高速列车头车外形结构优化风洞试验研究*

缪新乐，李 明，姚 勇，黄志祥，邓勇军

(1．西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳621010;2．中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳621000)

我国的高速列车在最近几年发展迅猛，高速列车的运营里程达7 055 km，在建里程1万多km。2010－12－03，在京沪高铁枣庄至蚌埠间的先导段联调联试和综合试验中，由中国南车集团研制的“和谐号”CRH380A新一代高速动车组的最高时速达到486．1 km［1］。随着列车运行时速的提高，列车的空气动力学问题日益突出。列车空气动力研究的目的主要是减小气动阻力，改善操纵稳定性，提高安全舒适性及减小其对环境的影响［2］。列车在空气中高速运动时，其气动性能，如气动阻力、升力等，与其气动外形有着密切的关系。随着运行速度的不断增加，列车气动性能问题越来越突出，因此，研究不同气动外形对高速列车气动性能的影响规律，对于设计和优化气动外形，并使其满足工程实际应用需要有着重要的意义［3－4］。对列车气动阻力的研究主要是从列车的头型、断面形状和底部外形等方面入手，头型是研究的重点。张健［5］对列车进行风洞试验研究后认为:流线形车头细长比的大小对气动性能有重要影响，细长比越大，气动性能越优;列车前部的动车车头形状对中间客车阻力的影响小且随中间客车数目的增加而逐渐减小;列车尾部的动车车头形状对列车压差阻力和尾车阻力影响较大;车头波性能受列车前部动车车头形状影响较大，在车头细长比相同的情况下，能使气流主要朝车头上方流动的2次元形状比气流朝四周流动的三次元形状的车头波性能好，在外形基本相同的情况下，头部细长比越大，车头波性能越好。舒信伟等［6］对列车头型进行数值模拟后认为:随着流线型头部长度增加(其他条件相同)，列车气动阻力和升力降低;在头部流线型长度相当的情况下，纵剖面轮廓线上凸的头车气动阻力比下凹的小，而尾车气动阻力大;中间车阻力变化不大，尾车升力大于头车;就整车升力而言，纵剖面轮廓线上凸的气动升力大于下凹的。目前国内外对列车空气动力学研究的主要方法有数值模拟计算、风洞试验、嘛动模型试验和在线实车试验［7］。本文采用风洞缩尺模型模拟试验的方法对4种新型的高速列车头车进行风洞试验研究，以便为500 km/h的高速列车选型提供参考。

1 高速列车头车模型选型

1．1 模型选型

本次试验所选用的高速列车头车模型，采用CFD方法对CRH380A高速列车车头形状进行结构优化后进行空气动力学性能进行计算、分析、比较。选出4种空气动力性能较好的头车模型。然后对4种优化后的头车模型进行模具加工。4种头型模型如图1所示。

图1 列车试验模型的4种头型Fig．1 Four kinds nose shape of the train test

1．2 模型

列车试验模型比例为1∶8，3车编组(头车+中间车+尾车)，共有4种头型，分别为 NEW －A，NEW－B，NEW－C和NEW－D，列车模型的头、尾车完全相同，列车模型几何尺寸参见表1。为了模拟实际情况本次试验带轨道路基进行试验。列车及轨道路基模型如图2所示。

表1 1∶8列车模型几何尺寸Table 1 1∶8 Geometric size of train model mm

2 试验方法及内容

2．1 风洞试验

本次试验在中国空气动力研究与发展中心的8 m×6 m风洞第二试验段进行。8 m×6 m风洞是闭口串列双试验段的大型低速风洞，第二试验段宽8 m，高6 m，长15 m，带列车试验地板后的常用试验风速20～70 m/s。

2．2 试验内容

对列车模型的头车、中间车和尾车采用3 d平同时测力的方案，测力天平位于模型内腔。列车模型内部天平联接板连接天平上表面，天平下表面与工字型支座上表面相连，支座下表面连接在路基表面，调整模型的角度及方向，待一切准备妥当后按照计划的内容进行试验，并记录数据。

本次试验先对NEW－A头型进行了5次重复性试验，然后分别对4组模型进行测力试验，风速为30～70 m/s，侧偏角为 －30°～30°，具体试验内容见表2。

图2 列车及轨道路基Fig．2 The train and track subgrade

表2 试验内容Table 2 Test contents

3 试验结果及分析

3．1 重复性试验结果分析

对NEW－A头型列车模型进行5次重复性试验，并进行重复性试验精度计算。在侧偏角为0°时，头车的升力系数、阻力系数、俯仰力矩系数、侧向力系数、侧偏力矩系数、倾覆力矩系数的精度分别为0．001 8，0．000 6，0．000 4，0．001 4，0．003 5和0．000 3，中间车的精度分别为0．002 0，0．000 6，0．000 3，0．001 6，0．006 8和0．000 2，尾车的精度分别为0．001 0，0．001 0，0．000 3，0．000 5，0．000 4和0．000 2。综合比较以往类似高速列车模型风洞重复性测力试验精度，本次测力重复性试验精度较高，尤其是阻力的重复性试验精度。因此，本次重复性试验精度满足要求。

3．2 变风速试验结果分析

在侧偏角0°时，对NEW－A头型进行变风速试验，试验风速序列为 30，35，40，45，50，55，60，65和70 m/s，变风速试验结果如图3所示。从图3可以看出:NEW－A头型在35 m/s风速及以上风速范围内，头车、中间车、尾车气动力和力矩随风速的增加变化很小。

图3 变风速测力试验结果Fig．3 Force measurement results of variable wind

在35～70 m/s的试验风速范围内，头车、中间车和尾车的cv在各风速下的试验结果差异较小，其均方根误差分别为0．002 5，0．000 8和0．001 0;cx的均方根误差分别为0．002 6，0．001 6和0．000 4;mz的 均 方 根 误 差 分 别 为 0．002 1，0．000 8 和0．000 5。与重复性试验精度相比可以看出，上述变风速试验结果的均方根与重复性试验精度非常接近。因此，可以认为:NEW－A头型的列车模型在35～70 m/s的试验风速范围内，风速变化对气动特性的影响很小。

3．3 各种头型气动特性的比较

图4～5所示为4种头型的列车模型变侧偏角试验的结果比较。从图4～5可以看出:4种头型列车模型各节车的气动特性随变侧偏角的变化规律基本一致。从图4可以看出:在试验侧偏角范围内，各种头型列车模型的头车最大气动升力明显比中间车和尾车的大;当侧偏角绝对值为10．2°时，4种头型头车的cv差异很小;当侧偏角绝对值大于10．2°时，NEW－B的头车cv最大，NEW－C的头车cv最小。从图5可以看出:在试验侧偏角为0°时，4种头型列车模型各节车及全车的cx的差异都不明显，NEW－A的头车、中间车和全车的cx最小，NEW－C的全车cx最大。在其他试验侧偏角范围内，NEW－A的cx基本上也最小。在试验侧偏角范围内，NEW－A各节车的cv随着侧偏角绝对值的增大而单调增加;在侧偏角为0°时，尾车的cx最大，中间车的cx最小。头车的cx在侧偏角绝对值约24°时出现负值，中间车的cx随着侧偏角绝对值的增大先增加后减小，cx出现拐点的侧偏角绝对值大约为16．7°，尾车的cx基本是随着侧偏角绝对值的增加而增大。因此，综合比较不同头型列车模型的气动特性，在试验侧偏角范围内，NEW－A的气动阻力特性最优，NEW－B的气动升力特性最差，4种头型的侧向力气动特性差异不明显。

图4 不同头型列车模型的升力气动特性的比较Fig．4 Comparison of different nose shapes’lift aerodynamic characteristics

图5 不同头型列车模型的阻力气动特性的比较Fig．5 Comparison of different nose shapes＇drag aerodynamic characteristics

4 结论

(1)4种头型中，NEW－A头型的空气动力性能最好，时速为500 km/h的高速列车宜采用NEW－A头型类似的形状。

(2)NEW－A头型的列车模型在35～70 m/s的试验风速范围内，风速的变化对气动特性的影响很小。

(3)当侧偏角不变时，模型NEW－A的头车、中间车和全车气动阻力最小。

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［2］贺德馨．风工程与工业空气动力学［M］．北京:国防工业出版社，2006．HE De-xin，Wind engineering and industrial aerodynamics［M］．Beijing:National University Publishing House，2006．

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