不同头部外形高速列车气动性能风洞试验研究

张在中¹，周丹²

(1. 南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛，266111；

2. 中南大学 轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙，410075)

摘要：通过对包括CRH2在内的4种不同纵向长细比比例尺为1:8的高速列车模型进行风洞试验，分析雷诺数对车辆气动力系数的影响；比较4种高速列车模型的气动力特性；对不同流线型外形列车进行大侧偏角试验，研究高速列车在侧风作用下的安全性。研究结果表明：列车流线型头部越长，鼻形更加突出尖锐，头部流线型更加光滑，更有利于降低空气阻力；当模型列车流线型长度相差不大时，纵向长细比系数越大即车头外形越细长, 对减阻越有利；4种动车组头车、中车和尾车的侧向力及升力系数均随侧滑角的增大而迅速增大；当侧滑角大于10°时，头部最大纵剖面轮廓线曲率较大的模型，横风作用下的侧向力系数比其他3种模型车的侧向力系数显著增大，升力系数较小。

关键词：高速列车；风洞试验；气动外形；气动力

中图分类号：U270. 11          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)06-2603-06

Wind tunnel experiment on aerodynamic characteristic of streamline head of high speed train with different head shapes

ZHANG Zaizhong¹, ZHOU Dan²

(1. CSR Qingdao Sifang Locomotive and Rolling Stock Limited by Share Ltd, Qingdao 266111, China;

2. Key Laboratory of Traffic Safety on Track, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract: Wind tunnel experiments of four different longitudinal slenderness ratio high-speed trains including CRH2 were carried out to analyze the influence of Reynolds number on train aerodynamic force coefficients, with the scale of all models used being 1:8. The aerodynamics character of these four trains were compared and wind tunnel experiments were conducted with big side slip angle to research on the high-speed train safety under strong cross-wind. The results show that the aerodynamic drag can be reduced with the much longer streamlined head, more sharp nose and smoother streamlined head. Besides, when longitudinal slenderness ratio coefficient is lager, the head of train is longer and slender, it is the more favorable for the drag reduction when the difference among the length of train models is not much. As the side slip angle increases, the side force coefficient and lift coefficient of head car, middle car and tail car increase. When the side slip angle is greater than 10°, the side force of the train with the bigger maximum longitudinal profile curvature under cross-wind is significantly larger than those of the other three projects, while the lift coefficient is smaller.

Key words: high speed train; wind tunnel experiment; aerodynamic shape; aerodynamic forces

高速铁路具有快速、安全、舒适、环保等优势，已成为轨道交通发展的必然趋势。然而，随着列车运行速度的不断提高，不仅导致列车空气阻力急剧增大、能耗增加，而且因列车高速交会、通过隧道等，出现了一系列危及行车安全、降低旅客舒适度、影响列车周围环境的列车空气动力问题^[1-2]。因此，列车空气动力性能已成为高速列车外形设计和铁路行车安全评估的重要内容之一^[3-5]。本文作者对CRH2及3种流线型头部纵向细长比不同的高速列车模型进行风洞试验，比较这4种头型高速列车模型的气动特性尤其是长细比系数对阻力特性的影响；通过对不同流线型外形列车进行大侧偏角试验，研究高速列车在侧风作用下气动特性，分析纵向长细比系数对侧向力及升力的影响规律，以期为高速列车选型与优化提供参考依据。

1  列车头部外形设计方案

高速列车外形主要由列车空气动力性能确定^[6-8]。人们追求造型最佳的高速列车外形，这在很大程度上是为了改善列车空气动力性能。列车头、尾部形状对列车受到的空气压差阻力、升力和横风稳定性等有影响^[9]。根据给定的列车横断面尺寸，以降低列车气动阻力为主要目标，对高速动车组CRH2适当加长流线型头部长度，改变最大纵剖面轮廓线和水平轮廓线，设计3种流线型头部外形，其中：方案一的流线型头部长度为10 m，并在其流线型头部位置设计凹进去的前窗玻璃；方案二及方案三的车头长度均为9.4 m，CRH2的动车组车头长度为9.1 m。方案一及方案三的模型车头部断面面积基本呈线性变化，变化率较小，头部到侧面采用光滑的曲线过渡，使整个车头为1个整体流线型曲面。方案二模型车头部为椭球形，纵剖面轮廓线曲率较大。图1所示为CRH2列车及另外3种外形的头部轮廓线特征。为了提高列车的气动性能，设计的3种列车模型均采用完全光滑的车体表面；排障器比较小，其外形也采用流线型，并与头部光滑连接；对列车的底部进行了平滑化处理。

为了评估不同头部外形的气动性能, 定义表示其形状特征的“长细比”，以此作为评估依据^[10]。由于4种列车头部外形的水平投影轮廓线变化不大，因此，主要考核车头外形纵向投影轮廓线对列车气动外形的影响，列车外形纵向轮廓线长细比λ定义为

式中：L/R为长度长细比，反映车头长度对阻力的影响；L为车头长度；；S为车体断面积；l₁为车头流线型部分纵向投影轮廓线等效长度，l₁=S₁/H；H为车头高度；S₁₂=S₁₁+S₁₂；S₁₁为控制车头部主视图轮廓线所围成的面积，S₂=L×H₁。由于车头底部高度H₁对气动阻力有一定的影响，因而，H₁越大，头车气动阻力越大。

图1 列车流线型头部轮廓线

Fig. 1  Contour-line of high-speed train nose section

2  风洞试验

2.1  试验设备及模型

本次试验在中国空气动力研究与发展中心8 m×6 m风洞第2试验段进行。该风洞为闭口串联双试验段大型低速风洞，试验段截面面积为8 m×6 m，长为15 m，稳定风速范围为20~70 m/s^[11-12]。为了降低地板附面层的影响，该试验段安装了列车试验专用地板装置。在地板中间有1个直径为7 m、可旋转360°的转盘，其他为固定部分。地板上表面距风洞下洞壁1.06 m，转盘中心距地板前缘7.84 m，距后缘8.26 m。地板前、后缘加工成流线型，以减少对气流的干扰，地板之间有倾斜的缝隙^[13]。

本次试验模型为CRH2高速列车原型车及设计的3种列车模型。列车模型为金属框架结构，外部用木材成型。模型比例为1:8，采用3车编组(头车、中车、尾车)，试验模型如图2所示。列车模型头尾外形完全对称。试验的测量设备选用的是盒式六分量应变天平，对列车模型的气动力和力矩进行测量。

2.2  气动力系数定义

为了便于分析，气动力采用无量纲系数进行研究。空气阻力、升力及侧向力三分力系数表达式如下。

升力系数：；

阻力系数：；

侧向力系数：。

其中：，为动压；ρ为来流密度，取1.225 kg/m³；v为来流速度；S为参考面积，本试验中取0.175 m²；L为升力；D为阻力；C为侧向力。

图2  4种模型方案风洞试验照片

Fig. 2  Photographs of 4 kinds of high-speed train models in wind tunnel

3  风洞试验结果分析

3.1  雷诺数的影响

为研究雷诺数Re对列车气动力的影响，对CRH2动车组进行变风速试验，风速v分别为30，40，50和60 m/s。图3所示为CRH2动车组头车气动力系数随来流风速的变化曲线。从图3可以看出：气动力系数总体上存在随着风速的增大(即雷诺数增大)而减小的趋势，但幅度较小，这表明雷诺数对列车气动性能有一定影响，但影响有限；当来流速度增加至50 m/s后，气动力系数基本不再变化，可以认为与来流风速无关，试验雷诺数大于临界雷诺数，达到自模拟区。本次试验来流速度取60 m/s，满足自模拟雷诺数的要求。

3.2  气动阻力

列车的气动阻力、升力是评判列车气动外形的重要参数^[14-15]。当无横风影响时，对4种不同外形动车组头、尾车的阻力系数进行比较分析，结果如表1所示。对比4种模型头、尾车气动阻力系数，方案一的模型流线型头部最长，鼻形更加突出尖锐，头部流线型更加光滑，有利于降低空气阻力；当模型列车流线型长度相差不大时，车头纵向长细比排序与气动阻力排序完全一致，说明纵向长细比系数越大，即车头外形越细长, 对减阻越有利。由于4种模型的流线型头部长度均大于9 m，其气动阻力差别较小。

图3  CRH2头车气动力系数与来流速度的关系

Fig. 3  Relationship between aerodynamic force coefficient and wind velocity of CRH2 head car

表1  动车组阻力系数C_D比较

Table 1  Comparison of aerodynamic drag force coefficients

3.3  气动升力

表2所示为4种不同外形动车组的升力系数。从表2可见：方案一、方案三和CRH2动车组头车的升力系数接近，方案二动车组头车的升力系数(绝对值)较小；对于中车升力系数(绝对值)，方案三的最小，方案二的最大；对于尾车，方案一的升力系数最小，其他3种方案的升力系数接近。4种动车组的头车和中车的升力系数都为负，尾车的升力系数都为正，这与前期试验和国内外研究结果一致^[6-7]，且升力系数都处于较合理的范围内。

表2  动车组升力系数C_L比较

Table 2  Comparison of aerodynamic lift force coefficients

3.4  横风气动特性

动车组速度高、质量小、抗倾覆能力低，在横风作用下其稳定性问题尤为突出^[16-18]。图4所示为不同侧滑角下(侧滑角为-15°~ +20°)，这4种动车组头车、中车及尾车的侧向力系数比较结果。从图4可以看出：这4种动车组的侧向力系数随侧滑角的增大而迅速增大；在相同侧滑角下，头车所受侧向力最大，中车侧向力系数明显小于相应头车的侧向力系数。尾车所受侧向力最小，这是由于尾车尾部的迎风面和背风面受到尾涡的影响，使得迎风面正压区减小，负压区增加，而且背风面负压减小。

对比4种不同动车组外形，方案一、方案三和CHR2动车组的侧向力系数差别很小；方案二动车组的侧向力系数较大，这主要是由于方案二的最大纵剖面轮廓线曲率较大，流线型头部纵向长细比系数较小，侧向力系数增大。

图5所示为不同侧滑角下，这4种动车组头车、中车及尾车的升力系数比较结果。从图5可见：这4种动车组头车、中车和尾车的升力系数均随侧滑角的增大而迅速增大；当侧滑角小于10°时，这4车升力系数差别不大；随着侧滑角继续增加，方案一、方案三和CHR2动车组的升力系数仍然差别不大，方案二的升力系数较小。

图4  4种外形动车组侧向力系数比较

Fig. 4  Comparison of side force coefficients for 4 kinds of train models

图5  4种外形动车组升力系数比较

Fig. 5  Comparison of lift force coefficients for 4 kinds of train models

4  结论

(1) 4种动车组的流线型头部长度均大于9 m，其气动阻力差别相对较小; 列车流线型头部纵向长细比系数越大，即车头外形越细长, 对减阻越有利。

(2) 在横风作用下，当侧滑角(绝对值)小于20°时，4 种动车组的头车、中车和尾车的侧向力系数及升力系数均随侧滑角的增大而迅速增大，且头车侧向力系数最大，中间车的次之；受尾涡的影响，尾车的侧向力系数最小。

(3) 当侧滑角大于10°时，方案二由于最大纵剖面轮廓线曲率较大，流线型头部纵向长细比系数较小，在横风作用下其侧向力比其他3种模型车的侧向力显著增大，升力系数较小。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2012-08-02；修回日期：2012-10-21

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51105384)；高铁联合基金重点项目(U1134203)

通信作者：周丹(1980-)，女，湖北武汉人，博士，从事列车空气动力学研究；电话：13874807246；E-mail：zd_lzj@126.com