列車空氣動(dòng)力性能研究

0列車空氣動(dòng)力學(xué)問題列車的空氣動(dòng)力學(xué)是一項(xiàng)復(fù)雜的基礎(chǔ)科學(xué)，用于加快和開發(fā)車輪和磁浮高速軌道交通，對(duì)高速鐵路交通的行車安全和乘客的舒適度有重大影響。過去,中國(guó)列車時(shí)速一直在120km·h-1以內(nèi),列車空氣動(dòng)力學(xué)問題并不突出。列車提速后,列車運(yùn)行阻力急劇增加,能耗過大;列車高速交會(huì)產(chǎn)生的空氣壓力瞬變,導(dǎo)致客車側(cè)墻變形過大,并伴有強(qiáng)烈的空氣爆破聲,能擊碎車窗玻璃,可能使雙層集裝箱貨運(yùn)列車傾覆。日本在修建世界上第一條高速鐵路時(shí),由于對(duì)列車空氣動(dòng)力影響行車安全問題估計(jì)不足,導(dǎo)致復(fù)線間距和隧道斷面面積較小(可節(jié)約工程投資),盡管隨后的幾十年日本對(duì)改善列車氣動(dòng)性能的外形進(jìn)行了大量研究(列車流線形頭部長(zhǎng)度達(dá)15m),列車空氣動(dòng)力學(xué)仍是影響日本鐵路運(yùn)行速度提高的主要問題。中國(guó)既有鐵路干線客、貨列車不能分時(shí)、分線運(yùn)行,大量舊車短期內(nèi)難以淘汰,且線間距較小,使列車空氣動(dòng)力問題比國(guó)外更為突出。亞歐大陸橋重要通道蘭新線穿越新疆大風(fēng)戈壁地區(qū),自然條件十分惡劣,其百里風(fēng)區(qū)(150km)瞬時(shí)最大風(fēng)速達(dá)64m·s-1,約2倍于12級(jí)風(fēng),是世界鐵路之最;自通車以來,屢次發(fā)生整列車被吹翻的重大事故;大風(fēng)季節(jié),由于風(fēng)力過大,迫使列車經(jīng)常停輪,大批旅客、貨物被滯留,給旅客出行帶來極大不便,嚴(yán)重制約了西部經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。同時(shí),中國(guó)發(fā)展輪軌、磁浮高速列車有一系列空氣動(dòng)力學(xué)問題需要解決。為確保行車安全,國(guó)家計(jì)委、科技部、鐵道部、教育部分別將其列為重點(diǎn)科技攻關(guān)、國(guó)家“863”重大專項(xiàng)、國(guó)家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化、國(guó)家自然基金等項(xiàng)目,并已取得了一系列科研成果。1關(guān)于列車空氣動(dòng)力學(xué)的研究方法1.1模擬程序的編制目前中國(guó)采用商業(yè)軟件和自主開發(fā)的軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。商業(yè)軟件有CFX、FLUENT等。在國(guó)內(nèi),西南交通大學(xué)采用一維可壓流,編制了計(jì)算隧道內(nèi)瞬變壓力的一維數(shù)值模擬程序;中南大學(xué)對(duì)列車空氣阻力、表面壓力分布及列車交會(huì)、列車過隧道和尾流等方面的動(dòng)力學(xué)問題進(jìn)行了研究,并擁有自主開發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟件3套:1.1.1間體網(wǎng)格非定常插值耦合信息交換技術(shù)本文采用非對(duì)稱滑移網(wǎng)格技術(shù),即非對(duì)稱問題的分區(qū)計(jì)算技術(shù)、網(wǎng)格生成與三維空間體網(wǎng)格非定常插值耦合信息交換技術(shù)與基于三維可壓縮非定常N-S方程,開發(fā)出數(shù)值計(jì)算軟件,解決了列車高速交會(huì)、過隧道、強(qiáng)橫風(fēng)作用下具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬計(jì)算難題。模擬計(jì)算結(jié)果見圖1。模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差在10%之內(nèi)。1.1.2尾流速度場(chǎng)分解此軟件將尾流積分理論應(yīng)用于列車尾部流場(chǎng)分析,可以將氣動(dòng)阻力分解為粘性阻力、渦阻力和源阻力,將尾流速度場(chǎng)分解為由渦誘導(dǎo)的速度場(chǎng)和由源誘導(dǎo)的速度場(chǎng),用于深入研究列車尾流結(jié)構(gòu),分析空氣阻力的構(gòu)成及不同尾部形狀所產(chǎn)生的尾流對(duì)列車動(dòng)力的影響。1.1.3計(jì)算三維流場(chǎng)值的軟件此軟件用于計(jì)算列車氣動(dòng)阻力、升力、橫向力、表面壓力和周圍環(huán)境流場(chǎng)計(jì)算與分析,在列車設(shè)計(jì)過程中對(duì)多種流線形外形進(jìn)行比選。1.2地面防范變形試驗(yàn)風(fēng)洞試驗(yàn)是研究列車空氣動(dòng)力學(xué)的重要手段。大型風(fēng)洞試驗(yàn)在亞洲最大的航天低速風(fēng)洞完成。為了滿足長(zhǎng)大形狀的列車風(fēng)洞試驗(yàn),研制了專用地板和測(cè)力專用天平及測(cè)力、測(cè)壓等關(guān)鍵試驗(yàn)技術(shù)。同時(shí)在國(guó)防科技大學(xué)的1.0m×0.8m風(fēng)洞上,研制了多孔均勻吸氣地板,能較均勻地控制地板附面層厚度,用于不同厚度固定地板附面層影響研究。目前已完成了大型和小型風(fēng)洞試驗(yàn)有列車頭部形狀試驗(yàn)、部件組合優(yōu)化試驗(yàn)(車體底部形狀、內(nèi)外風(fēng)擋、受電弓導(dǎo)流罩、導(dǎo)流板、車體截面等)、復(fù)雜編組列車及尾部流場(chǎng)試驗(yàn)(國(guó)內(nèi)外首次開展,測(cè)試了列車氣動(dòng)阻力、升力、橫向力、及相應(yīng)的力矩、列車表面壓力分布、列車尾部流場(chǎng))、列車空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)排風(fēng)性能試驗(yàn)等,主要目的是為列車外形研究及定型設(shè)計(jì)、空調(diào)及電機(jī)電器的進(jìn)排風(fēng)口位置確定提供依據(jù);為列車牽引計(jì)算與穩(wěn)定性計(jì)算提供氣動(dòng)參數(shù)值,為運(yùn)輸模式的確定提供依據(jù)。模型縮比分別為1∶6、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25等。其中1∶6試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?∶15的9車編組模型均為國(guó)際上最大的。1.3試驗(yàn)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)西南交通大學(xué)建立了水槽模型試驗(yàn)臺(tái),對(duì)高速列車進(jìn)出隧道的過程進(jìn)行模擬。中南大學(xué)軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研制了模型比例與速度處于國(guó)際領(lǐng)先水平的高速列車氣動(dòng)特性動(dòng)模型試驗(yàn)系統(tǒng),根據(jù)流動(dòng)相似原理,通過彈射方式使模型列車在模型線路上無動(dòng)力高速運(yùn)行(即動(dòng)模型),真實(shí)再現(xiàn)高速列車交會(huì)與過隧道(圖2)等空氣三維非定常非對(duì)稱流動(dòng)現(xiàn)象,能夠模擬兩交會(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),真實(shí)地反映地面效應(yīng)。該試驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)有:列車瞬態(tài)加速技術(shù),在0.4s內(nèi),模型列車從靜止加速到350km·h-1;列車緊急制動(dòng)技術(shù),在0.5s內(nèi),模型列車從350km·h-1減速到0;高速瞬態(tài)車載測(cè)試、采集與儲(chǔ)存技術(shù),控制技術(shù):控制彈射力加載、安全預(yù)警、兩交會(huì)列車同步發(fā)射、兩交會(huì)列車的車載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)同步測(cè)試。目前,世界上同類型的動(dòng)模型試驗(yàn)系統(tǒng)還有另外一套建造于英國(guó),二者主要技術(shù)參數(shù)見表1。根據(jù)大量動(dòng)模型模擬試驗(yàn)結(jié)果,重復(fù)性試驗(yàn)相對(duì)誤差不大于3%,與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果相差不大于5%。1.4實(shí)車試驗(yàn)(1)列車空氣動(dòng)力學(xué)行車安全評(píng)估試驗(yàn),包括列車交會(huì)、列車過隧道、人員安全退避距離等安全評(píng)估試驗(yàn),為列車的安全評(píng)估、運(yùn)輸模式的確定、列車氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)、合理選擇線路間距提供依據(jù)。(2)列車表面壓力分布試驗(yàn),如空調(diào)裝置進(jìn)排風(fēng)口位置、駕駛員室外形局部曲率變化較大處的壓力分布以及列車表面壓力分布規(guī)律試驗(yàn),為空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、空調(diào)機(jī)組選型、駕駛員室外形設(shè)計(jì)合理性的檢驗(yàn)以及橫風(fēng)影響下的橫向力確定提供依據(jù)。(3)列車-隧道空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn),包括列車車廂內(nèi)外與隧道內(nèi)的瞬變壓力、隧道口微氣壓波、隧道內(nèi)列車風(fēng)速及隧道壁面加速度測(cè)試。(4)列車周圍環(huán)境試驗(yàn),其包括擋風(fēng)墻、橋梁、建筑物壓力分布和環(huán)境風(fēng)風(fēng)速測(cè)試。(5)列車運(yùn)行過程中牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)風(fēng)量試驗(yàn),得出牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)風(fēng)量隨列車運(yùn)行速度變化的規(guī)律,考核風(fēng)機(jī)性能是否滿足列車運(yùn)行要求;測(cè)量電機(jī)、電器冷卻風(fēng)腔百葉窗空氣流向及流速,檢驗(yàn)百葉窗位置設(shè)置的合理性。實(shí)車試驗(yàn)的技術(shù)難點(diǎn)在于必須實(shí)時(shí)測(cè)定兩交會(huì)列車相對(duì)速度和列車間距。日本是在被試列車車體上鉆一系列孔,將測(cè)試用傳感器安裝在車廂內(nèi)部的開孔處得到測(cè)試結(jié)果;中國(guó)既不允許在車體上鉆孔,又需要在兩相對(duì)運(yùn)行的列車上進(jìn)行試驗(yàn),因此,自行研制了一套填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白的實(shí)車測(cè)試系統(tǒng)。(1)紅外光電測(cè)速系統(tǒng),用于實(shí)時(shí)測(cè)定兩交會(huì)列車相對(duì)速度。(2)超聲波測(cè)距系統(tǒng),用于實(shí)時(shí)測(cè)定兩列車交會(huì)側(cè)車間距。(3)瞬態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng),用于測(cè)定列車交會(huì)、列車過隧道的車內(nèi)外和隧道內(nèi)瞬變壓力。(4)穩(wěn)態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng),用于測(cè)定列車表面壓力、列車周圍的擋風(fēng)墻、橋梁、建筑物表面壓力與冷卻風(fēng)道內(nèi)表面壓力等。為解決車體表面不允許鉆孔的難題,拍式感壓片被采用。2一些典型客車的空氣動(dòng)力學(xué)性能2.1研究結(jié)果及分析為了自主發(fā)展中國(guó)的高速列車,使其民族工業(yè)研制水平趕超國(guó)際先進(jìn)水平,在中華之星高速列車研制過程中,進(jìn)行了列車空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算、風(fēng)洞試驗(yàn)、動(dòng)模型試驗(yàn)及理論分析,研究?jī)?nèi)容包括列車氣動(dòng)阻力、升力、橫向力、列車表面壓力分布、列車交會(huì)空氣壓力波、列車周圍流場(chǎng)及動(dòng)車?yán)鋮s風(fēng)道流場(chǎng)等。在全面系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上,確定出與列車運(yùn)行速度及線間距相適應(yīng),且滿足列車空氣動(dòng)力學(xué)性能要求的列車外形,最后完成了實(shí)車驗(yàn)證及評(píng)估性試驗(yàn),研究結(jié)果如下。(1)中華之星列車以280km·h-1速度與先鋒號(hào)列車220km·h-1速度交會(huì),兩種拖車上感受的壓力波幅值分別為1226Pa和1349Pa。(2)無側(cè)風(fēng)影響時(shí),列車氣動(dòng)阻力系數(shù)為:頭車0.242,拖車0.095,尾車0.266。(3)端墻表面壓力均為正壓力,迎風(fēng)面端墻和背風(fēng)面端墻表面壓力比較接近,表面壓力分布比較均勻、穩(wěn)定。車體表面均為負(fù)壓力,車體底部和過渡圓弧處負(fù)壓稍大于其他位置。列車駕駛室頂部過渡處沒有出現(xiàn)流動(dòng)分離,頭部外形設(shè)計(jì)合理。(4)無側(cè)風(fēng)影響時(shí),列車以270km·h-1速度運(yùn)行時(shí)頭車氣動(dòng)升力為-2.932kN。(5)列車尾部流場(chǎng):在距列車尾端5.8m處,列車尾流最大軸向速度為13.4m·s-1,小于允許值14m·s-1;列車側(cè)面流場(chǎng):在距列車側(cè)壁2m的縱向截面上,3個(gè)方向分速度和合速度均小于14m·s-1,在正常人的人體承受范圍內(nèi)。2.2車輛氣動(dòng)性能惡化雙層集裝箱貨運(yùn)列車是中國(guó)鐵路貨運(yùn)的一個(gè)重要發(fā)展方向,中國(guó)首批自主研制、速度為120km·h-1的雙層集裝箱貨運(yùn)列車,由于車輛重心較高,側(cè)壁迎風(fēng)面積大,外形棱角分明,加之兩車聯(lián)掛后集裝箱之間間距達(dá)6.4m(兩40ft集裝箱疊放),導(dǎo)致車輛氣動(dòng)性能惡化。具體體現(xiàn)在3方面:列車交會(huì)空氣壓力波增大;橫風(fēng)作用下,列車受到的橫向力增大;列車運(yùn)行空氣阻力增加。通過數(shù)值計(jì)算、動(dòng)模型試驗(yàn)、在線實(shí)車試驗(yàn)和理論分析,對(duì)雙層集裝箱貨運(yùn)列車氣動(dòng)性能開展了深入研究,提出了側(cè)墻立柱內(nèi)置、側(cè)墻板外形流線化方案;對(duì)橫風(fēng)作用于車輛的氣動(dòng)力進(jìn)行了研究,結(jié)合車輛穩(wěn)定性計(jì)算得到了小曲線半徑(R為300m)環(huán)境風(fēng)速與車輛臨界速度之間的關(guān)系,提出了不同橫向風(fēng)速的列車安全運(yùn)行速度限值。經(jīng)過對(duì)列車運(yùn)行安全評(píng)估,雙層集裝箱貨運(yùn)列車以120km·h-1速度與160km·h-1速度提速客運(yùn)列車交會(huì)時(shí)能安全運(yùn)行。2.3磁浮列車在列車氣動(dòng)有形優(yōu)化與車內(nèi)運(yùn)行響應(yīng)分析高速磁浮列車運(yùn)行速度高于輪軌系統(tǒng)高速列車,屬于亞音速流空氣動(dòng)力學(xué)范疇,基于三維可壓縮粘性流體力學(xué)理論,首次對(duì)高速磁浮列車這種在地面上高速運(yùn)行的長(zhǎng)大物體所引起的復(fù)雜空氣流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算、列車交會(huì)動(dòng)模型試驗(yàn)和實(shí)車試驗(yàn),并進(jìn)行了列車氣動(dòng)外形優(yōu)化研究與磁浮列車在氣動(dòng)力作用下動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。(1)列車氣動(dòng)外形優(yōu)化研究以降低列車交會(huì)空氣壓力波,改善列車空氣動(dòng)力性能為原則,保持列車橫斷面和列車長(zhǎng)度與上海TR08列車相同。(2)研究了磁浮列車氣動(dòng)力特性,氣動(dòng)力、表面壓力分布、列車交會(huì)空氣壓力波與列車運(yùn)行速度、頭部外形的關(guān)系,磁浮列車風(fēng)對(duì)周圍環(huán)境影響,橫風(fēng)作用下懸浮、導(dǎo)向電磁鐵受到的氣動(dòng)力。(3)磁浮列車在氣動(dòng)力作用下的振動(dòng)響應(yīng)分析將磁浮列車的車廂、懸浮架、空氣阻尼彈簧等均作為彈性體,進(jìn)行了車輛垂向、橫向動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。(4)研究了上海高速磁浮列車在交會(huì)沖擊壓力載荷作用下的車體強(qiáng)度和剛度。(5)進(jìn)行了上海高速磁浮列車在線實(shí)車空氣動(dòng)力性能試驗(yàn)。3列車風(fēng)模型研究通過對(duì)中國(guó)提速列車、200km·h-1速度等級(jí)列車、輪軌高速與磁浮高速列車的交會(huì)壓力波、列車風(fēng)進(jìn)行動(dòng)模型試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算、在線實(shí)車試驗(yàn)和理論分析,建立了列車交會(huì)壓力波與列車運(yùn)行速度、復(fù)線間距、車體寬度、附面層厚度關(guān)系式,列車風(fēng)風(fēng)速和人體受力與列車運(yùn)行速度與退避距離之間的關(guān)系式,已全面推廣并應(yīng)用于中國(guó)鐵路新線建設(shè)與既有線改造的復(fù)線間距和安全退避距離確定。3.1列車綜合力量的指數(shù)關(guān)系ΔΡ=12aDρV2re-bD(D-B)(1)ΔP=12aDρV2re?bD(D?B)(1)結(jié)論:列車交會(huì)壓力波與線間距(D)呈負(fù)指數(shù)關(guān)系;列車交會(huì)壓力波與車體寬度(B)呈指數(shù)關(guān)系;列車交會(huì)壓力波與相對(duì)速度的平方(V2r)成正比。由關(guān)系式(1)知:提高列車運(yùn)行速度,減小復(fù)線間距,增加車體寬度與降低列車交會(huì)壓力波之間彼此相互矛盾。提高列車運(yùn)行速度是人們追求的目標(biāo);減小復(fù)線間距(D),能節(jié)約工程用地,降低線路修建成本;增加車體寬度(B)能增大旅客運(yùn)輸量,因此,復(fù)線間距的確定需綜合考慮上述諸因素的影響。3.2列車滲透壓力波ΔΡ1=12ρ[arV22-brV21]ΔP1=12ρ[arV22?brV21](2)結(jié)論:列車交會(huì)壓力波隨交會(huì)車速度平方增加而增大;高、低速列車混跑時(shí),高速列車承受的壓力波小于低速列車所承受的壓力波,即ΔΡ高<ΔΡ低ΔP高<ΔP低3.3面層高聚物群落ΔΡ=12aD1ρV2re-bDDte2bDδ*ΔP=12aD1ρV2re?bDDte2bDδ?(3)結(jié)論:列車交會(huì)壓力波與車體側(cè)面位移附面層厚度呈指數(shù)增加關(guān)系。3.4人體作用力與列車運(yùn)行速度成正比F=afρAV2ΔY-bf(4)結(jié)論:列車風(fēng)對(duì)人體作用力與列車運(yùn)行速度平方成正比;列車風(fēng)對(duì)人體作用力與退避距離(人體與列車側(cè)壁距離)的bf[bf∈(1,2)]次方成反比。3.5風(fēng)速列車的風(fēng)速和列車速度和信號(hào)距離的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)Vw=awVΔY-bw(5)結(jié)論:列車風(fēng)風(fēng)速與列車運(yùn)行速度成正比;列車風(fēng)風(fēng)速與退避距離的bw[bw∈(0,1)]次方成反比。4列車形制設(shè)計(jì)高速列車外形與列車空氣動(dòng)力學(xué)有著密切的關(guān)系,其外形的好壞直接影響整列車的空氣動(dòng)力性能。人們追求造型最佳的高速列車外形,很大程度是為了改善列車空氣動(dòng)力性能。與列車空氣動(dòng)力性能有關(guān)的列車外形有流線形頭形、車身截面外形、列車編組方式、車體表面情況等。滿足空氣動(dòng)力性能的列車外形其頭部和尾部外形均為流線形,車身應(yīng)為鼓形斷面,車體表面應(yīng)非常光滑平整,門、窗需嚴(yán)格密封,不允許有凸出外表面的玻璃壓條、扶手等物件,車體底部除轉(zhuǎn)向架外應(yīng)全部封閉。4.1制型線對(duì)列車原理的影響典型的列車頭部形狀主要有4類,見圖3,依次為扁寬形、橢球形、梭形和鈍體頭形。列車頭部形狀需要通過外形控制參數(shù)與控制型線來實(shí)現(xiàn)?？刂茀?shù)包括流線形頭部長(zhǎng)度、寬度、高度、傾斜度等;控制型線主要有縱向、橫向、水平剖面最大輪廓線,又分為主控制型線和輔助控制型線,主控制型線包括縱向?qū)ΨQ面最大控制型線、俯視最大控制型線和車體截面外廓型線。列車氣動(dòng)性能與頭部形狀之間的關(guān)系如下。(1)列車流線形頭部長(zhǎng)度越長(zhǎng),既有利于降低列車交會(huì)空氣壓力波,又能有效地減小列車空氣阻力,同時(shí)還能改善列車其他空氣動(dòng)力性能。(2)列車流線形頭部長(zhǎng)度一定時(shí),在無橫風(fēng)情況下,頭車阻力:橢球形為最小,扁寬形為最大;尾車阻力:扁梭形為最小,鼓寬形為最大;列車總阻力:以頭車為橢球形而尾車扁梭形為最小。在橫風(fēng)作用下,扁寬形頭車阻力較小,橢球形頭車阻力較大。(3)列車交會(huì)壓力波:以扁寬形為最小,橢球形為最大,扁梭形和鼓寬形車頭介于中間。改變前窗部位過渡曲線對(duì)列車交會(huì)壓力波幅值影響較小;減小鼻尖部位過渡曲線的曲率半徑(即扁形鼻尖)可以有效地降低列車交會(huì)壓力波。因此,減小列車空氣阻力和降低列車交會(huì)壓力波是既矛盾,又統(tǒng)一,列車氣動(dòng)頭部外形設(shè)計(jì)需要綜合考慮各種因素。4.2基于界面的計(jì)算機(jī)軟件研制由于流線形列車頭、尾部外形是一種復(fù)雜的空間三維曲面;頭部骨架必須保證與流線化外形完全一致,這種三維曲面外形及梁結(jié)構(gòu),用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法很難實(shí)現(xiàn);同時(shí)組成的梁件加工非常困難,為此,自主開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的流線形車體研制軟件4套,創(chuàng)建了一套從列車空氣動(dòng)力性能分析到流線形外形和結(jié)構(gòu)工程化設(shè)計(jì)、板梁數(shù)控加工一體化,且具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的流線形列車研制方法。這套產(chǎn)品研制方法將過去傳統(tǒng)上由設(shè)計(jì)、工藝、加工等多部門協(xié)作耗時(shí)的工作,集中由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成,極大地減輕了設(shè)計(jì)、施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,縮短了生產(chǎn)周期,使中國(guó)機(jī)車車輛民族工業(yè)在車體設(shè)計(jì)、制造和產(chǎn)業(yè)化方面實(shí)現(xiàn)了技術(shù)跨越。目前,全國(guó)所有流線型列車車體均由中南大學(xué)高速列車研究中心設(shè)計(jì),一大批新型列車投入運(yùn)營(yíng),使中國(guó)流線形列車種類和數(shù)量居世界各國(guó)之首,如中原之星號(hào)、中華之星、先鋒號(hào)、長(zhǎng)白山號(hào)、大白鯊號(hào)、春城號(hào)、神州號(hào)、新曙光、奧星號(hào)等動(dòng)車組。4.3兩組有待提高案影響列車空氣動(dòng)力性能的車身截面形狀參數(shù)為圖4中的R1、R2、R3、R4、α、β以及車體寬度和高度。研究結(jié)果表明:鼓形壁車體比直壁車體交會(huì)壓力波幅值減少10%以上;鼓形壁列車能有效地提高橫向穩(wěn)定性、旅客舒適性和運(yùn)行安全性。4.4列車時(shí)期相關(guān)系數(shù)由于中國(guó)列車編組方式復(fù)雜,如:單層(車體距軌面高度為4050mm)和雙層(車體距軌面高度為4670mm)客車混編,機(jī)車牽引低于其高度的單層客車,或牽引高于其高度的雙層客車,組成列車的各車輛在寬度、斷面形狀不盡相同,列車提速后常發(fā)生因列車交會(huì)引起的危及行車安全事件,因此,對(duì)編組方式不同的列車交會(huì)問題進(jìn)行了專門的研究。研究結(jié)果表明:與單層列車相比,單、雙層混編列車產(chǎn)生的交會(huì)壓力波幅值增大20%左右;與雙層列車相比,單、雙層混編列車產(chǎn)生的交會(huì)壓力波幅值增大15%左右;與同截面動(dòng)車組相比,高機(jī)車與單層客車混編列車產(chǎn)生的交會(huì)壓力波幅值增大25%左右。根據(jù)以上分析結(jié)果,列車合理的編組方式應(yīng)為:高速列車必須采用車體截面形狀相同的動(dòng)車組;提速列車可優(yōu)先考慮動(dòng)車組模式;對(duì)于機(jī)車客車組成的提速列車,應(yīng)避免單、雙層混編列車和高機(jī)車與單層客車混編列車。該成果已逐步在全路推廣應(yīng)用。各鐵路局對(duì)于在線運(yùn)行的快速列車,目前正逐步取消單、雙層客車混編情況,采用同類型車輛編組列車,以避免因列車交會(huì)引起的行車安全事故。4.5氣動(dòng)阻力測(cè)試列車其他外形氣動(dòng)性能研究結(jié)果如下:列車底部采用底罩比傳統(tǒng)列車(車體底架以下全部暴露在外面)氣動(dòng)阻力降低45%左右;動(dòng)車底部采用裙板比傳統(tǒng)動(dòng)車(車體底架以下全部暴露在外面)氣動(dòng)阻力降低10%左右;受電弓導(dǎo)流罩起減阻降噪作用,應(yīng)盡可能安裝在靠近動(dòng)車尾端,以流線形為宜;列車端墻表面為正空氣壓力,車體底部和過渡圓弧處均為負(fù)壓力,有利于排風(fēng);頭車底部采用底罩升力小于且接近于0,采用無底罩或裙板負(fù)升力較大;拖車底部采用底罩升力小于0,采用無底罩或裙板升力大于0;尾車底部采用底罩升力小于無底罩或裙板結(jié)構(gòu);受電弓導(dǎo)流罩使頭車負(fù)升力減小,尾車正升力增大。4.6德國(guó)高速列車通過實(shí)際運(yùn)用考核證明,新型列車均具有良好的氣動(dòng)性能:交流傳動(dòng)機(jī)車(DJ型)比SS8型機(jī)車阻力降低44%,新研制的流線形列車空氣阻力比中國(guó)傳統(tǒng)鈍頭列車降低50%左右;最高試驗(yàn)速度達(dá)321.5km·h-1的中華之星,在線間距(4.6m)小于德國(guó)高速列車(4.7m),車體寬度(3.3m)大于德國(guó)ICE3(2.95m),頭部長(zhǎng)度(5.5m)小于德國(guó)ICE3(6m),以相對(duì)速度540km·h-1交會(huì)時(shí),空氣壓力波小于1600Pa,滿足安全運(yùn)行要求;最高運(yùn)行速度達(dá)292km·h-1的先鋒號(hào)(頭部長(zhǎng)度僅4m)動(dòng)力分散型動(dòng)車組,以相對(duì)速度500km·h-1交會(huì)時(shí),列車交會(huì)空氣壓力波符合行車安全要求;新曙光號(hào)雙層內(nèi)燃動(dòng)車組,其空氣動(dòng)力性能優(yōu)于在上海局線路上運(yùn)行的其他列車;在復(fù)線間距為4.0m的線路上,新曙光號(hào)列車(試驗(yàn)速度為180km·h-1,運(yùn)營(yíng)速度為160km·h-1)與其他列車交會(huì)時(shí)未發(fā)生因列車交會(huì)引發(fā)的行車安全事故,列車交會(huì)空氣壓力波滿足安全運(yùn)行要求。5氣波對(duì)高速列車的影響列車高速通過隧道引起的空氣動(dòng)力效應(yīng)(空氣瞬態(tài)壓力波、空氣阻力、列車風(fēng)、微氣壓波等)對(duì)列車運(yùn)行的安全性、旅客乘坐的舒適性、隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)、車體結(jié)構(gòu)、隧道周圍環(huán)境、能耗均有不良影響,是高速鐵路隧道與高速列車設(shè)計(jì)中必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題,同時(shí)也是既有線隧道能否適應(yīng)列車提速需要必須考慮的重要問題。5.1結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)及列車方面隧道及線路方面:隧道凈空斷面面積、形狀、長(zhǎng)度、隧道壁面粗糙度,復(fù)線間距、曲線半徑、隧道坡度,輔助結(jié)構(gòu)物形式(入口緩沖結(jié)構(gòu)、豎井、斜井、隔墻),聯(lián)絡(luò)通道形狀、間距,避車洞形狀、深度、間距,長(zhǎng)大隧道通風(fēng)結(jié)構(gòu)(豎井、斜井)的形狀和位置等;列車方面:運(yùn)行速度、車頭和車尾形狀、列車橫斷面面積、列車長(zhǎng)度及車輛的密封性等;其他方面:環(huán)境風(fēng)、列車在隧道中的交會(huì)及列車各自進(jìn)入隧道入口處的時(shí)間差等。5.2隧道內(nèi)空氣壓力(1)世界各國(guó)的氣壓變化環(huán)境下人體舒適性標(biāo)準(zhǔn)均不完全適應(yīng)于中國(guó)乘客,需要制定出符合中國(guó)國(guó)情的人體舒適性標(biāo)準(zhǔn)。(2)阻塞比是影響隧道氣動(dòng)性的重要因素。(3)隧道長(zhǎng)度對(duì)隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)影響較大。在隧道長(zhǎng)度較短的情況下,列車通過隧道的壓力波幅值隨隧道長(zhǎng)度增加較快;當(dāng)隧道長(zhǎng)度達(dá)到一定值后,壓力波幅值不但不再增加,反而有所減小。隧道進(jìn)口的壓力變化幅值大于隧道出口的壓力變化幅值。(4)列車外形是影響隧道內(nèi)空氣壓力變化的重要因素,在同一隧道以160km·h-1運(yùn)行時(shí),由東風(fēng)11機(jī)車牽引的25T客運(yùn)列車比長(zhǎng)白山號(hào)動(dòng)車組引起壓力變化幅值增加40%左右。(5)隧道口微氣壓波幅值近似與列車運(yùn)行速度的三次方成正比,與距隧道口的距離成反比;列車頭部外形是影響隧道口微氣壓波的一個(gè)重要因素。(6)隧道內(nèi)空氣壓力三維效應(yīng)非常明顯,隧道內(nèi)空氣壓力變化隨隧道縱向長(zhǎng)度和高度而變,隧道截面形狀對(duì)隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)有很大影響。(7)對(duì)單節(jié)車輛而言,平均空氣壓差阻力比明線空氣阻力大80%～95%。(8)盡管雙線隧道截面面積比單線隧道大,列車通過雙線隧道時(shí),也會(huì)引起輕微耳痛感,說明一味增加隧道斷面面積和單從列車本身考慮都不全面,必須將列車和隧道兩方面耦合在一起開展研究,才能取得最佳的效益。6列車連接和隧道穿越的安全評(píng)估6.1結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)列車空氣動(dòng)力學(xué)行車安全評(píng)估就是從空氣動(dòng)力學(xué)角度檢驗(yàn)列車交會(huì)與過隧道時(shí)的列車運(yùn)行安全性,隧道能否滿足列車運(yùn)行要求與列車風(fēng)對(duì)道旁人員和隧道內(nèi)作業(yè)人員安全性的影響度。其評(píng)估內(nèi)容包括:列車交會(huì)與過隧道壓力波幅值;列車交會(huì)與過隧道產(chǎn)生的瞬態(tài)壓力沖擊作用下車窗結(jié)構(gòu)和玻璃承載能力;列車交會(huì)與過隧道產(chǎn)生的瞬態(tài)壓力沖擊作用下列車車體結(jié)構(gòu)和車載設(shè)備的強(qiáng)度與剛度;列過隧道產(chǎn)生的瞬態(tài)壓力沖擊作用下隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)和地面設(shè)備的強(qiáng)度與剛度;列車交會(huì)瞬態(tài)壓力沖擊作用下雙層集裝箱貨運(yùn)列車傾覆穩(wěn)定性;列車交會(huì)瞬態(tài)壓力沖擊作用下,不同篷布與各種繩索承受最大拉力的能力;車廂內(nèi)空氣壓力變化下的人體舒適程度;列車風(fēng)風(fēng)速對(duì)明線道旁人員和隧道內(nèi)作業(yè)人員安全性的影響。評(píng)估其技術(shù)難點(diǎn)為:列車周圍空氣流場(chǎng)具有強(qiáng)非線性、非定常、非對(duì)稱等特點(diǎn);兩交會(huì)列車、列車與隧道、列車與環(huán)境間具有相對(duì)運(yùn)動(dòng);流體力學(xué)與固體力學(xué)耦合分析,在屬流體力學(xué)的列車交會(huì)瞬態(tài)壓力沖擊、過隧道空氣驟變壓力載荷作用下,基于固體力學(xué)連續(xù)介質(zhì)理論,對(duì)車體鋼結(jié)構(gòu)和側(cè)窗與隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)用有限單元法進(jìn)行非線性結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析;作用于車體、襯砌結(jié)構(gòu)的瞬變壓力隨時(shí)間及交會(huì)位置變化而變化。6.2總線客車和總線客車結(jié)構(gòu)的承載能力6.2.1載荷的加載函數(shù)列車交會(huì)瞬變壓力對(duì)整個(gè)側(cè)墻作用是隨列車運(yùn)行時(shí)間及交會(huì)位置的變化而變化,瞬變壓力加載曲線和載荷幅值據(jù)實(shí)際情況確定,車體承受的載荷是時(shí)間和空間的函數(shù),其加載函數(shù)關(guān)系式為Ρ={Ρ(t-xL/V,yΗ)(t≥xL/V)0(t<xL/V)(6)P={P(t?xL/V,yH)0(t≥xL/V)(t<xL/V)(6)式中:P為加載壓力;xL、yH分別為沿列車長(zhǎng)度和高度方向的參數(shù)。6.2.2交通流場(chǎng)交通流場(chǎng)安全評(píng)估內(nèi)容中國(guó)各種車型車體、車窗結(jié)構(gòu)承受瞬態(tài)沖擊極限值見表2。中南大學(xué)作為鐵道部唯一承擔(dān)列車空氣動(dòng)力學(xué)行車安全評(píng)估單位,完成了中國(guó)所有新型列車(流線形動(dòng)車組、新型機(jī)車、新型貨車)、5次大提速(京廣、京滬、京九、京哈、秦沈、廣深等線路)和部分第6次提速(京秦、遂渝等線路)的空氣動(dòng)力學(xué)行車安全評(píng)估,通過對(duì)列車交會(huì)行車安全評(píng)估方法進(jìn)行研究,提出了中國(guó)既有線上各種列車車體和車窗結(jié)構(gòu)承受瞬態(tài)交會(huì)壓力沖擊安全運(yùn)行極限值,新造機(jī)車車輛承受交會(huì)壓力沖擊載荷工況,不同車型、不同速度、不同線路條件列車交會(huì)與過隧道壓力波極限值。7強(qiáng)橫風(fēng)引起的橫向力和升力在強(qiáng)橫風(fēng)的作用下,列車橫向迎風(fēng)面產(chǎn)生正壓力,而背風(fēng)面產(chǎn)生負(fù)壓力,迎風(fēng)面的正壓力和背風(fēng)面的負(fù)壓力經(jīng)積分在車輛上形成氣動(dòng)橫向力,這樣,橫風(fēng)在車輛上產(chǎn)生的橫向力遠(yuǎn)大于風(fēng)壓壓強(qiáng)乘以車輛的迎風(fēng)面積,通常接近于其兩倍。在強(qiáng)橫風(fēng)作用下,高速運(yùn)行列車的空氣阻力、氣動(dòng)升力急劇增加,隨著橫風(fēng)強(qiáng)度的增大,氣動(dòng)橫向力、升力、空氣阻力均成非線性增加。強(qiáng)橫風(fēng)引起的橫向力和升力是造成整列車被吹翻、脫軌等重大意外交通運(yùn)輸事故主要和直接原因。強(qiáng)橫風(fēng)下行車安全研究?jī)?nèi)容為強(qiáng)橫風(fēng)下車輛不發(fā)生顛覆的速度限值。其技術(shù)難點(diǎn)為:需要解決列車、強(qiáng)橫風(fēng)和線路環(huán)境(擋風(fēng)墻、路堤、路塹、橋梁、地面)相互間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)問題。7.1橫向力、升力及傾覆力的計(jì)算在列車交會(huì)或強(qiáng)橫風(fēng)作用下車輛受到的氣動(dòng)力有:氣動(dòng)橫向力,由車輛迎風(fēng)面和背風(fēng)面等車體表面的分布?jí)毫驼承粤?jīng)積分合成得到;氣動(dòng)升力,由車體表面分布?jí)毫驼承粤?jīng)積分合成得到。通過研究,車輛橫向力、升力及傾覆力矩均與側(cè)向風(fēng)速的平方成正比。車輛傾覆計(jì)算關(guān)系式為DG-(12Κy+h252b22Κ)(12Ky+h252b22