国内外高速列车空气动力学研究概况

申鹏

摘 要：随着我国高速铁路的快速发展，空气动力对列车运行影响越发明显。论文介绍了国内外高速列车空气动力学研究现状。分析了车身、侧墙、裙板、挡板及转向架布置的压力测点，以及国内两个权威测试机构的测试系统和数据分析系统。对工程研究具有一定的推动作用。

关键词：高速 空气动力学 压力测点 数据分析

中图分类号：TG142 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（c）-0008-02

Abstract：With the rapid development of China high-speed railway，Aerodynamic influence on the trains run more obvious.This paper introduces the research statusof domestic and foreign high-speed train aerodynamics.Analysis pressure measuring point including body， side walls，apron，baffle and bogie layout.Describe test system and data analysis system of two domestic authoritative testing organizations. Engineering research has a certain role.

Key Words：speed，aerodynamics，pressure measuring point， data analysis

1 国内外研究现状

德国进行了Mühlberg（D）隧道现车试验；NewNuremberg-Ingolstadt高速线上完成了微气压波的测量；Steinruck等人利用可压缩非定常不等熵流动模型模拟了德国ICE列车会车压力波波动规律。

意大利F.Cheli等采用数值仿真和风洞试验的方法研究了给定风场作用于铁路车车体的空气动载荷及其相应的车辆响应。

自20世纪70年代开始，英国学者Woods，Vardy等人根据可压缩非定常不等熵流动模型和广义黎曼变量特征线法发展了单列车通过简单结构隧道过程的压力波计算方法；英国AEA铁路研究机构建造的缩尺1/25动模型的最高发射速度已达305km/h；Gawthorpe进行了大量的明线和隧道内现车试验[1-2]。

瑞典采用计算了ICE2型车的周围流场，并和ICE2型车的风洞试验数据对比，同时也做了X2000的风洞试验。

WilliamLouis采用一维模型对有密封的高速列车通过隧道时车内外压力波进行了研究；法国国营铁路公司在Rilly-laMontagne隧道进行了单车实车试验，在Bachees隧道进行了会车实车试验。

20世纪，日本在新干线上进行了隧道压力波、隧道出口微气压波、气动阻力及横风作用的现车试验测量；近年来日本学者使用三维流动模型对隧道入口波、出口波、微气压波以及结构波进行了数值模拟研究。

C.J.Baker在风洞模拟与实车试验方面所做的出色研究。Baker教授研究了侧风环境下，作用在各种不同类型车辆上的稳态和瞬态气动力，建立了一个统一的分析框架。为了确定获得信息的可靠性，对于不同的车辆参数，开展了一系列大规模的实车试验。另外，为了建立一种鲁棒性好的风洞测试方法，开展了一系列的风洞试验，在试验中，尽可能准确的模拟实验场所的风特性。

随着Tokaido-Sanyo线上新干线列车最高运营速度的提高，车体横向振动加剧，乘坐舒适性恶化。对这一现象，日本开展了一系列实车试验，发现：（1）隧道内列车的横向振幅比明线上大；（2）从头车到尾车，振动依次加剧；（3）相应于车体的其他运动，车体摇头运动显得更加突出。轨道不平顺、蛇行运动和空气动力作用被认为可能是导致这个现象的原因。

西南交通大学建立了水槽模型试验台；中南大学建立了动模型试验系统[3-4]。

隧道压力波的试验研究可分为两类：现车试验和缩尺模型试验。在国外，许多研究组织和研究者进行了一系列现车试验，对列车通过隧道时诱发的隧道压力瞬变和速度变化等进行了现场测试，主要工作在欧洲和日本。缩尺模型试验可分为以空气为介质和水为介质两种。以空气为介质的隧道压力波试验一般采用弹射装置和模型隧道来完成。

2 压力测点分布

根据理论分析、数值模拟及风洞试验，进行列车表面的压力分布研究。在车身、侧墙、裙板、挡板及转向架布置适宜的压力测点，以得到完整的压力分布。通过对列车表面压力分布的研究，对其时域特性进行计算处理，从而分析出压力场频谱特性。

测点布置原则：依据数值模拟及风洞试验的结果，优化测点布置方案，以得到车身表面压力分布。

头车测点主要布置在列车的一侧，在另外一侧布置少量测点，主要用于验证测点数据的准确性，以及考虑横风作用下，或列车过隧道时压力不对称的情况。在列车头部导流板附近布置较多测点，以获得头车压力分布，流线型部分可布置少量测点，在头车流线型部分和车体的过渡处，由于压力梯度较大，应布置较多测点。在车头车车窗附件，应布置系列测点。

在转向架空腔内的底板及挡板处，布置系列测点，以得到转向架处的压力分布。同时，考虑到地面效应的影响，应在转向架构件上布置少量测点。转向架空腔内气流复杂，转向架构件的测点不宜过多。

在列车裙板的内侧及外侧，均应布置适量测点，已得到裙板处的压力分布。为分析地面效应的影响，裙板内侧也应布置测点，测点数量可小于裙板外侧，在靠近转向架空腔附近的裙板，应增加测点数量。

在列车侧墙处，应按照压力梯度的变化规律，布置系列测点，转向架空腔上方的侧墙，应增加测点数量。车身压力分布较均匀的部分，应减少测点数量。同时，在车窗附近布置系列测点，分析车窗附近的压力分布。endprint

综上所述，压力测点根据列车表面压力梯度及流场呈网状布置，以得到压力分布。分别从头车、驾驶室车窗、头车两侧导流装置、流线型的过渡部分、转向架构件、转向架空腔、挡板、列车底板、裙板、侧墙等方面考虑压力测点的布置，以得到完整的列车表面压力分布。同时，测点布置应兼顾分析地面效应及为其他研究方向提供基础数据。

3 测试系统

3.1 铁科院测试系统

检测系统由传感器、imc集成测控数采系统、GPS及计算机等部分组成。各传感器将测得的压力信息将imc集成测控数采系统放大、AD/DA转换后记录在计算机中进行处理，GPS用于确定标准时间。除了压力传感器外，检测系统的其他设置全部放在列车内部进行数据采集和处理。

3.2 西南交通大学测试系统

整个测试系统由传感器、多芯屏蔽信号线、放大器、A/D转换器、触发器、GPS及计算机等部分组成。各传感器将测得的压力信息经放大器、AD/DA转换记录在计算机中进行处理，GPS用于测量列车的速度。

4 传感器的选择

车外传感器的选择应以测量精度高、对流场影响小为原则。目前广泛采用的是ENDEVCO公司生产的压阻式传感器8515C-15。该传感器体积小，直径6.35 mm，厚度只有0.76 mm；因其很薄，对流动影响小；灵敏度高，全刻度范围为1bar频率响应高。

车内空气流动速度很慢，整个车厢内部空气压力分布变化不大，因此对传感器尺寸要求不是很高，但车厢内部压力变化范围较小，需采用小量程的差压传感器。车厢内压力变化测量采用江苏昆山双桥传感器有限公司生产的CYG511型压差式压力传感器，该传感器尺寸为Ф10 mm×3 mm，传感器量程为±2.5 kPa，静态精度为0.5%Fs，动态响应频率为0～3 kHz。

5 数据分析

数据分析的整体思路在于，确定一个采样频率，确定采样频率首先要考虑，噪声、轮轨振动等因素给气动压力带来的干扰，需要确定干扰频率的大小，来选择采样频率。时域压力测定完毕后，应用数学计算软件MATLAB进行时域信号向频域信号的转换。主要的数学思想是：傅里叶变换。

如果采样频率过大，会包含大量的干扰成分，如果采样频率过低会将压力信号的主频幅值滤除，这样如何取得一个合适的采样频率是关键问题。求取各测点的频域特性后，分析测点的主频、幅值等参数，为轮轨、噪声等学科提供基础数据。

6 结语

随着我国高速铁路的快速发展，空气动力对列车运行影响越发明显。该文介绍了国内外高速列车空气动力学研究现状。分析了车身、侧墙、裙板、挡板及转向架布置的压力测点，以及国内两个权威测试机构的测试系统和数据分析系统。对工程研究具有一定的推动作用。

参考文献

[1] 冯志鹏.高速列车气动性能与外形设计[D].西南交通大学，2011.

[2] 刘加利.高速列车气动噪声的理论研究与数值模拟[D].西南交通大学，2009.

[3] 杨吉忠，翟婉明，毕海权.横风环境下铁路车辆振动响应分析[J].系统仿真学报，2010，22（9）：2080-2084.

[4] 李田.高速列车流固耦合计算方法及动力学性能研究[D].西南交通大学，2012.endprint