)阻力呈現(xiàn)準(zhǔn)周期性波動(dòng)。壓差阻力的波動(dòng)幅度比摩擦阻力的波動(dòng)幅度大；8編組列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)的空氣阻力最大值為明線的1.96倍；空氣阻力最小值為明線的0.89倍。

4) 8編組列車(chē)明線穩(wěn)定運(yùn)行和隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的壓差阻力和平直車(chē)身的摩擦阻力占列車(chē)氣動(dòng)阻力的比例較大；列車(chē)通過(guò)隧道過(guò)程中，車(chē)頭、車(chē)尾的阻力變化幅度較大；列車(chē)阻力的分布特性隨時(shí)間而變化。

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Numerical simulation of aerodynamic drag of single high-speed train passing through a tunnel

YANG Yonggang, DU Yunchao, MEI Yuangui

(Lanzhou Jiaotong University, Gansu Province Engineering Laboratory of Rail Transit Mechanics Application Institute of High Speed Train Aerodynamics, Lanzhou 730070, China)

Based on the aerodynamic drag directly affects the maximum running speed of high-speed train, this paper established the numerical calculation model for single train passing through the tunnel with the real configuration of a domestic EMU with eight carriages. The formation mechanism and variation characteristics of the tunnel aerodynamic drag over time, the relationship between the changes of the car body surface pressure and the drag, the distribution characteristics of the drag of individual parts of the train were analyzed at different times of the train when passing through the tunnel. The maximum and minimum of the drag values for going through the tunnel were compared with the drag of the open air condition. Results indicate the compression and expansion waves directly affected on the drag, the drag showing quasi-periodic fluctuations over time of the whole train, the fluctuation range of the pressure drag is larger than the friction drag, the possession ration of pressure drag and friction drag are changed over time when the train passing through the tunnel. The maximum value and minimum value of total drag when the train passing through the tunnel are 1.96 times and 0.89 times of that in the open air.When the train is running in the open air, the pressure drag and frictional drag accounted for 61.7% and 38.3% respectively of the total aerodynamic drag. The distribution characteristics of the drag of individual parts of the train are changed over time.

high-speed train; tunnel aerodynamic drag; formation mechanism; distribution characteristics

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.11.005

U270

A

1672 ? 7029(2018)11 ? 2755 ? 09

2017?10?30

中國(guó)鐵路總公司科技研究發(fā)展計(jì)劃課題資助項(xiàng)目(2016T004-F)

梅元貴(1964?)，男，河南滎陽(yáng)人，教授，博士，從事高速列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)研究；E?mail：meiyuangui@163.com

(編輯 蔣學(xué)東)