第33卷第3期力學(xué)進(jìn)展VoL 33 No. 32003年8月25日ADVANCES IN MECHANICSAr高速列車空氣動力學(xué)Joseph A Schetz航空與海洋工程系,維吉尼亞工學(xué)院和州立大學(xué),布萊克斯堡,弗吉尼亞24061;E-mail: tiger@vt. edu摘要著重描述了高速列車與其它交通工具在空氣動力學(xué)方面的差異,重點(diǎn)在包括磁懸浮列車( Maglev)在內(nèi)的現(xiàn)代高速列車.這些差異與下述因素緊密相關(guān);高速列車貼近地面或軌道運(yùn)行、其長徑比遠(yuǎn)大于其它交通工具、兩列火車會擦身而過,與道旁建筑物相互干擾、常受到橫風(fēng)的干擾、通過隧道時會產(chǎn)生隧道出入口效應(yīng).本文綜述了最新的相關(guān)信息,涵蓋實(shí)驗技術(shù)和實(shí)驗結(jié)果、理論分析和數(shù)值方法關(guān)鍵詞空氣動力學(xué),地面車柄、硫懸列車03131引言相對于空氣的速度,系數(shù)A為滾動機(jī)械阻力Gawthorpe2把單位列車質(zhì)量的阻力系數(shù)A/m取為早在多年前人們就已經(jīng)開始關(guān)注列車的空氣動0.00802)N/kg,其中m為列車質(zhì)量,B1為其它力特性.盡管列車空氣動力特性和其它車輛有很多機(jī)械阻力,包括傳遞損耗和剎車阻力, Gawthorpe相似之處,但也有許多很重要的不同之處,例如,飛取B1/m為(15×10-4~2.0×10-3)N/kg,表示機(jī)氣動特性需要考慮流線型機(jī)體,而列車卻不同,它單位列車速度(m/s)所引起的單位列車質(zhì)量的阻力貼近地面或軌道運(yùn)行長徑比遠(yuǎn)大于其它交通工具、系數(shù).B2為空氣動量阻力,在列車運(yùn)行時,發(fā)動機(jī)有時貼身駛過道旁建筑物或其它列車、易受橫風(fēng)的干熱力循環(huán)、發(fā)動機(jī)冷卻和車內(nèi)空調(diào)等過程需要吸入大擾、運(yùn)行速度低,通過隧道時則會產(chǎn)生隧道出入口效量空氣,B2就與加速這些空氣所需要的能量有關(guān)應(yīng).雖然汽車和卡車也行駛于地面,且相互駛過時也 Gawthorpe2取B2/L為(0.2~0.25)kg/s,是單位列會受到橫風(fēng)影響,但是和列車相比,后者的長徑比更車長度m)、單位列車速度(m/)的阻力系數(shù),式大、時速更高本文將詳細(xì)討論上述差異以及不同之中L為列車長度,最后是外部氣動阻力,主要表示處,重點(diǎn)是現(xiàn)代高速列車的特性為系數(shù)CMuhlenberglll回顧了關(guān)于列車阻力的早期研究,引用了1910年 Schmidt在美國、1913年 StrahlCVA=1/2pVASCD(2)在德國和1927年 Mukhachev在俄國發(fā)表的公式,式中p為密度,S為列車迎風(fēng)面積,CD為阻力出了類似的公式.系數(shù)如果列車的迎風(fēng)面積為10m2而長300m,CD多年來,1926年發(fā)表的Davs公式以及后來的修正值的范圍約在1.0,對于高度流線型的列車此值小形式都一直被廣泛應(yīng)用對于露天運(yùn)行的列車,點(diǎn),對于貨點(diǎn),對于貨運(yùn)列車此值應(yīng)小于10~15.因為氣動阻這些公式的統(tǒng)一形式為力主要起因于表面摩擦阻力,表面摩擦阻力又取決于R=A+(BI+B2)V+CV雷諾數(shù)Re,所以氣動阻力正比于速度的冪方,而數(shù)略小于2.由于部分表面摩阻已包括在B2中,在其中R為列車運(yùn)動總阻力,V為列車相對靜止空氣該公式用于速度很高的情況時,根據(jù)V2推算這些阻的速度.當(dāng)環(huán)境風(fēng)比較叨顯時,以上公式可改為力就會過大R=A+ BIVG+ B2VA+CVA(1b)對于時速為(250~300km/h的流線型列車來說,總阻力的75%~80%起因于外部氣動阻力2,式中v為列車相對地面的速度,而VA為列車在這中國煤化工30%為表面摩阻,約Annual Review Fluid Mechanics惠允翻譯此文( Published with是譯者加的CNMHGFuid Mechanics關(guān)鍵詞8%~13%為車首對于車尾的壓差阻力,38%~47%力系數(shù)CD會引起30%的誤差. willemsen(外推為和轉(zhuǎn)向部件相關(guān)的干擾阻力,還有8%~20%為導(dǎo) German-Dutch高雷諾數(shù)風(fēng)洞實(shí)驗數(shù)據(jù),與全尺度結(jié)電架和其它車頂設(shè)備的阻力.顯然,如果要著手研果相比,吻合很好(誤差約10‰)究運(yùn)行速度較高的列車,比如磁懸浮列車( Meglev)對于任何一種地面車輛的風(fēng)洞和水洞實(shí)驗來或其它新概念列車,外部氣動阻力應(yīng)是主要考慮對說,最具有挑戰(zhàn)性的問題是恰當(dāng)?shù)啬M地面或車軌產(chǎn)生的重要影響在最簡單的實(shí)際情況下,地面和風(fēng)是引言部分僅考慮無風(fēng)露天以及單個列車水平方靜止的,而車輛是運(yùn)動的而在風(fēng)洞或水洞中地面和向運(yùn)行這些簡單情況下的氣動阻力下面將對更復(fù)雜車輛模型是靜止的,空氣(或水)是運(yùn)動的以上2種的情況進(jìn)行探討:(1)風(fēng),特別是橫風(fēng);(2)隧道內(nèi)情況下的最終流場是不同的,來自與 ONERA(Oe運(yùn)行(3)列車相互駛過或駛過站臺建筑物()氣動 National d' Etudes et de Recherches aerospatial)噪音,或者上述因素的綜合影響最后一章將介紹磁流場顯示動畫證實(shí)了這一事實(shí).人們做了很多努力懸浮列車引起的一些特殊問題.本文還引述了升力以模擬這些影響,比如應(yīng)用抽吸技術(shù)或者使用鏡面?zhèn)认蛄?、力矩和流場分布等?nèi)容在每一章中,首先給對稱布置的雙模型去除壁面邊界層,但是迄今為止出全尺度列車或?qū)嶒炇页叨攘熊嚹Ｐ偷膶?shí)驗資料,然最令人滿意的方法是用傳送帶拖動風(fēng)洞壁面技術(shù)后是簡化理論分析和復(fù)雜的CFD模型介紹傳送帶的速度要和風(fēng)洞的氣流速度匹配,和汽車模2沒有橫風(fēng)時的單行列車型實(shí)驗相比,對高速列車實(shí)驗來說這種技術(shù)更具有挑戰(zhàn)性. Baker和 Brockie的報告指出,不同類型的風(fēng)洞地面模擬方法會引起不大于10%的阻力誤21實(shí)驗數(shù)據(jù)上節(jié)引用的阻力計算公式都是根據(jù)全尺度車軌是很重要的差,對升力的影響將更大,而對磁懸浮列車來說升力實(shí)驗數(shù)據(jù)與亞尺度風(fēng)洞、水澗、實(shí)驗水池或?qū)嶒炣囓壱苍S有人會問應(yīng)用哪類風(fēng)洞有利于得到高速列實(shí)驗數(shù)據(jù)綜合所得全尺度車軌實(shí)驗數(shù)據(jù)比較受歡車空氣動力特性的可靠結(jié)果呢?在 Saint-Cyr氣動迎,因為這可以避免尺度問題以及下面將提到的其它重要因素的影響測力車廂和列車整合在一起,以的sNcm( Societe National des Chemins de技術(shù)學(xué)nicas)22m×175mx15m安裝有地面?zhèn)魉蛶П銣y量列車各部件上的阻力從總阻力值減去機(jī)械阻的風(fēng)潤可供參考剛!據(jù) guihenL'的報告稱,應(yīng)用這力就可得到氣動阻力2,而測量列車總阻力時常應(yīng)設(shè)備,法國的高速列車TGV的模型實(shí)驗和全尺度用和測量汽車總阻力相近的慣性運(yùn)行技術(shù) coasting慣性運(yùn)行實(shí)驗( (coasting test)的結(jié)果吻合良好technique)9.全尺度實(shí)驗除費(fèi)用很高以外,還有其它問題,其中最棘手的問題是環(huán)境風(fēng)的影響,特別是上述的地面影響可采用使實(shí)驗車輛在軌道上運(yùn)橫風(fēng),因為它對氣動阻力影響很嚴(yán)重行的方法來減輕一些. Hamburg船舶學(xué)院在船模實(shí)鑒于全尺度實(shí)驗中的問題,大部分高速列車驗水池中進(jìn)行的實(shí)驗,是在此水池的底面上牽引一個氣動力特性研究是應(yīng)用亞尺度模型在實(shí)驗設(shè)備上進(jìn)倒裝實(shí)驗?zāi)Ｐ?并得到了很理想的結(jié)果.很顯然,在行的在某些情況下,流動條件是可以控制的,但也此實(shí)驗中必須要避免氣穴現(xiàn)象( cavitation)的影響會引起一系列嚴(yán)重問題首先和進(jìn)行任何車輛的亞英國的鐵道研究所開發(fā)了一種新式實(shí)驗設(shè)備,尺度模型氣動實(shí)驗一樣,必須注意模型的縮比尺度如圖1所示,模型比例為1/25,軌道總長136m,實(shí)要恰當(dāng).理想情況下模型的雷諾數(shù)He和馬赫數(shù)M驗?zāi)Ｐ偷耐七M(jìn)系統(tǒng)是橡皮發(fā)射器,制動系統(tǒng)包括活塞都要和全尺度車輛相匹配例如在全尺度情況下,缸、活塞、鋼纜和制動鉤,其中活塞和制動鉤通過鋼馬赫數(shù)為M<02,如果不考慮波傳播現(xiàn)象或它的作纜連接,用于實(shí)驗?zāi)Ｐ偷竭_(dá)軌道終點(diǎn)時的制動用并不重要,那么模型的馬赫數(shù)也只能是M<0.2;為了研究橫風(fēng)、隧道出入口及其它物理現(xiàn)象的影再如,假設(shè)相對于列車的氣流速度對模型和全尺度響,建造了一些特殊實(shí)驗設(shè)備,本文將在后面討論列車來說是近似相同的,那么,實(shí)驗室的雷諾數(shù)Re對于各種阻力成分的實(shí)驗研究,這里首先考慮列就會明顯地遠(yuǎn)小于全尺度車輛的雷諾數(shù)Re兩者的車車頭和車尾截面上的壓差阻力詳細(xì)的研究121比例等于模型與原型的尺度比這個問題是所有車輛表明,如果模型沒有銳邊,大量細(xì)長實(shí)驗?zāi)Ｐ蜏y得的模型實(shí)驗都要遇到的,但對列車來說這個問題更為的壓差阻力沒有明顯差異圖2給出了典型的風(fēng)洞重要因為列車很長列車的模型實(shí)驗存在許多特殊實(shí)驗壓力分布曲線和無黏面元方法( (inviscid panel問題,因其存在一些小尺度的產(chǎn)生阻力的重要阻力構(gòu) method)預(yù)測曲線的比較.壓差阻力對列車總阻力的件,如轉(zhuǎn)向器、導(dǎo)電架和車廂間的間隔等.目前認(rèn)為頁獻(xiàn)很小而目形阻多由車底動來控制而不是由列實(shí)驗?zāi)Ｐ偷某叨戎辽賾?yīng)是原型的1/103. Baker和車中國煤化工頭和車尾的形狀對Broe指出由模型實(shí)驗數(shù)據(jù)推算全尺度車輛的阻列CNMHG,高速列車總是設(shè)405模型橡皮發(fā)射器加速車架制動管組制動鉤圖1英國鐵道研究所研制的動模型實(shí)驗設(shè)備(來自于So1,援授權(quán)再版350400450計算實(shí)驗2003004005006007003002001000圖2車頭模型上壓力分布測量和計算結(jié)果[2,1習(xí)計為可以雙向行駛的,牽引車廂和尾廂相同,因此車齊的門窗、細(xì)心設(shè)計車廂間隙結(jié)構(gòu)和車底的機(jī)件.車頭和車尾的形狀可以假定一樣車尾的形狀更是無關(guān)體的氣動設(shè)計是一個值得不斷關(guān)注的領(lǐng)域7.據(jù)報大局,原因是列車運(yùn)行時,車尾深浸在沿車身發(fā)展的導(dǎo),通過在車頭、車裙、車底、轉(zhuǎn)向架以及內(nèi)嵌構(gòu)架個厚的湍流邊界層里上安裝整流器,可以把作用在這些機(jī)件上的氣動阻力下面我們將考慮湍流邊界層及其對列車總阻力降低約20%的影響.流場數(shù)據(jù)表明,Cf(Cr≡Tv/(1/2pv2),其對高速電力列車來說,導(dǎo)電架的氣動力學(xué)是一個中u為壁面剪應(yīng)力的范圍高達(dá)000低至00較為重要的問題因為升力影響到導(dǎo)電架和電力線的因為列車周圍的流動是三維的系數(shù)沿車身及其周邊變化很大. Baker和 Brockie14推薦此系數(shù)的△SNCF(法國國營鐵路公司)帶UIC車廂的火車值在0002-000之間. Sockel給出沿不同車體日日本電氣列車的邊界層厚度(6)的值(圖3,由圖3可知,邊界層位5oDB帶Avim車廂的車頭103移厚度(6)的范圍是6/8~6/12. Baker等對安裝在動軌道上的列車模型實(shí)驗測量,得到了邊界層的剖面,他們的報告指出邊界層的形狀因子(H=6’/6,其中θ為動量厚度)沿車身長度方向保持為一個稍大△于10的常數(shù). Parado等在風(fēng)洞中通過傳送帶上的模型實(shí)驗給出了沿車頂?shù)倪吔鐚悠拭婧蚑G0.0406080100120140模型后橫截面上的速度分布,結(jié)果見圖4第一節(jié)提及諸如轉(zhuǎn)向器、導(dǎo)電架等部件對總阻力都有所貢獻(xiàn),對此值得特別注意所有的現(xiàn)代高速列中國煤化工的邊界層厚度測量結(jié)果車都應(yīng)用了以下氣動優(yōu)化措施,比如光滑的車身、平CNMHG406力問題.最佳效果是應(yīng)用升力處于中性狀態(tài)的導(dǎo)電架.代表性的工作有 Althammer[8的研究.應(yīng)用整流器可使阻力減少約50%,而伸縮式導(dǎo)電架可使其阻力減少約90%同應(yīng)用內(nèi)燃機(jī)推進(jìn)的高速列車涉及更特殊的氣動問題,其中包括吸氣排氣和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計,這一領(lǐng)域的技術(shù)也是諸如汽車等非鐵道領(lǐng)域的研究范圍.吸氣部分的設(shè)計受到列車雙向運(yùn)行需要的限制,為了o E+-#H避免排氣被再次吸入,進(jìn)氣道一般布置在車底或兩0.00.20.60.8側(cè),而排氣道布置在車頂,這種布置方案也有助于防U/Vr止吸入雨水、灰塵、碎渣,也可以降低排氣噪音和污a)x=4407mm處車頂邊界層外形染等.當(dāng)時速超過約150km/h,人們發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣道不能放在距車頭15倍車寬范圍內(nèi),也不能放在車頂?shù)墓战菂^(qū)分析研究結(jié)果主要來自于兩類分析,第一類包括前節(jié)描述的那些簡單參數(shù)相關(guān)關(guān)系,第二類基于計算機(jī)處理,包括應(yīng)用無黏方法,或者是應(yīng)用了湍流、Reynods平均Ns方程(RANS)的復(fù)雜的CFD分析,基于數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系的阻力分析,其阻力系數(shù)CD10001可表示為1(b)車尾300mm后尾流截面速度CD=CDL CB+Ar(lT-lL)/AL/2(3)其中CDL為牽引車或火車頭的阻力系數(shù);CB為列圖4在風(fēng)洞中測量到的TGV模型附近的速度分布車尾部阻力系數(shù);為車身摩擦阻力系數(shù),包括轉(zhuǎn)(來自于 Parado等(1,鐵道技術(shù)研究所授權(quán))向器、車輪、車廂連接部和底面的阻力影響;l和lx分別是列車全長和牽引車部分的長度. Cockell接觸力,所以不僅要考慮它的氣動阻力,還要考慮升匯總了這些參數(shù)的典型數(shù)據(jù)值,其值見表1表1列車阻力和摩擦系數(shù)1IT IL CuAPT-P20HST2,110.110.0192MKI常規(guī)旅客列車2001180%載客量6.5Shinkansen 2000.062421.5224.50200160ICE102115200.120.200125a,APTP,高級旅客列車;HST,高速列車;ICE,城際快車b.星號表示估計值最簡單的應(yīng)用計算機(jī)分析的方法是無黏面元方?jīng)r下,基于無黏面元方法的CFD分析結(jié)果和實(shí)驗的法,在圖2中已給出此類結(jié)果和實(shí)驗結(jié)果的比較兩壓力數(shù)據(jù)是吻合的四2種結(jié)果的符合程度還是不錯的.但是在有橫風(fēng)情況下RAPIDE項目涉及了CFD計算、模型實(shí)驗的吻合情況就急劇惡化另外,這種無黏面元方法不和全尺度實(shí)驗的驗證. Matschke等2給出了運(yùn)行能分析黏性阻力,而黏性阻力對流線型和高r/42時速達(dá)280km/h總長205m的城際快運(yùn)列車(ICE值的高速列車來說,是非常重要的.應(yīng)用黏性CFD2, Inter City Express)的一些很有意義的近期分析結(jié)程序研究鐵道空氣動力學(xué)是從20世紀(jì)80年代初期果開始興起的21. Gaylard的文章回顧了19年以前3中國煤化工影序的CFD研究由包括風(fēng)洞實(shí)驗驗的關(guān)于列車的CFD研究,并且指出在沒有橫風(fēng)的情證,CNMHG(a尾車的壓力分有和沉線圖y(b)牽引車廂的水平速度分量計算結(jié)果(c)牽引車廂的水平速度分量測量結(jié)果圖5列車1CE2流場計算(來自于 Dutschke等2習(xí),wwR9,鐵道技術(shù)研究所授權(quán))3橫風(fēng)效應(yīng)約為10%,在大風(fēng)天氣里,如果橫風(fēng)按照BSF(Beaufort Scale Force)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)力為8級,則會引起氣動阻橫鳳對列車空氣動力特性有很多重要的影響也力增加約50%. Peter[的結(jié)論認(rèn)為,如果列車運(yùn)行許有人會認(rèn)為,如果提高現(xiàn)代高速列車的運(yùn)行時速就時速為(250~300)km/h,風(fēng)速15m/s,在迎風(fēng)角為可以減小給定橫風(fēng)分量時相對應(yīng)的實(shí)際偏航角,從而30°最惡劣的情況下,將會增加60%的氣動阻力可以減小橫風(fēng)的影響然而實(shí)際情況并非如此,實(shí)現(xiàn)橫風(fēng)不僅對氣動阻力,而且對升力、側(cè)向力和氣現(xiàn)代列車的高速運(yùn)行,必須通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計和提高動轉(zhuǎn)矩都有影響,而這些參數(shù)對列車穩(wěn)定性評估都材質(zhì)來盡可能地減輕列車的自身重量,這一些措施的是很重要的最近人們對這一課題的興趣越來越濃,最終結(jié)果是加大了橫風(fēng)的影響Hine和 Matschkel2把沒有動力、輕質(zhì)、高速的車橫風(fēng)最直接的作用是對氣動陽力的影響橫風(fēng)速輛安裝在列車牽引位置上,實(shí)驗表明由于強(qiáng)風(fēng)作用而度和列車運(yùn)行速度合成即形成偏航角,對于現(xiàn)代列使迎風(fēng)側(cè)車輪卸載而列車在離開隧道時遇到強(qiáng)風(fēng)將車來說,在B<30°的情況下,偏航角和阻力系數(shù)之使列車陷入類似的特別惡劣的運(yùn)行環(huán)境間的簡單相關(guān)關(guān)系由文獻(xiàn)24給出31實(shí)驗數(shù)據(jù)CD(6)=CD(0)(1+0.02)Gawthorpe2估計,和列車以時速150km/h在無風(fēng)中國煤化工尺度實(shí)驗得到,盡管這天氣里運(yùn)行相比,日平均橫風(fēng)力引起的氣動阻力增加CNMHGHeine和 Matschke(果.圖6給出了在不同列車外形軌道基礎(chǔ)和噪音隔離棚情況下的翻轉(zhuǎn)力道施加的慣性力時存在困難27Baker和 Humpherys曾試圖就各種風(fēng)洞模擬過程對模型氣動力的影響得出-些結(jié)論,但是他們只研究了具有棱邊形的列車模型.他們首先得到的結(jié)論是:橫風(fēng)對地面車輛的平均側(cè)向力系數(shù)對風(fēng)澗模擬的種類并不敏感,而圓角化的車輛將顯示出對Re數(shù)更大的依賴度.另一方面, Baker和 Humpherys發(fā)0040心|■開放式道堤現(xiàn)升力系數(shù)非常依賴于實(shí)驗布置和實(shí)驗條件,并推薦噪音隔離柵應(yīng)用高Re數(shù)和移動模型在列車穩(wěn)定性研究中氣動轉(zhuǎn)矩是一個有意義的問題,人們發(fā)現(xiàn)它主要由側(cè)向力引起,而升力的貢獻(xiàn)圖6不同風(fēng)速和不同道旁布置條件下列車 InterRegio氣很小.對于高速列車的設(shè)計,轉(zhuǎn)矩隨偏航角的變化關(guān)動轉(zhuǎn)矩來自于 Heine和 Matschkel20,系由圖7給出,牽引車廂上的壓力分布產(chǎn)生對轉(zhuǎn)矩TRANSs測果協(xié)會授權(quán))的影響比后續(xù)車廂大.在偏航角<45°時,轉(zhuǎn)矩與偏航角呈線性遞增關(guān)系,而偏航角>45°后轉(zhuǎn)矩就為在實(shí)驗室內(nèi)試驗,使得特殊運(yùn)行條件可以重復(fù)操一個定值作,易于測量,但也會引起模型尺度和相似條件的嚴(yán)風(fēng)洞實(shí)驗結(jié)果可以用來為列車在橫風(fēng)中運(yùn)行設(shè)重問題例如,在風(fēng)洞中具有偏航角的長模型引起的定上限82.但Pee2以及 Baker和Hum氣流滯塞作用明顯增大.另外,應(yīng)用傳送帶技術(shù)模擬 theres③s指出在應(yīng)用沒有考慮大氣湍流影響的實(shí)地面作用,傳送帶是否也象模型那樣需要有一個偏轉(zhuǎn)驗數(shù)據(jù)時要加倍小心角?這些考慮會引起機(jī)械裝置的復(fù)雜性,而且傳送帶露出的外緣也會帶來干擾.實(shí)際上,如要模擬地面的關(guān)于橫風(fēng)對列車的總體影響研究正在進(jìn)行,包括問題就來自于軌道基礎(chǔ)和支架列車可能運(yùn)行在9°橫風(fēng)影響的各種方法還有通過柵欄來減少影響2,問題是相當(dāng)復(fù)雜的,因為最棘手的橫風(fēng)作用的橫風(fēng)中,此時有效偏航角相對運(yùn)行方向為40°,這橫風(fēng)的影響并不局限于列車主體的氣動特性.如就要求風(fēng)洞實(shí)驗時模型應(yīng)有40°的偏航角相隨而來對電動列車來說橫風(fēng)可能導(dǎo)致車頂導(dǎo)電線路或列車的問題是軌道受90°的橫風(fēng)干涉,而實(shí)驗中卻象列車導(dǎo)電架的故障②.故障的原因通常是橫風(fēng)施加給縮樣只設(shè)了40°的偏航角另一個問題是在實(shí)驗室尺放儀的升力增加了,導(dǎo)電架上升從而脫離供電線路度下適當(dāng)?shù)啬M大氣邊界層在建筑物風(fēng)載研究中就有人關(guān)注了這一問題, Cooper2也給出了他在做地面車輛實(shí)驗時得到的相關(guān)數(shù)據(jù)鑒于這些考慮,風(fēng)只有牽引車洞實(shí)驗趨向2個方面:其一是在風(fēng)洞中把相對較大尺度并有偏航角的模型放在抬高的周定的底板上,這一方法可以合理模擬雷諾數(shù)Re,但是不能體現(xiàn)移0.3后續(xù)車廂動地面效應(yīng)和大氣邊界層的作用;其二是把小尺度模型放在固定地板上,使其暴露在精心設(shè)計的大氣邊界層內(nèi)對于橫風(fēng)的關(guān)注和研究主要集中在非穩(wěn)定陣風(fēng)上, Bearman和 Mullarkey2在風(fēng)洞實(shí)驗中使用襟翼來產(chǎn)生陣風(fēng), Dominy和 Docto(在開式風(fēng)洞( open-throat wind tunnel)中應(yīng)用橫向噴射器產(chǎn)生陣0102030405060708090風(fēng).以上2個研究組都是做公路車輛實(shí)驗的偏航角/(°)所有這些考慮引發(fā)了眾多移動模型實(shí)驗方案7在橫向風(fēng)作用下列車的氣動轉(zhuǎn)矩特征(來自于圖1已描述其中一例,也已提及了船模水池中進(jìn)行Gawthorpe27, Elsevier Science授權(quán))的列車模型實(shí)驗.主要想法是在風(fēng)洞中,把實(shí)驗?zāi)Ｐ脱氐孛孳壍腊l(fā)射,以便模擬流動的大氣邊界層.地面風(fēng)洞實(shí)驗表明,存在2個偏航角區(qū),可通過列車效應(yīng)和橫風(fēng)也可通過移動模型實(shí)驗來模擬.當(dāng)然,這背風(fēng)面的渦流型來區(qū)分.當(dāng)偏航角<45°時,就會形些實(shí)驗也帶來了新的問題,比如為了保證列車模型成能平穩(wěn)運(yùn)行就需要實(shí)驗軌道足夠光滑、精確安裝.另中國煤化工現(xiàn)的現(xiàn)象相類似的外,模型的載荷平衡間題也使得在區(qū)分氣動載荷與軌后CNMHG地面邊界層脫落,然角大于60°后,背風(fēng)面的流場就類似于橫風(fēng)中圓柱體后的流場.如果偏航驗中,把偏航角為60°的模型安裝在地板上,通過油角在45°和60°之間,背風(fēng)面的流場就在以上兩種流顯示得到了列車背風(fēng)面的流型,圖8給出了這些模式之間變化7.192年Cin和Sque在風(fēng)洞實(shí)結(jié)果流動方向流動方向開式分離截面IIS一截面II截面Iva)表面流線圖截面I截面Il截面IIl截面IV截面V(b)尾跡的軸向發(fā)展圖8列車在橫向風(fēng)中的尾跡渦(來自于Chiu和 Squire[37), Elsevier Science授權(quán))32分析計算結(jié)果與實(shí)驗數(shù)據(jù)比較的詳細(xì)資料可見 Copley③8上一節(jié)的式(4)給出一個簡單的典型數(shù)據(jù)關(guān)和Chin的文章系自上一世紀(jì)90年代初期以來,基于RANS控制Copley應(yīng)用面元法( panel method)來分析偏方程和ke湍流模型的現(xiàn)代CFD計算方法已經(jīng)應(yīng)用航運(yùn)行的列車模型,并給出了與風(fēng)洞研究的比較結(jié)到包括橫風(fēng)的列車氣動問題的研究中.早期二維近似果.在現(xiàn)代設(shè)計的具有25°偏航角的車頭附近,三維的研究工作對于較大偏航角的情況比如90°來說面元法可以給出不錯的流場預(yù)報,因為此時流動幾乎人們認(rèn)為有一定的有效性21沒有分離,尾跡流的影響也很弱.對偏航角更大或在基于RANS和重整化群理論kε湍流模型的沿車體更遠(yuǎn)的部位,背風(fēng)面的流動分離現(xiàn)象必須要考 TRANSAERO程序,.包含了風(fēng)洞實(shí)驗和全尺度模慮并加以模擬.對于這些問題模擬計算,應(yīng)用面元法型實(shí)驗數(shù)據(jù),可用來研究列車空氣動力特性,其中包是很困難的,除非通過實(shí)驗或邊界層分離計算等方括橫風(fēng)的影響研究.這一CFD程序應(yīng)用了近8×10°法得到流場分離的位置并應(yīng)用到面元法計算中.偏中國煤化工3種方法研究得到的航角很大的情況下,二維模型就可以成功模擬沿車體離開車頭較遠(yuǎn)區(qū)域的流場.關(guān)于面元分析法以及人 CNMHG應(yīng)用移動模型和靜止力損失(△Ps)Now=k(1/2p1.2(APs)Tail=kr(1/2pVaail annulus) (6)a.o00靜態(tài)模型風(fēng)洞實(shí)驗注意對于長列車來說,在車頭和車尾2處,車體與隧梓動型實(shí)驗道之問環(huán)面上的速度通常是不同的. hardy446給倉民度實(shí)驗出這些系數(shù)的估計值,對于流線化的車頭,kN約FD計算01或小一點(diǎn),而kr≤R2. Gaillard4認(rèn)為和運(yùn)行在露天相比,列車在隧道中運(yùn)行時表面摩阻系數(shù)因子增長為(1+221R,然而, vardy4.4指出這個因圖9關(guān)于全尺度和亞尺度、行使和靜止的列車側(cè)向力和轉(zhuǎn)矩子很難確定.據(jù) Vardy估計,對于典型情況摩阻和車測量結(jié)果以及雷諾平均NS方程CFD計算結(jié)果的比較(來自于 Matschke等40,鐵道技術(shù)研究所授權(quán))頭車尾壓差阻力的比值約為55Gawthorpe等47利用類似的公式估算了隧道長度、阻塞率和車體形狀對阻力的影響. Sockelllll給出4列車—隧道效應(yīng)了限于長隧道流線形車體的結(jié)果,但包含了列車加速度和周邊空氣的影響作用.比值T=CD/CD(0)隨高速列車的鐵路涉及到越來越多的隧道,其原因著車長的增加而減小,但在通常的阻塞率R=01有多種其中包括:(1)在人口密度高的區(qū)域有環(huán)境02范圍內(nèi),2與隧道長度和列車速度沒有關(guān)系,方面的考慮;(2)不斷增長的閑置平整地面的匱乏問這與全尺度實(shí)驗結(jié)果相吻合2題;(3)高速運(yùn)行要求車軌更直高速列車在隧道中4,2列車-隧道中的壓力波運(yùn)行涉及到的空氣動力學(xué)問題,體現(xiàn)在2個相互依當(dāng)列車通過隧道時,將產(chǎn)生一系列的壓縮波和膨賴的現(xiàn)象中,即壓力波的形成和阻力的增加·在長隧脹波,并以近似聲速的速度沿隧道傳播.這些波在隧道中,阻力增加是主要的,而對于較短的隧道,在其道進(jìn)出口區(qū)域?qū)α熊嚭统丝鸵鹨恍﹩栴}人們認(rèn)為入口和出口的脈沖壓力則引起了更多問題可以容忍的壓力變化范圍應(yīng)在(1~4)kPa之間,脈41隧道中的氣動阻力寬為(4~10)s,而現(xiàn)代高速列車運(yùn)行都通近這些極限(.壓力波增加了列車結(jié)構(gòu)的負(fù)載,同時,如前隧道中列車的氣動阻力能相當(dāng)多地超過同一列文所述,壓力場還會影響氣動阻力車在露天運(yùn)行時的阻力,這主要依賴于列車在隧道中的阻塞率R( blockage ratio)、隧道和列車的長度、圖10給出的單列ICE列車在雙軌隧道中運(yùn)行車頭和車尾的形狀、空氣柱的存在、隧道橫向連接結(jié)時的壓力-時間曲線,可以用來分析一些問題.此壓力-時間曲線顯然描述了一個非常復(fù)雜的波動過構(gòu)、隧道壁面的粗糙度、列車的粗糙度以及在隧道中程,其中包括了利用圖1所示實(shí)驗設(shè)備得到的125是否有其它列車同時存在關(guān)于列車在隧道中的空氣模型實(shí)驗數(shù)據(jù)和全尺度實(shí)驗數(shù)據(jù),而且很容易看到這動力特性的實(shí)驗研究,可以在全尺度(Mtuo4和Ⅴardy& Heinkel2)或?qū)嶒炇夷Ｐ统叨葪l件下進(jìn)行,些結(jié)果吻合得很好(ΔP在6%之內(nèi))圖11給出一典可以應(yīng)用圖2所示的實(shí)驗設(shè)備o或較新的移動模型的計算結(jié)果,這將在下文詳細(xì)論述,它很有助于理型設(shè)備,后者可以以高達(dá)500km/h時速發(fā)射實(shí)驗?zāi)＝膺@類復(fù)雜流動的主要特征.圖11a)為xt曲線型圖11(b)為離開車頭20%車長處某點(diǎn)上的超壓-時間曲線(△P-t).首先,當(dāng)列車駛進(jìn)隧道時,頭部產(chǎn)與其它車輛類似列車阻力是壓阻和表面摩阻的生一個壓縮波,此壓縮波到達(dá)隧道出口時反射回來一合力,但是跟在露天中運(yùn)行相比,在隧道中運(yùn)行時這個膨脹波當(dāng)列車尾部也進(jìn)入隧道時,產(chǎn)生一個膨脹2類阻力的值會有所改變在隧道的入口和出口產(chǎn)生波,并在出口反射一個壓縮波由圖10可見最大的很強(qiáng)的壓力波,在隧道內(nèi)的水平壓力梯度沿列車發(fā)壓力脈沖發(fā)生在隧道中部(圖中用AB標(biāo)記,這是由展.列車周圍的流場很明顯地改變了,特別是在車頭于頭部和尾部的反射波之間復(fù)雜的相互作用、車頭附下游或尾部的任何分離區(qū)都會受到影響,從而影響頭近壓力變化以及車身周邊摩擦作用等原因形成的隧部和尾部阻力道氣柱可以減小此壓力脈沖的強(qiáng)度0列車在隧道內(nèi)運(yùn)行的氣動總阻力通常表示為頭現(xiàn)分析一下這些復(fù)雜的流動現(xiàn)象此類流動問題部損失系數(shù)kN和尾部損失系數(shù)k的函數(shù)4,其通中kN代表頭部滯止壓力損失,h代表尾部滯止壓煩中國煤化工其分析是很困難和一某些主要特征可以應(yīng)CNMHG40(1.6)E名區(qū)1275(5.1)215(86)A壓線一)襪型長圖10列車通過隧道過程中壓力歷史的全尺度測量和1:25模型尺度測量的比較(來自于Pope, BHR Group Ltd授權(quán))用理想化模型來預(yù)測1.很多學(xué)者應(yīng)用了一維非定A BCD EFGH常等熵流.對隧道入口壓縮波引起的壓升,圖121000.0比較了全尺度測量和理想化模型預(yù)測的結(jié)果.日20000下面的分析假設(shè)流動是一維、非定常、絕熱、可壓縮流隧道和列車的壁面摩擦作用則根據(jù)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)假4000.0設(shè)在動量方程中考慮,列車壁面所做的功放在能量方5000.00016.032.048.064080.0960112.0程中由此所得到的雙曲型偏微分方程可以應(yīng)用特征時間/s線法來求解,文獻(xiàn)(1有更詳細(xì)的討論]圖11給(a)車尾軌跡和波的傳播線出應(yīng)用這一方法得到的結(jié)果在此流動過程的初期,瞬態(tài)壓力通常吻合得非常好,但是隨著時間的延續(xù),這一理論就低估了壓力波的衰減效應(yīng),原因可能是非定常摩擦、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)邊界條件假設(shè)、忽略傳熱、和/或40o假設(shè)列車和隧道壁面是多孔的有幾位學(xué)者已經(jīng)應(yīng)用了三維非定常Euer方程30位置,車頭20m后來求解列車/隧道問題25.圖13對CFD計算和0.016.032.048.064.0800960112.0模型實(shí)驗得到的壓力系數(shù)-時間曲線作比較是不錯時間/sb)車頭20m后一點(diǎn)的壓力歷史曲線,R=0.363對于隧道中沿高速列車產(chǎn)生的非定常流場,已圖11列車通過隨道過程壓力計算值(來自于 Schulte經(jīng)有幾個大尺度 RANS CFD研究,這類流動會引起Socket4y, Addison Wesley Longman授權(quán))中國煤化工k應(yīng)用了標(biāo)記單元方法)、三維非定?？蒀NMH氣列車在隧道和露天運(yùn)412行時的流動過程.他使用了198×10個網(wǎng)格點(diǎn)和道內(nèi)的流場.圖14給出了沿列車側(cè)面的瞬態(tài)渦量分176×10°萬個網(wǎng)格點(diǎn)分別計算露天部分的流場和隧布圖,可以看出隧道內(nèi)流動的非定常性是很嚴(yán)重的5列車型號1(R=01m)TGFo3D/ DEXTOP N. A=0.266運(yùn)行的壓力系數(shù)比較BA3=30II(R=0.203)口Iv(R=0.159)Tg- tlo 3D:V/kmh-時間/s圖12列車進(jìn)入隧道后壓升,傘尺度測量和簡單一維非定常計圖13列車通過隧道時的瞬態(tài)壓力,模型尺度測量結(jié)果和三維算結(jié)果比較(來自于 Matsuo等1,BHR集團(tuán)公司非定常 Euler方程數(shù)值計算結(jié)果的比較(來自于Gre授權(quán))gorie等2),BHR集團(tuán)公司授權(quán))a)露天運(yùn)行的列車(b)隧道中運(yùn)行的列車,從隧道中心君(c)隧道中運(yùn)行的列車,從隧道側(cè)壁看圖14列車 Shinkansen側(cè)面渦的計算結(jié)果(來自于 Suzuk54, M Suzuki授權(quán))40%555列車與列車之間以及列車與道旁列車行駛引起的滑流( slipstream)風(fēng)力會引起嚴(yán)建筑物的相互作用重的道旁問題,它引起的高度紊流可能危及站臺上的乘客、小貨車、行李及包裹等.在第3節(jié)已經(jīng)討論過,列車誘導(dǎo)的流場的主要特征是背風(fēng)面的強(qiáng)烈渦當(dāng)單一列車在空氣中駛過,它會誘導(dǎo)一個復(fù)雜的旋環(huán)境風(fēng)的變化引起的非定常作用會進(jìn)一步惡化上流場這就意味著道旁建筑物或過行的其它列車上的述高度非均勻的流場現(xiàn)代高速列車設(shè)計中比較典型流場對這一列車來說是很重要的,這是不同于其它車的車頭是細(xì)長的,它和鈍形車頭相比,可以減輕車頭輛的原因是列車運(yùn)行時往往和道旁建筑物或其它列引起的陣風(fēng)和平均滑流( slipstream)速度.然而,車車距離非常近.下文討論這些問題尾的改進(jìn)設(shè)計會使得尾流變窄和集中,從而引起尾流51實(shí)驗研究陣風(fēng)加強(qiáng).滑流( slipstream)速度直接隨著車速的變車頭和車尾駛過后將依次引起靜壓的擾動壓力化而改變,而很強(qiáng)地依賴列車外形. Penwarden峰值的大小和橫向衰減率是重要的研究對象部分來認(rèn)為風(fēng)速大于20m/時會危及人類. Montagne2自于 Tsuzuku等人的全尺度實(shí)驗數(shù)據(jù)在圖15中在軌道旁安裝了圓柱體來近似人體,當(dāng)TGV列車通給出,可以很清楚地看出車頭形狀和橫截面面積的影過時測量發(fā)現(xiàn)在車尾駛過后較大的風(fēng)力可達(dá)到側(cè)向響是很大的.壓力峰值依賴車速的平方.需要重點(diǎn)指距離18m處出的是壓力的改變率是很大的(壓力脈沖的時間尺度其次,列車駛過另一列停站或者同向或逆向行駛按比例取決于車頭通過所需要的時間),這會引起沖的列車時,在行駛中的列車旁測得的壓力脈沖很強(qiáng)地?fù)糨d荷,給諸如車囪等物件帶來許多問題.這種壓力依現(xiàn)象使得在道旁架設(shè)噪音隔離柵是很必要的,車速在過YH中國煤化工的距離,這和列車駛車駛過速度較慢的450km/h時,這些隔離柵可以把壓力的峰值減小約傳CNMHG慮, RAPIDE計劃正在研究這類情況2綱的壓力系數(shù)給出,這些值兒乎是速度的線性函數(shù)最近 Komatsu和 Yamada給出了關(guān)于高速列因而,壓力脈沖絕對值既是車速平方的函數(shù),也是車車的一套全尺度實(shí)驗數(shù)據(jù), Komatsu和 Yamada.應(yīng)頭形狀的函數(shù).側(cè)向加速度為車速平方的函數(shù),其幅用一輛 Shinkansen系列300列車(見圖15(a),以值是很大的很高的相對速度駛過同類列車和駛過其它高速列車文章中給出的大部分?jǐn)?shù)據(jù)來自于全尺度實(shí)驗,時,測得了壓力瞬態(tài)值和側(cè)向加速度.圖16中給出模型尺度的列車行駛實(shí)驗結(jié)果也常見圖1所示了部分結(jié)果壓力峰值的正偏移量和負(fù)偏移量以無量備就很適合這種研究,在 Johnson和Dll明的文系列車頭形狀截面圖側(cè)面圖截面積(m2)車頭長度(m)圓形16.0OX尖頭形6.0700流線型109300斜面型11.2300X車速350km/h,其它車速270kn/h2300X(尖頭離開車體側(cè)面的距離/m圖15高速列車通過隧道時引起的壓力彼全尺度測量(來自于 Tsuzuki等5, WCRR'S9提供,鐵道技術(shù)研究所授權(quán)系列1000.15·系列300▲系列100系列700●系列300a300系列7000.00a300X0.15開列車時速/kmh-1(a)壓力峰值-速度cr H中國煤化工度CNMHG章里可以找到利用此設(shè)備所做的一些最新研究工時的數(shù)據(jù)吻合得很好. Matschle等指出較長的車頭作和較寬的軌道間距能得到吻合的數(shù)據(jù),因為這種情況現(xiàn)在討論列車同時在隧道中運(yùn)行時的一些重要可以避免流動分離現(xiàn)象問題.由于隧道中列車之間的相互作用非常依賴于進(jìn)一步的分析涉及到應(yīng)用三維 Euler控制方程兩車進(jìn)入隧道的相對時間,所以這種情形很復(fù)雜例組的數(shù)值模擬. Pahlkel的文章給出了相關(guān)數(shù)值如,進(jìn)入時間改變僅4s就能使最強(qiáng)的壓力變化加倍模擬的一個具有代表性的算例. Pahokee詳細(xì)討( Vardy和 Anandarajah).在所有相關(guān)參數(shù)和變量論了列車隧道問題相關(guān)數(shù)值計算的精度要求和應(yīng)用中,不可能選擇一個有代表性的典型數(shù)據(jù). Johnson問題.例如在露天運(yùn)行典型的列車駛過問題的算例和 Dalley應(yīng)用ETR500列車模型所做的模型尺度中,壓力信號變化僅是滯止壓力的±10%左右而跨實(shí)驗中,一列列車停在隧道入口附近而另一列列車駛音速飛機(jī)的特征壓力變化約為滯止壓力的10%量過,測到的壓力脈沖隨車速的平方、車頭形狀和軌道級.這些問題更加限制了網(wǎng)格要求對于數(shù)值預(yù)報和間距變化長車頭設(shè)計可以顯著減輕壓力脈沖對軌道全尺度實(shí)驗數(shù)據(jù)的吻合水平可以用圖17來說明,在間距的敏感程度在Mani和voi的文章中給露天中,兩列ICE列車以時速250km/h相對行駛的出了兩列高速ETR500列車在隧道內(nèi)并行的全尺度過程中,分別記錄車頭和車尾特殊位置的表面壓力數(shù)據(jù)車頭位置的壓力峰值-時間曲線計算得很準(zhǔn)確,而在車尾位置上的計算值過大,有人把這歸因于忽略了沿52分析車體發(fā)展的厚邊界層的影響關(guān)于列車通過問題的早期分析都做了不可壓無基于RANS的CFD數(shù)值方法在高速列車隧道旋流的假設(shè).隨著車速的提高這些假設(shè)就有局限性中相對行駛問題的應(yīng)用也有很少的幾個算例,三維非了. Tolmein2給出了理想化的列車通過隧道的二定常高Re數(shù)湍流的數(shù)值模擬的網(wǎng)格需求量很大,這維勢流解意味著即使應(yīng)用了高級算法和并行計算機(jī),能用的三維面元法( panel method)也已經(jīng)被用來分析算網(wǎng)格也是很粗糙的.在 Kalro和 Tezduyar4文列車隧道問題. Matschle等4的研究中,全尺度章中也提到了有限元法求解此類問題,計算得到的列和模型尺度的兩列高速列車上分別應(yīng)用4700個格車尾部壓力降的最大值為12kPa,這和(14~16)kPa子,得到結(jié)果和一列高速列車通過另一列載貨列車實(shí)驗測量值很接近Euler模擬Euer模擬·實(shí)驗兩列ICE列車在露天軌道上行駛時速250km/h,軌道間距47m5000-730車窗同高面上的壓力7501000030.4050.6圖17兩列城際快車以250km/h駛過時的瞬態(tài)壓力,全尺度測量結(jié)果和三維非定常方程數(shù)值計算結(jié)果的比較(來自于 Pahlkel63, TRANSAERO授權(quán))6氣動噪音進(jìn)和離開隧道、駛過道旁建筑物和其它列車時引起壓力脈沖會產(chǎn)生噪音.Iida等分析了消除這些不管在列車內(nèi)部還是列車外部噪音都是高速列問是車必須考慮的重要環(huán)境問題.Hard站在乘客的音中國煤化工m/h以上時氣動噪角度上討論了這個問題前文已經(jīng)討論了,當(dāng)列車駛次力CNMHG強(qiáng)度隨著車速的6于高速列車氣動聲415學(xué)的測量技術(shù)、分析方法和硬件研究的聲源,他們認(rèn)為雙模型鏡象配置法( mirror- ImageTori&zlto6對全尺度 Shinkansen列車的幾 method)比單模型動地板法更實(shí)用個聲源進(jìn)行了氣動噪聲研究.圖18所示的車頭形Talotte等網(wǎng)介紹了他們關(guān)于車體不規(guī)則外形狀的改變會使在離開軌道25m處測量得到的噪音值產(chǎn)生氣動噪音的實(shí)驗和數(shù)值計算相結(jié)合的研究,其實(shí)減小2dB(A),同樣也減弱了在隧道入口處產(chǎn)生的壓驗研究是在低噪聲風(fēng)洞中進(jìn)行的,使用了理想化的不力波.上述車形的改變同時也注意了粗糙度、側(cè)門規(guī)則車體.氣動聲學(xué)的計算則應(yīng)用了非定常湍流大渦的縫隙和把柄,車頭底部也做了氣動處理. Takaishi模擬(LES)和控制噪聲傳播的線性 Euler方程耦合等利用1:125模型的風(fēng)洞實(shí)驗和二維非定常算法RANS CFD程序研究了 Shinkansen列車的氣動噪音關(guān)于轉(zhuǎn)向器對氣動阻力和噪音的影響,正在進(jìn)行92m6.0mC(a) Shinkansen系列700低噪音系列列車(b) Shinkasen系列300列車700系列長度/(c)橫截面分布圖18車頭形狀研究,減小氣動噪音和隧道中運(yùn)行時的壓力脈沖(米自于 Torri Itol627,wGRR99,鐵道技術(shù)研究所授權(quán))廣泛研究車阿利用噴氣發(fā)動機(jī)來推進(jìn)和空氣墊作懸浮支撐作為氣動噪音、氣動阻力以及升力等的源點(diǎn),還有各種建議高速列車在管道中連續(xù)運(yùn)行網(wǎng),方案導(dǎo)電架也同樣引起關(guān)注86,7,Tori&Ito7對中使用各種推進(jìn)系統(tǒng),包括簡單的空氣壓差推進(jìn)技Shinkanson700系列列車和 Shinkanson300系列列術(shù)最近,人們的注意力幾乎全部集中在磁懸浮列車車進(jìn)行了全尺度測量和比較,得到前者的氣動噪音及其推進(jìn)系統(tǒng)上因改進(jìn)導(dǎo)電架而減小了4dB(A), Althammer等[18磁懸浮列車和推進(jìn)系統(tǒng)的倡導(dǎo)可以追溯到多年的風(fēng)洞實(shí)驗報告指出,改進(jìn)的導(dǎo)電架可以減小噪音以前.Stix7綜述了20世紀(jì)90年代前的相關(guān)主題高達(dá)(13~16)dB(A),然而也遇到了較大的升力研究.鑒于很多實(shí)際因素,磁懸浮列車系統(tǒng)都運(yùn)行在Ikeda7介紹了一種低噪音的導(dǎo)電架設(shè)計方案,以便高于地面10m的高架軌道上.有2種應(yīng)用磁力的總克服上述問題方案,相關(guān)的氣動問題也很不同.電磁懸浮(EMS7磁懸浮列車空氣動力特性方案有個T型的軌道,磁懸浮列車的底部包在T型軌道外側(cè)(見圖19(a).引力磁體安裝在軌道底面人們已經(jīng)提出了很多新概念以代替高速列車中中國煤化工列車和軌道底部之間距傳統(tǒng)的車輪/軌道支撐系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng).氣墊列CNMH與懸浮(ED方案列416車騎在軌道上,通常有一個矩形或U型的導(dǎo)向槽,軌漸減小,而后續(xù)車廂上的阻力增大,車頭和車尾上的道和列車底部安裝有互斥的磁體.對于這種結(jié)構(gòu),列阻力變化過程類似而總阻力也隨著偏航角的增大而車和軌道的間隙大的多,約為10cm.目前日本的磁按照線性關(guān)系增大. Peters指出,全尺度磁懸浮懸浮列車系統(tǒng)屬于帶有矩形導(dǎo)向槽的EDS類.如果列車惰力運(yùn)行實(shí)驗得到的阻力和風(fēng)洞實(shí)驗結(jié)果是相應(yīng)用較窄的U型導(dǎo)向槽,氣動學(xué)家就必須特別注意符的升力和側(cè)向力,以保證列車剛好在軌道的正上面.實(shí)際上兩類磁懸浮系統(tǒng)都不希望有車體產(chǎn)生的升力,原因是升力隨車速變化很劇烈,設(shè)計者更希望全部浮力小火車都由磁體產(chǎn)生電硫懸嚴(yán)系統(tǒng)BM3導(dǎo)向帶七磁體圖20電磁懸浮系統(tǒng)類磁懸浮列車1:10模型的阻力系數(shù)隨氣9525m偏航角的變化關(guān)系(來自于 Peters時, ndersocience筆國改計Enterprises Ltd授權(quán))電力懸浮系統(tǒng)RDs圖21給出了側(cè)向力和升力數(shù)據(jù).牽引車廂上的側(cè)向力遠(yuǎn)大于后續(xù)車廂,而且大部分側(cè)向力來自于車頭.隨著偏航角的增大,車頭的升力幾乎不變.但是整個列車的升力卻急劇增大.可以在車頭底部安裝整流器來減小車頭的升力停站釣氣霧>101.6mm為了模擬磁懸浮列車在高架軌道上運(yùn)行,弗以A生吉尼亞工學(xué)院和州立大學(xué)在他們的1828cm懸浮磁體超導(dǎo)磁182.88cm×731.53cm的風(fēng)洞里,把一種特殊設(shè)備安裝在高速(150m/h)移動的傳送帶上[s. Howell?表明在風(fēng)洞實(shí)驗中,安裝在固定軌道上的列車模型不能精確模擬磁懸浮列車的底部的流場.上述設(shè)備圖19磁浮列車EMS和EDS系統(tǒng)示意圖如圖22所示,在風(fēng)洞中,EMS磁懸浮列車模型安裝在傳送帶上,模型底盤包在傳送帶外.在攴撐和滑71實(shí)驗研究輪前有一個巨大的傳送帶驅(qū)動器,驅(qū)動器的外形是Pers3綜述了早期EM列車結(jié)構(gòu)氣動特性的在對傳送帶上部和周圍流場進(jìn)行精心研究的基礎(chǔ)上洞研究,軌道和轉(zhuǎn)向器之間的區(qū)域需特別關(guān)注,設(shè)計的,月的是把高架傳送帶引起的無黏和湍流擾否則轉(zhuǎn)向器上的阻力會達(dá)到整個車輪阻力的2/3然動減小到最小,以便得到期望的均勻、無湍流的磁而,通過精心設(shè)計轉(zhuǎn)向器及其構(gòu)件可以使列車阻力懸浮列車模型流場以上努力是成功的,得到了相當(dāng)減咸小2倍.Peer根據(jù)船模水池實(shí)驗的結(jié)果,指均勻的流場.傳送帶上沒有模型時的測量數(shù)據(jù)已經(jīng)出軌道和列車底盤之間的問隙可以把此區(qū)域的摩擦由T等5啊詳細(xì)描述.利用這套設(shè)備已經(jīng)進(jìn)行阻力減小50%.因為目前的磁懸浮列車設(shè)計得比較了多種不同磁懸浮列車的空氣動力學(xué)研究(78~80短,所以其總阻力受車頭和車尾的影響比傳統(tǒng)列車 Grumman有2種流線化的EMS設(shè)計方案:美國的受的影響更大在車輪/軌道類的列車中,車頭和車磁懸浮技術(shù)中, Lockheed提出的鈍頭EDS設(shè)計方尾的外形長細(xì)比( (slenderness ratio)為125時可以高案,其懸浮系統(tǒng)的特點(diǎn)是有一個細(xì)窄的垂直葉片伸效運(yùn)行.對磁懸浮列車來說,只要尖角處理得好,這入到列車中;另一個是來自于弗吉尼亞工學(xué)院的流值也是可用的.圖20給出了縮比模型的阻力實(shí)驗線形設(shè)計方案,列車運(yùn)行在一個很淺的U型導(dǎo)向槽結(jié)果,包括了橫風(fēng)的影響,如果沒有橫風(fēng)(偏航角為0),雙車廂列車的阻力幾乎平均分布在牽引車廂和后中國煤化工制在模型的導(dǎo)向淺槽據(jù)包括了力和力矩續(xù)車廂上隨著偏航角的增大,牽引車廂上的阻力逐CNMH利量表面摩阻,平均流速和湍流流速的測量,以及簇叢法(tuts)表面流圖23和圖24分別給出了阻力和升力的比較,其的流場顯示中IGE和OGE分別指考慮地面效應(yīng)( in-ground圖21 TRSNSRAPID TOG磁懸浮列車牽引車廂的升力和側(cè)力系統(tǒng)隨偏航角的變化關(guān)系(來自于 Peters3圖22架起的移動軌道磁懸浮列車實(shí)驗設(shè)備,電磁巷浮系Inderscience Enterprises Ltd授權(quán))統(tǒng)(EMS)模型安裝在傳送帶上,Ⅴ irginia理工學(xué)院18288mm×18288mm風(fēng)洞300.05圖23風(fēng)洞實(shí)驗剛力系數(shù),包括 Grumman電磁懸浮系統(tǒng)(EMS)磁懸浮列車、 Lockheed電動懸浮系統(tǒng)(EDS)磁壯浮列車和 virginia理工電動懋浮系統(tǒng)(EDS)磁懸浮列車,軌道運(yùn)行,即考慮地面交應(yīng)IGE( (in-ground effects,以及無軌道運(yùn)行,即沒有地面交應(yīng)OGE( out-of-ground effec).CD阻力系數(shù),Be為雷諾數(shù)所有數(shù)據(jù)來自于文獻(xiàn)(75,78~80s02°892000004000008000001000000圖24風(fēng)洞實(shí)驗升力系數(shù),包括 Grumman電磁懸浮系統(tǒng)(EMS)磁懸浮列車, Lockheed I電動懸浮系統(tǒng)(EDS)、磁懸浮列車和 irginia理工電動浮系統(tǒng)(EDs)磁懸浮列車,軌道運(yùn)行,即考慮地面交應(yīng) IGE (in-ground effects以及無軌道運(yùn)行右她面應(yīng)OGEout-of-ground effects).CL為升力系數(shù);中國煤化工獻(xiàn)8~80])CNMHGeffect)和不考慮地面效應(yīng)( out-ground effect),即是否的分析方法,后者在22節(jié)中已經(jīng)討論過對于在矩應(yīng)用了傳送帶首先可以看到,當(dāng)以車寬為特征長度形導(dǎo)向槽上運(yùn)行的EDS列車, Barrows等2試圖的Re數(shù)超過約400000后,升力系數(shù)CL對Re數(shù)的模擬渦分離現(xiàn)象的影響,其方法是把流場看作定位在依賴關(guān)系就消失了其次,對于流線化的外形,當(dāng)列車兩平行平板之間的一個點(diǎn)源,流場中動能就和渦分離靠近軌道運(yùn)行時阻力會增加,升力也有所改變.對于引起的阻力有關(guān),研究得到一個車頭的優(yōu)化外形鈍頭車形來說,升力會增加而阻力改變很小流線化磁懸浮列車都靠近軌道和地面運(yùn)行,其中EMS車形阻力水平很適當(dāng),而升力水平也可行;而鈍頭車系統(tǒng)最近一般認(rèn)為列車和軌道之間的黏性影響很形的阻力和升力都偏高,從空氣動力學(xué)的角度出發(fā)這是磁懸浮列車設(shè)計過程中應(yīng)當(dāng)避免的.圖25中給大,因此低精度無黏面元法( inviscid panel method)難以模擬這種重要現(xiàn)象,如當(dāng)列車運(yùn)行太靠近地面或出了 Grumman設(shè)計方案的尾跡測量數(shù)據(jù)的一個例軌道時可能發(fā)生“舉翻”( ift reversal)另一方面,子,這些數(shù)據(jù)將和下文的CFD計算結(jié)果作一比較為了多學(xué)科設(shè)計和優(yōu)化(MDO)研究等目的,需要種簡單而耗費(fèi)不高的分析方法yl等發(fā)現(xiàn)渦面元法 (vortex panel method)雖然精度低,但能夠在一定程度上模擬黏性影響,而且不需要復(fù)雜的 RANS CFD模型.圖26給出了渦流圖形,表示 Grumman磁懸浮列車設(shè)計時考慮地面影響和不考慮地面影響的差異.圖27給出了應(yīng)用圖25 Virginia學(xué)院設(shè)計的 Grumman磁懸浮列車尾跡流OGE橫截面上的速度等值線圖(來自于Tyl等r可,AIAA授權(quán)日本的 Yamanashi磁懸浮列車實(shí)驗線測得了大量的有用的全尺度實(shí)驗數(shù)據(jù),涵蓋了磁懸浮列車運(yùn)行的各個方面,包括空氣動力學(xué)56.最近的磁懸浮列車設(shè)計都是EDS類的,列車運(yùn)行在矩形導(dǎo)向槽圖26 Grumman磁懸浮列車渦面元法結(jié)果.OGE表示沒上,導(dǎo)向槽的高度達(dá)車高的一半.車頭根據(jù)廣泛的有考慮地面影響IGE考忠地面影響(來自Tyd等思CFD研究(下文將介紹)精心設(shè)計,以便使列車通過作者授權(quán)隧道時,氣動噪音、阻力和壓力脈沖降到最小目前實(shí)驗的車頭有2種形狀,一種很長,車體圓角(稱為氣動圓角)也很小,另一種的外形象鴨嘴(稱為雙尖點(diǎn)).目前許多實(shí)驗都集中在列車高速運(yùn)行時縱向、水平和轉(zhuǎn)動穩(wěn)定性上,包括在曲線軌道上轉(zhuǎn)彎或駛過其它列車.列車實(shí)驗速度高達(dá)550km/h,而列車對開時的相對速度高達(dá)96km/h時速500km/h時的氣動升力約為50kN,露天運(yùn)行和隧道運(yùn)行沒有較大差RANSI&異.在直軌和曲軌上運(yùn)行時速高達(dá)500km/h后,橫渦量法向和縱向位移偏度為±10mm.列車駛過其它物體時的側(cè)向力比縱向力大,轉(zhuǎn)矩也是這樣,這些影響作用和傳統(tǒng)列車測量結(jié)果相似. Yoshimura等1的報04告給出了各種氣動剎車系統(tǒng)的實(shí)驗結(jié)果,他們發(fā)現(xiàn)這對于高速磁懸浮列車來說,這些系統(tǒng)很管用磁暴浮列車壓力分布, Sinclair等|8272分析中國煤化工解和禍面元法計算結(jié)果早期的磁懸浮列車的氣動分析模仿了傳統(tǒng)列車CNMHG了2種方法得到的同一個二維車體頂部和底部的壓力分布,其一是渦面元法,其二是 Siclari等8的二維 RANS CFD計算方法,它們都考慮了地面的影響,通過比較可以看出2種結(jié)果相當(dāng)吻合.值得特別說明的是渦面元法得到的列車底部的壓力分布很正確,這是其它無黏低精度方法做不到的根據(jù)這一成功的計算,渦面元法已被應(yīng)用到磁懸浮列車外形設(shè)計的多學(xué)科設(shè)計和優(yōu)化程序代碼中783.。,這種方法已經(jīng)被證實(shí)能夠預(yù)測最小阻力外形,和 RANS CFD研究結(jié)果十分接近.實(shí)際上,來自多學(xué)科的設(shè)計和優(yōu)化的程序精確設(shè)計了有一個突出的較低的唇沿的車(4)從上前方向看頭外形,這些都被最新的 Shinkansen系列列車所采用.就象上面討論的那樣,磁懸浮列車的車頭外形的選擇是開展廣泛的 RANS CFD研究的主題,當(dāng)然這些研究要聯(lián)合風(fēng)洞實(shí)驗,有時甚至是全尺度實(shí)驗鴨嘴或雙尖點(diǎn)車形以及氣動圓角外形都是通過這些研究得到的6.87.運(yùn)行在矩形導(dǎo)向槽上的雙尖角設(shè)計方案的計算流場由圖28給出scla等849應(yīng)用 RANS CFD方法得到了EMS磁懸浮列車的設(shè)計方案,后來在弗吉尼亞工學(xué)院進(jìn)行了實(shí)驗研究.圖29給出的車頭和車尾的流場計算結(jié)果和風(fēng)洞中測量的結(jié)果相當(dāng)吻合阿圖29 Grumman磁懸浮列車尾部流場的雷諾平均NS方程CFD數(shù)值解(來自于 Sicklari等,AIAA授權(quán))Klopfer和 Mental應(yīng)用 ANS CFD技術(shù)得到了EDS磁列車的設(shè)計方案,此列車運(yùn)行在U型導(dǎo)向淺槽上,圖30給出了車體和導(dǎo)向槽上部和周圍的流場,和平頭車尾附近尾跡流中的渦流圖Re-ox to,nMa=1),a)力等值線圖30運(yùn)行在U-型窄槽上的帶有電動系統(tǒng)的磁懸浮列車,及流場雷諾平均NS方程CFD數(shù)值解(來自于 Klopfer和 Metha,AAA授權(quán))參考文獻(xiàn)1 Muhlenberg J D. 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The coverageincludes experimental techniques and results and analytical and numerical methods, concentrating on the mostrecent information availableKeywords aerodynamics, ground vehicles, Maglev trains中國煤化工CNMHG