高速列車空氣動(dòng)力學(xué)研究技術(shù)綜述

高速列車空氣動(dòng)力學(xué)研究技術(shù)綜述

研究問題的提出高速列車是在地面上高速運(yùn)行的薄體。由于長(zhǎng)尺比大，地面覆蓋，在高速運(yùn)行過程中存在與航空宇宙飛船不同的空氣動(dòng)力學(xué)問題。這些問題主要包括：動(dòng)力阻力問題、橫風(fēng)效應(yīng)、車輛激勵(lì)效應(yīng)、隧道效應(yīng)和氣聲干擾。當(dāng)運(yùn)營(yíng)速度超過200kmh時(shí)，動(dòng)力阻力約占總阻力的70%，運(yùn)營(yíng)速度超過300kmh時(shí)，阻力阻力占總阻力的85%以上。運(yùn)行速度越快，阻力越高。因此，降低成本和提高經(jīng)濟(jì)效率的問題必然需要減少振動(dòng)阻力。橫向風(fēng)對(duì)列車的影響是運(yùn)行安全的重要因素。研究表明，在強(qiáng)橫風(fēng)的作用下，高速列車的動(dòng)力阻力、提升力和方向力急劇增加，橫向穩(wěn)定性明顯惡化，容易發(fā)生傾角和傾斜事故。中國(guó)僅有公交車通過。2010年，由于強(qiáng)風(fēng)，公共汽車上的乘客脫離了過去40年的事故，超過110輛公交車被打死，這對(duì)車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、乘客舒適度和運(yùn)營(yíng)安全產(chǎn)生了重大影響。此外，隨著運(yùn)營(yíng)速度的提高，這種影響和損害的影響更加嚴(yán)重。中國(guó)的高鐵列車穿越隧道等復(fù)雜道路的“四縱四橫”線路網(wǎng)的建設(shè)越來越受到重視。高速列車進(jìn)入隧道，使隧道內(nèi)的空氣在隧道內(nèi)產(chǎn)生了復(fù)雜的波動(dòng)過程。隧道壁的反射和隧道內(nèi)的聲音在隧道內(nèi)傳播，導(dǎo)致微氣波，這對(duì)隧道附近的環(huán)境有顯著影響。高速列車的動(dòng)態(tài)阻力是衡量高速列車乘坐舒適度和沿線環(huán)境影響的重要指標(biāo)之一。高速列車的噪聲分為結(jié)構(gòu)噪聲和動(dòng)態(tài)噪聲，其中聲干擾約為三個(gè)方向的正比，代表了高速列車的主要部分。高速列車的噪聲是衡量高速列車運(yùn)營(yíng)舒適性和沿線環(huán)境影響的重要指標(biāo)之一。高速列車的噪聲分為結(jié)構(gòu)噪聲和動(dòng)態(tài)噪聲。其中，聲干擾約為三個(gè)方向的正比，占高速列車噪聲的主要部分。隨著高速高鐵速度的提高，客運(yùn)噪聲必然是高速列車設(shè)計(jì)中考慮的主要因素之一。因此，為了實(shí)現(xiàn)高速客運(yùn)安全、快速、舒適、環(huán)境友好的目標(biāo)，必須研究和解決上述空氣動(dòng)力學(xué)問題，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。研究高速列車的空氣動(dòng)力學(xué)問題,目前主要采用的研究手段有模型試驗(yàn)、實(shí)車測(cè)量、數(shù)值計(jì)算和理論分析.本文總結(jié)歸納了近年來國(guó)內(nèi)外在高速列車空氣動(dòng)力學(xué)研究方面的技術(shù)進(jìn)展,對(duì)于存在的問題和未來的發(fā)展進(jìn)行了初步介紹.以期通過對(duì)這些技術(shù)成果的闡述,為我國(guó)高速列車空氣動(dòng)力學(xué)研究的深入進(jìn)行提供參考和借鑒.1高速列車模型風(fēng)洞試驗(yàn)的研究方法高速列車模型試驗(yàn)研究手段主要包括風(fēng)洞試驗(yàn)、動(dòng)模型試驗(yàn)、水槽或水洞試驗(yàn).其中,風(fēng)洞試驗(yàn)是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的研究手段之一.對(duì)于高速列車模型試驗(yàn)研究,主要原理是運(yùn)動(dòng)相對(duì)性原理和流動(dòng)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(dòng)相似.幾何相似和運(yùn)動(dòng)相似較容易滿足,重點(diǎn)考慮動(dòng)力相似準(zhǔn)則.由于模型試驗(yàn)過程的介質(zhì)都是空氣,可以認(rèn)為比熱比γ、普朗特?cái)?shù)Pr和弗勞特?cái)?shù)Fr等相似準(zhǔn)則和列車實(shí)際運(yùn)行時(shí)相同.模擬的相似準(zhǔn)則主要是雷諾數(shù)Re相似.研究表明,流體存在兩個(gè)自模擬區(qū),即第1自模區(qū)和第2自模區(qū).當(dāng)模型與實(shí)物處于同一個(gè)自模區(qū)時(shí),模型與實(shí)物的Re不必保持相等,模型試驗(yàn)的結(jié)果(或者做適當(dāng)?shù)男拚?就可以用到實(shí)物中去.高速列車模型試驗(yàn)的氣動(dòng)力也存在自模擬區(qū),只要試驗(yàn)Re接近106,則模型試驗(yàn)的氣動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果隨Re的增加變化很小,而且,試驗(yàn)結(jié)果可以直接用于實(shí)車[14-15].根據(jù)研究目的和內(nèi)容不同,高速列車模型風(fēng)洞試驗(yàn)一般分為部件影響試驗(yàn)和整車性能試驗(yàn).其中,部件影響試驗(yàn)主要考察不同頭型、受電弓及受電弓導(dǎo)流罩、空調(diào)導(dǎo)流罩、外風(fēng)擋、裙板、轉(zhuǎn)向架導(dǎo)流板等對(duì)高速列車氣動(dòng)特性尤其是氣動(dòng)阻力的影響及規(guī)律,從而獲得有效的氣動(dòng)外形優(yōu)化措施尤其是減阻措施.整車性能試驗(yàn)主要考察整車設(shè)計(jì)、綜合空氣動(dòng)力性能是否滿足設(shè)計(jì)要求、極限工況的適應(yīng)范圍以及研究高速列車運(yùn)行對(duì)環(huán)境影響等等.經(jīng)過近幾年的技術(shù)發(fā)展,目前,高速列車模型風(fēng)洞試驗(yàn)的研究方法主要包括氣動(dòng)力測(cè)量(測(cè)力)、表面壓力測(cè)量(測(cè)壓)、空間與表面流場(chǎng)測(cè)量與顯示、模型外部氣動(dòng)噪聲測(cè)量,以及交會(huì)壓力波與隧道壓力波測(cè)量等[16,17,18,19,20,21,22,23,24,25].在氣動(dòng)力測(cè)量方面,地面效應(yīng)模擬的好壞直接關(guān)系到試驗(yàn)結(jié)果的優(yōu)劣,因而一直都是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù).高速列車地面效應(yīng)的研究方法包括理論分析、風(fēng)洞試驗(yàn)、實(shí)車測(cè)量和數(shù)值計(jì)算.現(xiàn)階段,對(duì)于高速列車的地面效應(yīng)難以通過數(shù)值計(jì)算方法準(zhǔn)確解析,必須采用實(shí)車測(cè)量方式認(rèn)識(shí)地面效應(yīng)在不同速度級(jí)下的變化規(guī)律和載荷特征.目前采用的邊界層控制技術(shù)包括:在風(fēng)洞下洞壁加裝反射板,通過墊高的辦法脫離風(fēng)洞附面層平均位移厚度;在風(fēng)洞下洞壁增加開槽、吹氣或吸氣裝置消除附面層;通過移動(dòng)帶運(yùn)動(dòng)將固定地板轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)壁面從而消除附面層等.綜合來看,不同的方法各有優(yōu)勢(shì)也存在相應(yīng)的缺陷,相對(duì)而言通過吸氣的方法消除附面層似乎更加簡(jiǎn)單明了.在模型測(cè)力方面,列車專用地效模擬裝置、專用試驗(yàn)天平、多天平技術(shù)的發(fā)展使得列車編組試驗(yàn)?zāi)芰蛿?shù)據(jù)精準(zhǔn)度得到了大幅提高[16,17,18,19,20,21,22].歐洲在DNW(Deutsh-Niederl¨andischewindkan¨ale)風(fēng)洞中采用1∶7,1∶10,1∶15和1∶25的一節(jié)頭車加半節(jié)中間車的編組模型,對(duì)ICE(intercityexpress)和TGV(train`agrandevitesse)高速列車在無路基、單線路堤和復(fù)線路堤等路況下開展試驗(yàn)側(cè)偏角從0?～90?狀態(tài)下的氣動(dòng)力測(cè)量試驗(yàn)研究,獲得了在不同風(fēng)速和風(fēng)向的側(cè)風(fēng)狀態(tài)下,橫向氣動(dòng)力和力矩最大的頭車的氣動(dòng)特性,以此作為ICE和TGV高速列車抗側(cè)風(fēng)安全性的依據(jù).試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心(以下簡(jiǎn)稱氣動(dòng)中心)8m×6m大型低速風(fēng)洞是國(guó)內(nèi)較少能進(jìn)行大比例列車模型多車編組、多天平測(cè)力試驗(yàn)的風(fēng)洞之一.該風(fēng)洞分別進(jìn)行過6車編組、9車編組以及3車編組(最大比例1∶6)等試驗(yàn)研究,開展最多的是1∶8縮比的3車編組試驗(yàn)研究.該風(fēng)洞最近又發(fā)展和完善了一節(jié)頭車加半節(jié)中間車編組的試驗(yàn)技術(shù),專門用于側(cè)偏角-90?～90?范圍內(nèi)列車抗側(cè)風(fēng)安全性研究.在模型表面壓力測(cè)量方面,近年來,除列車表面靜態(tài)壓力測(cè)量[16,17,18,19,20,21]的規(guī)模不斷提升外,脈動(dòng)壓力測(cè)試技術(shù)在列車空氣動(dòng)力研究方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步.其中,靜態(tài)壓力測(cè)量方面目前已在風(fēng)洞試驗(yàn)中開展過最多同時(shí)對(duì)車身表面近500個(gè)測(cè)壓點(diǎn)的靜態(tài)壓力測(cè)量.列車模型表面壓力測(cè)量如圖2.脈動(dòng)壓力測(cè)試在風(fēng)洞中的運(yùn)用主要是以完成列車交會(huì)壓力波測(cè)量、局部區(qū)域壓力變化對(duì)車體結(jié)構(gòu)影響等方面.在高速列車模型表面流場(chǎng)測(cè)量與顯示方面,目前主要采用的有流場(chǎng)定性顯示與定量測(cè)量技術(shù).其中流場(chǎng)的定性顯示技術(shù)包括外加材料顯示法、光學(xué)顯示法和能量注入顯示法(又稱示蹤法).其中外加材料顯示法包括煙線法、油膜法和絲線法.煙線法可以研究邊界層結(jié)構(gòu)、分離流動(dòng)和旋渦流動(dòng)的機(jī)理.油膜法主要用于顯示空氣介質(zhì)中固體表面附近的流場(chǎng)情況.絲線法是根據(jù)絲線在模型表面的流動(dòng)狀態(tài)判斷模型表面的流場(chǎng)情況(層流、湍流或分離).在流場(chǎng)的定量測(cè)量方面,目前已經(jīng)發(fā)展了粒子圖像測(cè)速(particleimagevelocimetry,PIV)、七孔探針測(cè)速、激光誘發(fā)熒光(laserinducedfluorescence,LIF)、激光分子測(cè)速(lasermoleculevelocimetry,LMV)和壓敏涂層測(cè)壓(pressuresensitivepaint,PSP)等技術(shù),它們兼有定性顯示和定量測(cè)量的能力.在高速列車模型外部流場(chǎng)的定性顯示與定量測(cè)量方面,氣動(dòng)中心具有全面的技術(shù)研究手段.其4m×3m低速風(fēng)洞的空間六自由度移測(cè)裝置獨(dú)具特色,可以進(jìn)行尾流場(chǎng)的測(cè)量,還可利用PIV測(cè)量技術(shù)和七孔探針測(cè)量技術(shù)對(duì)高速列車模型局部流場(chǎng)進(jìn)行定量測(cè)量.氣動(dòng)中心自行研制的單管煙流發(fā)生器和0.4m×0.4m水洞可以對(duì)全車或局部的流場(chǎng)特性進(jìn)行定性顯示和定量測(cè)量.氣動(dòng)中心的列車模型局部流場(chǎng)的定量和定性測(cè)量分別如圖3和圖4所示.在高速列車模型氣動(dòng)噪聲測(cè)量方面,目前同濟(jì)大學(xué)地面交通工具風(fēng)洞中心代表了國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平.該中心的多功能風(fēng)洞能進(jìn)行1∶8縮比、3車編組的高速列車模型的整車及頭型、轉(zhuǎn)向架、受電弓、受電弓導(dǎo)流罩、轉(zhuǎn)向架裙板、風(fēng)擋等部件的氣動(dòng)聲學(xué)試驗(yàn),包括列車模型在不同工況條件下的自由場(chǎng)傳聲器測(cè)試、麥克風(fēng)陣列測(cè)試、表面?zhèn)髀暺鳒y(cè)試.目前已經(jīng)為國(guó)內(nèi)高速列車研制單位開展了多期高速列車模型整車及部件的氣動(dòng)噪聲測(cè)量試驗(yàn),獲得了高速列車典型部件的氣動(dòng)聲學(xué)特性.在列車模型交會(huì)壓力波和隧道壓力波的測(cè)量方面,氣動(dòng)中心率先在國(guó)內(nèi)風(fēng)洞中采用空間換時(shí)間的方法利用風(fēng)壓板對(duì)不同頭型高速列車交會(huì)壓力波進(jìn)行過測(cè)量,參見圖5.經(jīng)過多年的研究和大量的實(shí)車測(cè)量與風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)比研究表明,風(fēng)壓板測(cè)量結(jié)果趨勢(shì)正確但數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不足.隧道壓力波測(cè)量目前的主要試驗(yàn)方法有淺水槽法和動(dòng)模型法.其中淺水槽法是根據(jù)自由表面水波運(yùn)動(dòng)的波高與可壓縮流體運(yùn)動(dòng)壓力的相似關(guān)系,通過測(cè)定列車模型在淺水槽中所激起的水波高度,求得空氣壓力變化,從而模擬高速列車過隧道的壓力波動(dòng)規(guī)律.美國(guó)和日本分別于1979年和1993年采用水槽法研究了列車通過隧道的空氣動(dòng)力學(xué)問題,獲得了很有參考價(jià)值的數(shù)據(jù)和規(guī)律.西南交通大學(xué)曾利用淺水槽法模擬了時(shí)速500km的高速列車過隧道的氣動(dòng)問題,得到了令人滿意的結(jié)果.另一種研究高速列車過隧道等相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法是動(dòng)模型試驗(yàn).1991年英國(guó)Derby鐵路研究中心建成了用橡皮繩彈射的大尺度列車氣動(dòng)性能動(dòng)模型試驗(yàn)裝置.該裝置的模型比例為1∶25,有3條長(zhǎng)150m的線路,列車模型速度可達(dá)300km/h,能真實(shí)模擬列車交會(huì)和過隧道的空氣動(dòng)力效應(yīng).日本學(xué)者Ozawa等在改進(jìn)的動(dòng)模型試驗(yàn)裝置中,以壓縮空氣為動(dòng)力,使得模型的發(fā)射速度達(dá)到了100m/s,采用全長(zhǎng)25m的導(dǎo)管模擬隧道,列車模型得到速度后,依靠慣性在導(dǎo)管內(nèi)滑動(dòng),為保證其等速性,整個(gè)導(dǎo)管成8?傾角放置.荷蘭研制的新型動(dòng)模型發(fā)射實(shí)驗(yàn)裝置,采用空氣炮來發(fā)射列車模型,模型試驗(yàn)速度高達(dá)500km/h,隧道模型長(zhǎng)度為10m.國(guó)內(nèi)采用動(dòng)模型法的典型代表有中南大學(xué)和西南交通大學(xué),分別建有列車模型發(fā)射式實(shí)驗(yàn)裝置.其中,中南大學(xué)高速列車研究中心1998年建成的動(dòng)模型試驗(yàn)裝置是世界上最大的,由雙軌組成,試驗(yàn)線總長(zhǎng)164m,可進(jìn)行1∶16～1∶20縮比,3車編組最高運(yùn)行速度350km/h,且可調(diào)線間距的動(dòng)模型模擬試驗(yàn).根據(jù)流動(dòng)相似原理,通過彈射方式使列車模型在線路模型上無動(dòng)力高速運(yùn)行,真實(shí)再現(xiàn)列車交會(huì)與過隧道等空氣三維非定常、非對(duì)稱流動(dòng)現(xiàn)象,以模擬兩交會(huì)列車之間和列車與周圍環(huán)境(地面、隧道、道旁建筑等)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),并真實(shí)地反映地面效應(yīng),彌補(bǔ)了風(fēng)洞試驗(yàn)無法模擬的相對(duì)運(yùn)動(dòng),其試驗(yàn)裝置如圖6.西南交通大學(xué)試驗(yàn)中心建立的壓縮空氣式列車模型發(fā)射裝置的最大發(fā)射速度可以達(dá)到100m/s,列車模型輪廓尺寸可達(dá)40mm×60mm×30mm,有效運(yùn)行距離為20m.列車模型通過壓縮空氣從發(fā)射裝置中射出,進(jìn)出隧道模型后產(chǎn)生氣動(dòng)效應(yīng),通過在隧道壁上設(shè)置的傳感器記錄壓力和噪聲的變化,通過調(diào)整模型速度、隧道阻塞比及不同形式的緩沖結(jié)構(gòu),模擬列車在不同工況下進(jìn)出隧道的氣動(dòng)噪聲和壓力波測(cè)量,試驗(yàn)裝置如圖7.值得一提的是,目前世界上的高速列車最快運(yùn)行速度超過300km/h,國(guó)內(nèi)上海磁懸浮列車最高運(yùn)行速度達(dá)到了430km/h,而且正在研制的高速列車運(yùn)行速度也達(dá)到了500km/h.目前國(guó)內(nèi)幾乎沒有開展馬赫數(shù)超過0.3的高速列車氣動(dòng)特性的風(fēng)洞試驗(yàn)研究,主要開展的是高速列車在馬赫數(shù)低于0.3的不可壓縮流動(dòng)狀態(tài)下的氣動(dòng)特性風(fēng)洞試驗(yàn)研究.在低速不可壓縮流動(dòng)范圍內(nèi),根據(jù)Re相似原理,高速列車的氣動(dòng)特性存在自模區(qū),目前開展的高速列車風(fēng)洞試驗(yàn)研究幾乎都能保證進(jìn)入自模區(qū),當(dāng)達(dá)到進(jìn)入自模區(qū)的試驗(yàn)風(fēng)速后,氣動(dòng)特性隨風(fēng)速的增加變化很小,因此沒有進(jìn)一步提高試驗(yàn)風(fēng)速的必要.2實(shí)車壓力測(cè)量系統(tǒng)的改進(jìn)當(dāng)前,實(shí)車測(cè)量包括列車氣動(dòng)阻力、車身表面脈動(dòng)壓力、車廂內(nèi)部壓力測(cè)量,列車空調(diào)、冷卻風(fēng)和進(jìn)排氣口的氣流流速與流量測(cè)量,以及列車運(yùn)行過程對(duì)周圍環(huán)境和結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲、微氣壓波以及列車風(fēng)的測(cè)量等等.其中,壓力測(cè)量主要是列車在明線狀態(tài)、隧道內(nèi)交會(huì)與非交會(huì)狀態(tài)下的壓力測(cè)量[41-51].對(duì)于高速列車實(shí)車的氣動(dòng)阻力測(cè)量,目前是在專用線路(如環(huán)形線)或營(yíng)業(yè)線路上,采用動(dòng)力計(jì)法(多為推送法,含瞬時(shí)及平均距離間隔兩種處理方式)或溜放法試驗(yàn),測(cè)定為數(shù)眾多的不同速度下基本阻力值.按10km/h左右速度間隔的合并點(diǎn),或直接用數(shù)據(jù)處理的數(shù)學(xué)方法(如最小二乘法)將總阻力或單位阻力處理成速度的二階方程,從而獲得列車的氣動(dòng)阻力.壓力和微氣壓波的測(cè)量主要是在高速列車車體內(nèi)外側(cè)或環(huán)境物表面(如隧道壁面或建筑物表面)選擇合適測(cè)點(diǎn),采用不同壓力傳感器裝置測(cè)量.在實(shí)車壓力測(cè)量方面,目前,由于高速列車都是采用全封閉結(jié)構(gòu),在車體不允許破壞的情況下,存在測(cè)點(diǎn)導(dǎo)管進(jìn)入車內(nèi)非常困難的現(xiàn)實(shí)問題.因此,實(shí)車表面壓力測(cè)量不宜開展大量測(cè)點(diǎn)的測(cè)試.為了使有限的測(cè)點(diǎn)布置合理,需要遵循以下原則:(1)由于高速列車的縱向?qū)ΨQ性,測(cè)壓點(diǎn)一般布置在車身縱向?qū)ΨQ面的一側(cè);(2)測(cè)壓點(diǎn)一般集中布置在頭部和尾部等表面壓力變化較大的部位,表面壓力變化較平緩的車身宜少量布點(diǎn);(3)高速列車車體強(qiáng)度的薄弱和重點(diǎn)關(guān)注部位,也應(yīng)作為重點(diǎn)布點(diǎn)部位.在實(shí)車表面脈動(dòng)壓力測(cè)量和車廂內(nèi)部壓力測(cè)量中,為了減小傳感器的粘貼對(duì)測(cè)點(diǎn)部位流場(chǎng)的影響,所選傳感器必須具備薄、小和輕的特點(diǎn),目前采用的脈動(dòng)壓力傳感器有諸如8515C-15型薄片式絕對(duì)壓力傳感器、85108-2差壓式脈動(dòng)壓力傳感器和國(guó)內(nèi)自主研制的拍式感壓片等,參見圖8,配合FocusII動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀和計(jì)算機(jī)等設(shè)備,完成測(cè)試數(shù)據(jù)的采集與處理.傳感器的粘貼必須平整和牢固,傳感器所連測(cè)壓管應(yīng)與車身縱向剖面成45?角粘貼在表面,測(cè)壓管路應(yīng)在車身表面順著來流進(jìn)行平整和組合,并盡量選取車身溝、槽或縫作為走道,從而減小傳感器及測(cè)壓管路對(duì)測(cè)點(diǎn)部位流場(chǎng)的影響.實(shí)車壓力測(cè)量中參考?jí)旱倪x取是一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問題.對(duì)于采用以上壓差傳感器進(jìn)行高速列車運(yùn)行過程中的壓力測(cè)量時(shí),由于穩(wěn)定可靠的參考?jí)旱墨@取存在困難,國(guó)內(nèi)有學(xué)者比較了采用風(fēng)速管靜壓作為參考?jí)?、車?nèi)環(huán)境壓力作為參考?jí)汉秃銣孛芊馄糠ǖ确椒?經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn),采用恒溫密封瓶法獲得穩(wěn)定可靠參考?jí)旱男Ч罴?該方法是在車廂內(nèi)部放置一個(gè)密封的玻璃瓶,將該玻璃瓶浸泡在一個(gè)盛有冰水混合物的保溫桶內(nèi),玻璃瓶口用橡皮塞密封,用一玻璃小管將瓶?jī)?nèi)壓力引至壓力掃描閥,恒溫密封瓶法參見圖9.側(cè)風(fēng)的干擾也是實(shí)車壓力測(cè)量中的一個(gè)常見問題,為了消除側(cè)風(fēng)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的干擾,目前工程上主要通過在車體兩側(cè)布置對(duì)稱點(diǎn)(一般至少3對(duì)),將對(duì)稱點(diǎn)的壓力差值作為衡量側(cè)風(fēng)對(duì)測(cè)試結(jié)果影響的重要依據(jù).另外,中南大學(xué)高速列車研究中心的學(xué)者對(duì)列車實(shí)車測(cè)量的各種影響因素進(jìn)行了研究,提出了諸如高速列車交會(huì)壓力波測(cè)量的采樣頻率取1000Hz,濾波頻率取100Hz等非常具有實(shí)際指導(dǎo)價(jià)值的建議.列車交會(huì)狀態(tài)是實(shí)車壓力測(cè)量的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)工況.其技術(shù)難點(diǎn)主要在于必須實(shí)時(shí)測(cè)定兩列交會(huì)列車的相對(duì)速度和列車間距.國(guó)外如日本是采用在試驗(yàn)列車表面打孔并安裝傳感器測(cè)定的方法,而我國(guó)的實(shí)車測(cè)量幾乎都不允許破壞列車表面,為此,國(guó)內(nèi)學(xué)者研發(fā)了一套新型測(cè)試系統(tǒng),包括紅外光電測(cè)速系統(tǒng)、超聲波測(cè)距系統(tǒng),成功解決了上述工程問題.在列車隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)的實(shí)測(cè)方面,日本1975年在山陽新干線試運(yùn)行的實(shí)測(cè)過程中首次發(fā)現(xiàn)了微氣壓波現(xiàn)象,并在后期的新干線上進(jìn)行了大量的實(shí)車試驗(yàn)研究,獲得了隧道出口微氣壓波與隧道長(zhǎng)度及道床類型的關(guān)系.法國(guó)研究人員對(duì)TGV動(dòng)車組在300km/h的速度通過100m2的隧道并交會(huì)的工況下進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn),得到了隧道內(nèi)壓力隨隧道長(zhǎng)度的變化規(guī)律.在我國(guó)列車進(jìn)一步提速及修建高速鐵路客運(yùn)專線迫切要求解決隧道列車空氣動(dòng)力效應(yīng)問題的背景下,中南大學(xué)軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室分別于2005年和2007年進(jìn)行了遂渝線200km/h等級(jí)有碴隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)實(shí)車試驗(yàn)(有碴軌道)及遂渝線無碴軌道隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)實(shí)車試驗(yàn),獲得了列車過隧道時(shí)車廂內(nèi)、外空氣壓力變化,及隧道口微氣壓波、隧道內(nèi)列車風(fēng)、隧道壁面振動(dòng)加速度等重要參數(shù).對(duì)于列車空調(diào)、冷卻風(fēng)和進(jìn)排氣口的氣流流速、流量的測(cè)量,可以采用壓力耙(一根靜壓探針,其余為總壓探針)布置在氣流口,將耙上探針的壓力用塑料軟管引至壓力掃描閥系統(tǒng)進(jìn)行氣流動(dòng)壓的測(cè)量,然后將動(dòng)壓轉(zhuǎn)化為氣流速度及進(jìn)行流量計(jì)算,壓力耙測(cè)量法如圖10.對(duì)于高速列車實(shí)車的氣動(dòng)噪聲測(cè)量,主要測(cè)量設(shè)備包括噪聲測(cè)量的傳聲器(陣列)、實(shí)時(shí)分析聲級(jí)計(jì)和測(cè)定列車運(yùn)行速度的輔助設(shè)備.一般是在距離列車軌道中心一定距離的某一位置布置傳聲器陣列,聲信號(hào)經(jīng)傳聲器接收并放大和轉(zhuǎn)換,輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行后處理.高速列車實(shí)車現(xiàn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲測(cè)量如圖11.日本在新干線列車上進(jìn)行了大量實(shí)車噪聲測(cè)量研究,將高速列車運(yùn)行時(shí)的噪聲源分為5類:受電弓噪聲、頭部噪聲、車體上部噪聲(車廂連接處噪聲)、車體下部噪聲(轉(zhuǎn)向架噪聲和輪軌噪聲)和結(jié)構(gòu)噪聲,研制出了低噪聲受電弓、Z子截面受電弓隔聲板、全包大風(fēng)擋、雪犁罩和車體底部吸聲結(jié)構(gòu)等措施,取得了很好的降噪效果,如圖12所示.荷蘭國(guó)家應(yīng)用科學(xué)研究院(TheNetherlandsOrganizationForAppliedScientificResearch,TNO)1996年利用SYNTACAN聲學(xué)陣列法,對(duì)TGV列車以330km/h的速度運(yùn)行時(shí)的噪聲進(jìn)行了測(cè)量,繪制了聲學(xué)圖像,清晰地獲得了TGV高速列車噪聲源位置和噪聲分布特征.國(guó)內(nèi)在高速列車氣動(dòng)噪聲實(shí)車測(cè)量方面的研究起步相對(duì)較晚.同濟(jì)大學(xué)對(duì)上海磁懸浮列車在距軌道中心35m處的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行了測(cè)量,將噪聲源分為繞流聲、附面層噪聲和尾流噪聲,獲得了噪聲脈沖性和間歇性的特征.2012年4月,北車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司和氣動(dòng)中心對(duì)深圳地鐵2號(hào)線的列車車外(主要是頭部)和車內(nèi)的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行了實(shí)車測(cè)量,得到了地鐵列車在過隧道過程中的噪聲變化規(guī)律,如圖13.對(duì)于高速列車的列車風(fēng)測(cè)量,目前可以采用超聲波風(fēng)速儀或熱線風(fēng)速儀進(jìn)行測(cè)量.在大量實(shí)車測(cè)試研究的基礎(chǔ)上,目前世界各國(guó)制定了不同的安全列車風(fēng)標(biāo)準(zhǔn).日本要求安全列車風(fēng)速不大于9m/s,英國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)為不大于11m/s,我國(guó)制定的《時(shí)速200公里新建鐵路線橋隧站設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》提出站臺(tái)旅客和鐵道線路作業(yè)人員所能承受的列車風(fēng)速不大于14m/s.3基于湍流流動(dòng)模型的數(shù)值計(jì)算方法在高速列車空氣動(dòng)力學(xué)的研究中,數(shù)值計(jì)算的適用范圍最廣.理論上,任何高速列車空氣動(dòng)力學(xué)問題都可以進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的方法加以解決.近年來數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下方面:專業(yè)數(shù)值計(jì)算軟件的開發(fā)和應(yīng)用,數(shù)值計(jì)算方法的改進(jìn)和完善,包括網(wǎng)格技術(shù)的發(fā)展等.在高速列車空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算軟件方面,國(guó)內(nèi)高校和科研院所主要采用自主研發(fā)的計(jì)算分析軟件或采用從國(guó)外引進(jìn)的大型CFD(computationalfluiddynamics)商用軟件.國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的、專門針對(duì)高速列車空氣動(dòng)力學(xué)的計(jì)算軟件的典型代表有氣動(dòng)中心開發(fā)的WS3D(widescreen3D)氣動(dòng)計(jì)算軟件,中南大學(xué)研發(fā)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬軟件、三維近尾流場(chǎng)數(shù)值積分軟件和三維流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算軟件,西南交通大學(xué)開發(fā)的基于一維可壓縮非穩(wěn)態(tài)流理論和特征線方法的隧道壓力波軟件.國(guó)外引進(jìn)的大型商用CFD計(jì)算軟件的典型代表有FLUENT,CFX,PHOENICS,STAR-CD,ANSYS和CFdesign等.值得一提的是,相同氣動(dòng)現(xiàn)象的數(shù)值計(jì)算結(jié)果經(jīng)常隨著計(jì)算軟件和計(jì)算方法的不同依然存在較大差異,需要模型試驗(yàn)或?qū)嵻嚋y(cè)量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證.在高速列車流動(dòng)問題的數(shù)值計(jì)算中,若以列車寬度為特征長(zhǎng)度,當(dāng)列車速度達(dá)到300km/h,其流場(chǎng)雷諾數(shù)達(dá)到了107,流場(chǎng)處于湍流狀態(tài).湍流流動(dòng)問題的數(shù)值計(jì)算至今是一個(gè)沒有得到很好解決的問題.目前在對(duì)湍流的數(shù)值模擬方面采用的方法主要分為3類:(1)直接模擬.用三維非穩(wěn)態(tài)的Navier--Stokes方程對(duì)湍流進(jìn)行直接的數(shù)值計(jì)算.(2)大渦模擬.用非穩(wěn)態(tài)的N--S方程直接模擬大尺度渦,不直接計(jì)算小尺度渦,小渦對(duì)大渦的影響通過近似的模型來考慮.(3)Reynolds時(shí)均方程加湍流模型.把時(shí)間平均值的概念用于列車周圍流場(chǎng)動(dòng)力學(xué)控制方程中,則流體動(dòng)力學(xué)控制方程中的瞬時(shí)流動(dòng)參數(shù)可由其平均值和脈動(dòng)值來表示.該方法是目前在工程上進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算應(yīng)用最為廣泛的方法.當(dāng)前的流動(dòng)數(shù)值計(jì)算方法很多,其中通用性較好,且應(yīng)用比較廣泛的是有限差分法、有限元法、有限體積法和邊界元法等.其中有限差分法在復(fù)雜幾何邊界的應(yīng)用中存在一定的欠缺,有限元法更適合于流體與固體相耦合的問題,有限體積法在離散方程的解決方面存在優(yōu)勢(shì)而成為目前應(yīng)用最廣泛的方法,邊界元法在黏性N--S方程的求解應(yīng)用中受到很大限制.因此,每種計(jì)算方法都有各自的適用范圍,目前國(guó)內(nèi)外還沒有一個(gè)通用性最好的方法問世,這也應(yīng)成為數(shù)值計(jì)算研究的一個(gè)努力方向.高速列車流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的網(wǎng)格包括結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,但由于求解區(qū)域的復(fù)雜性,主要采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.近年來,在高速列車復(fù)雜流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算中,出現(xiàn)了將結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格結(jié)合形成混合網(wǎng)格,既對(duì)復(fù)雜計(jì)算區(qū)域具有可自適應(yīng)性,又能節(jié)省計(jì)算資源和時(shí)間.為應(yīng)對(duì)列車流場(chǎng)數(shù)值模擬中復(fù)雜且突出的相對(duì)運(yùn)動(dòng)問題,如列車交會(huì)和過隧道問題,采用的網(wǎng)格生成方法有動(dòng)網(wǎng)格方法和滑移網(wǎng)格方法.動(dòng)網(wǎng)格生成網(wǎng)格的頻率太高,并且時(shí)間步長(zhǎng)限制太嚴(yán),需耗費(fèi)大量的時(shí)間,因而一般采用滑移網(wǎng)格,主要包括針對(duì)列車交會(huì)流場(chǎng)的非對(duì)稱滑移網(wǎng)格法和列車過隧道的滑移網(wǎng)格法.滑移網(wǎng)格采用公共區(qū)重疊或滑移面技術(shù).在計(jì)算網(wǎng)格的數(shù)量方面,國(guó)內(nèi)以氣動(dòng)中心為代表的高速列車流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格的數(shù)量已經(jīng)超過了2.6億個(gè),使得包括受電弓和轉(zhuǎn)向架等外形及流場(chǎng)的復(fù)雜區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了網(wǎng)格的精細(xì)化劃分,為高速列車整車和關(guān)鍵部位的精細(xì)化數(shù)值模擬奠定了基礎(chǔ).針對(duì)不可壓縮流N--S方程的數(shù)值求解,存在兩個(gè)關(guān)鍵問題:一是對(duì)流項(xiàng)的離散問題和壓力梯度的離散問題.對(duì)于對(duì)流項(xiàng)的離散問題,應(yīng)用最廣泛的計(jì)算格式是中心格式、二階迎風(fēng)和QUICK格式,對(duì)于壓力梯度的離散問題,目前應(yīng)用最廣泛的主導(dǎo)方法是壓力修正法,其中最具代表性的是SIMPLE算法及其修正算法SIMPLER,SIMPLEC算法.在對(duì)列車的湍流流動(dòng)模擬中,常用的湍流模型有Spalart--Allmaras單方程模型、k-ε雙方程模型、k-ω雙方程模型和Reynolds應(yīng)力模型等,目前應(yīng)用最廣泛的湍流模型是k-ε雙方程模型.另外,對(duì)于速度超過350km/h,馬赫數(shù)超過0.3的高速列車空氣動(dòng)力特性的數(shù)值計(jì)算,目前國(guó)內(nèi)開展的研究相對(duì)較少.其中畢海權(quán)等采用k-ε雙方程湍流模型和SIMPLE算法對(duì)運(yùn)行速度500km/h的磁懸浮列車的三維、黏性、可壓縮和非穩(wěn)態(tài)的繞流流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,得到了自然風(fēng)對(duì)磁懸浮列車氣動(dòng)特性的影響規(guī)律.對(duì)于兩列車交會(huì)時(shí)相對(duì)速度超過300km/h、馬赫數(shù)超過0.3的情況下的列車外部流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算,目前國(guó)內(nèi)外基本都是采用有限體積法和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行求解.1995年日本學(xué)者Fujii,Ogawa和Hwang,Lee采用有限差分法求解列車交會(huì)過程的三維可壓縮Euler/Navier--Stokes方程,得到了列車交會(huì)過程中壓力分布和氣動(dòng)力的變化.畢海權(quán)等,田紅旗等等采用有限體積法和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)列車交會(huì)的三維可壓縮流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬.邱英政采用Reynolds時(shí)均方程的模擬方法和k-ε雙方程湍流模型,對(duì)高速列車近壁流場(chǎng)采用壁面函數(shù)法和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù),分別對(duì)考慮空氣可壓縮性與不可壓縮性的影響進(jìn)行了比較,得出了二者的最大誤差可達(dá)24.6%的結(jié)論.4高速列車安全性措施我國(guó)目前已經(jīng)擁有全世界運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)的高鐵