高速列车模型风洞试验数据的影响因素分析

黄志祥， 陈 立， 蒋科林

(中国空气动力研究与发展中心 空气动力学国家重点实验室， 四川 绵阳 621000)

高速列车空气动力学问题既关系到高速列车运行的安全性、经济性和舒适性，也事关高速列车研制的自主知识产权。因此，该问题越来越受到广泛的关注和重视。目前，高速列车空气动力学问题的研究手段有模型试验(包括风洞试验和动模型试验)、数值计算、实车路试和理论分析。其中，模型试验中的风洞试验既能为数值计算提供验证依据，也因试验条件易于控制，能开展更多工况的研究，可进行精确测量而比实车路试更方便易行，因而在高速列车空气动力学研究方面具有不可或缺的作用，成为目前最主要和常用的研究手段[1-2]。

由于风洞试验通常作为数值计算和理论分析的验证依据，因而对其数据精准度的要求和试验结果的期望值都是很高的。然而，影响高速列车模型风洞试验数据的因素很多,不同的模拟方式、试验条件和设备性能等都会对试验数据产生影响，包括高速列车模型缩比、外形结构、支撑方式、编组方式、路基形式、地面效应模拟方式、风洞尺寸与结构、流场品质、测试设备性能、模拟方法和试验条件(主要是试验风速和风向角)等。目前，公开报道的国外文献中，多侧重于高速列车风洞试验研究结果的讨论[3-5]，而对高速列车风洞试验数据影响的研究很少。尽管欧盟出版了EN14067-6[6]，从侧风试验规范方面对高速列车模型的部分风洞试验模拟方式进行了说明，但国内大量高速列车模型风洞试验研究实践表明，上述规范不完全适用。本文针对目前国内外通用的高速列车模型风洞试验模拟方法，主要以国内高速列车模型的风洞试验平台为基础和研究对象，对有无路基、路基结构外形、模型支座形式、风洞洞壁和固定地板表面附面层等因素进行分析研究，找出上述因素对试验数据的影响规律，为我国高速列车模型风洞试验数据精准度的提高和试验精细化水平的提升提供参考依据和建议。

在高速列车模型风洞试验数据中，鉴于气动阻力是最受关注和重视的对象，本文主要针对气动阻力的无量纲系数cd进行分析。

1 路基对试验数据的影响

高速列车风洞试验模拟的路基方式包括高架结构、平地路基和高路堤结构。近年来，国内模拟最多的路基方式是平地路基结构。

1.1 有无路基对试验数据的影响

平地路基在试验安装过程中工作量大，既要求表面安装平整，纵向中心线与风洞中心线平行，且能在地板表面实现连续风向角转动，是否安装路基将对试验结果产生重要影响。

对某型高速列车三车编组,1∶8模型分别在有路基和无路基状态下进行了不同风向角试验，试验来流风速60 m/s，湍流度0.1%，大气压94 350 Pa，气温18 ℃。图1给出了高速列车模型各节车在有路基和无路基状态下的气动阻力系数cd比较。由图1可知，在风向角为0°时，与有路基相比，无路基状态下，头车、中间车、尾车和全车cd都明显增大。在其他风向角时，无路基状态下的头车、尾车和全车的cd都比有路基轨道下的cd大。由此可见，是否模拟路基是影响高速列车模型气动阻力的一个重要因素[7]。

1.2 路基结构外形对试验数据的影响

在风洞试验中，理论上路基轨道模拟的长度越长，路基前端斜坡的坡度越小，对试验结果的影响将越小。然而，如果模拟的路基轨道太长，路基前端的斜坡坡度很小，则路基的长度将会明显增大，由于受到风洞试验段宽度的限制，则可模拟的侧风风速(对应试验风向角)很小，不能满足较大侧风的模拟要求[8]。而且当路基前后端部靠近洞壁时，高速列车模型头尾车端部附近的流场模拟会失真，对试验结果产生较大影响。路基结构示意图见图2。

对某型高速列车1∶20的一节头车+半节中间车编组试验模型分别在路基伸出车头不同长度和路基前端不同斜坡坡度状态下进行了变风向角试验，试验来流风速40 m/s，湍流度0.14%，大气压94 500 Pa，气温20 ℃。表1给出了路基前端伸出车头的不同长度对头车气动阻力的影响结果(B表示列车模型宽度)。从表1可以看出，在路基前端伸出车头不同的长度下，在不同风向角下，当路基前端伸出车头的长度在3.6B～3.0B时，随着路基前端伸出车头长度的变化，头车cd的变化很小；当路基前端伸出车头的长度从3B减小到1.8B，头车cd逐渐增大；当路基前端伸出车头的长度进一步减小到1.2B，头车cd略有减小。由此可见，对于本文的高速列车试验模型，路基前端伸出车头的长度不应少于模型3倍车身宽度，则路基前端伸出车头的长度变化对头车cd的影响较小。

表1 路基前端伸出车头不同长度下的cd比较

表2给出了路基前端斜坡不同坡度、不同风向角对头车气动阻力的影响结果。从表2可以看出，当路基前端斜坡坡度在10°～19°时，头车cd随着路基前端斜坡坡度的增大变化很小；当路基前端斜坡的坡度增大到35°时，头车cd略有增大；当路基前端斜坡的坡度进一步增大到74°时，头车cd则明显减小。这主要是由于路基前端斜坡坡度较大时，气流在经过路基前端斜坡上部棱角时出现分离，导致头车底部部分的流场变化且被附面层淹没，从而导致气动阻力降低。由此可见，在高速列车模型风洞试验中，路基前端斜坡坡度不大于35°，则路基前端斜坡坡度的变化对头车cd的影响较小。

表2 路基前端斜坡不同坡度下的cd比较

2 模型支座形式对试验数据的影响

高速列车风洞试验模型的金属框内部焊有天平联接板，天平上表面通过天平连接板与车体连接，天平下表面通过支座与路基连接，见图3(a)。国内采用较多的天平支座形式有2种，一种是单腿“Ⅰ”型支座，另一种双腿“Ⅱ”型支座，见图3(b)。相较于双腿“Ⅱ”型支座，单腿“Ⅰ”型支座结构相对简单，对高速列车模型底部结构要求也相对简单，且利于引出试验线路。

然而，由于高速列车模型为细长体，长细比大，天平和支座的长度相对于高速列车模型的长度较小，且天平支座的刚度有限，因此，在试验过程中，由于受到气流的作用，列车模型很容易出现振动[9],致使试验数据的重复性精度(即多次重复性试验获得的数据的均方根误差)受到明显影响，对试验数据的精准度也产生一定程度的影响。

对某型高速列车3车编组、1∶8模型分别采用单腿“Ⅰ”型支座和双腿“Ⅱ”型支座进行了重复性测力试验，试验来流风速60 m/s，湍流度0.1%，大气压94 140 Pa，气温16 ℃。“Ⅰ”型支座和“Ⅱ”型支座均高约250 mm，仅是支座中间支腿数量和尺寸不同，其中，“Ⅰ”型支座中间支腿数量为1，直径约为80 mm，“Ⅱ”型支座中间支腿数量为2，每根支腿直径约为50 mm。表3给出了分别采用2种形式支座获得的测力重复性试验精度的比较。

表3 不同形式支座的重复性精度比较(风向角0°)

从表3可以看出，相对于单腿支座，采用双腿支座的高速列车模型头车、中间车和尾车的cd重复性试验精度都明显提高，均更加优良，有效提升了试验精度水平。 这主要是采用不同形式天平支座的试验模型，各节车厢的振动幅度有差别，尤其是受不对称尾流影响的尾车，差别更明显。相对于单腿支座，采用双腿支座的高速列车各节车厢的振动幅度明显减小，试验模型在重复性试验中状态的一致性更好，有效提升了试验数据的精准度。

根据上述研究结论，目前国内大缩比(1∶8～1∶10)高速列车模型采用的天平支座形式多为4腿支座。对于1∶8模型，支座的每根支腿直径仅有约20 mm，在高速列车模型底部暴露在气流中的体积更少，能尽可能减少对车身底部气流的影响。实践证明，采用4腿支座的测力重复性试验精度较高，在风向角0°时各节车厢的各气动力精度能达到甚至优于航空合格指标[10]。

3 风洞洞壁对试验数据的影响

对于高速列车模型风洞试验而言，风洞(主要是指闭口试验段风洞)洞壁对试验结果的影响主要体现在两个方面，一是阻塞影响，二是轴向静压梯度影响。

由于高速列车模型为细长体，一般情况下，正向投影面积相对于试验段截面积很小。由于高速列车模型长度较长，受限于风洞试验段长度，通常试验风向角较小，因此阻塞度也通常不大。根据欧洲试验规范[6]，从偏保守的角度考虑，对于闭口试验段，只要在风向角30°时的阻塞度小于15%，就不需做阻塞修正，目前在国内的大型风洞中开展的高速列车模型试验都能满足上述要求，因此，参考上述规范，没有考虑阻塞影响。

几乎所有的闭口风洞试验段气流沿轴向都有静压变化。这是因为试验段壁面上的附面层沿流向不断增厚，使试验段气流的有效截面积减小，根据流动连续性原理，气流沿风洞轴向的流速会越来越大，静压则越来越低，因而形成了沿试验段轴向的静压梯度，尽管绝大多数风洞试验段沿轴向设计了扩张角以补偿附面层的影响，但由于风洞试验段壁面不可调，且扩展角是固定的，因而一般还是存在轴向静压梯度[11]。静压梯度使高速列车模型受到一个沿气流方向的附加阻力，直接影响试验结果中的气动阻力数据。如果轴向静压梯度小于零，则气流产生一个正的附加阻力，使气动阻力试验结果偏大，反之，如果轴向静压梯度大于零，则气流产生一个负的附加阻力，使气动阻力试验结果偏小。因此，必须根据高速列车模型区域的当地轴向静压梯度值进行修正处理。目前，开展高速列车模型试验研究的风洞多为闭口试验段，其轴向静压梯度不可忽略，且大比例(如1∶8)高速列车模型每节车厢的长度一般较长，由此带来的轴向静压梯度对各节车cd的影响非常明显。表4～表7给出了某型高速列车1∶8模型风洞试验的cd结果，试验来流风速60 m/s，湍流度0.1%，大气压94 320 Pa，气温17 ℃。从表4～表7可以看出，轴向静压梯度对各节车cd的影响可达6%～13%，对测量结果影响非常显著，必须进行修正处理。

轴向静压梯度的影响修正一般采用下式进行，风向角0°下Cd的水平浮力修正为：ΔCd=L×(dCp/dx)，L取模型各节车厢长度，dCp/dx为各节车厢区域的轴向静压梯度。

表4 对头车cd的影响

表5 对中间车cd的影响

表6 对尾车cd的影响

表7 对全车cd的影响

因此，对于阻塞度较小的高速列车模型风洞试验，风洞洞壁对高速列车模型风洞试验数据的影响一般可以不考虑阻塞影响，而必须根据模型区域的轴向静压梯度考虑轴向静压梯度的影响，并作相应的数据修正。

4 地板表面附面层对试验数据的影响

高速列车风洞试验模型通常长度较长，目前国内外大多数风洞采用的是固定地板模拟地面效应。在试验过程中，尽管对固定地板表面采用了诸如开槽、吹气或吸气等方式控制地板表面附面层，但受设备和技术等因素的影响，附面层依然难以完全消除，只是使附面层厚度降低，使之对试验数据的影响较小[12]。

目前，国内高速列车模型风洞试验采用固定地板，其中应用最多的是中国空气动力研究与发展中心低速所8 m×6 m风洞的列车试验专用地板。地板装置由4块地板拼接而成，总共长约16 m、宽 8 m，地板前后缘为流线型，每块地板后缘下表面装有扰流片，在地板之间的缝隙附近形成涡流低压区，从而降低地板表面附面层厚度。在2012年3月以前，8 m×6 m风洞采用的是旧列车试验地板，2012年3月之后，采用了新研制的列车试验地板。根据流场测量试验结果，新旧地板表面附面层厚度存在差异，新地板在高速列车模型区域的表面附面层厚度比旧地板平均少约12～15 mm。

对某型高速列车1:8模型分别采用旧、新地板进行了试验，试验来流风速60 m/s，湍流度0.1%，大气压94 340 Pa，气温18 ℃，并对试验数据进行了对比分析。从试验结果中对cd的对比和分析看，扣除其他因素的影响，采用新地板获得的全车cd约为0.373 2，旧地板全车cd约为0.366 1，新地板全车cd比旧地板全车cd大约2%。由此可见，地板表面附面层厚度不同对试验结果将会产生影响，即地板表面附面层厚度偏大，则导致气动阻力的试验结果偏小。这是因为对于固定在地板表面的高速列车模型，当地板表面附面层厚度较大时，高速列车模型从头至尾将有一部分“淹没”在地板表面附面层内，附面层越厚，车身“淹没”在地板表面附面层内的部分越多。而地板表面附面层内气流流速比附面层外小，导致车身“淹没”部分受到的气动阻力也偏小，则试验获得的气动阻力也偏小。

根据相关文献研究结论[13]，当附面层位移厚度在10 mm以内，气动阻力系数与附面层位移厚度之间基本呈线性递减的关系，即ΔCd=Kδ*，其中ΔCd为气动阻力系数的修正量，δ*为附面层位移厚度，K为常数。对于国内大多数采用固定地板开展的高速列车模型风洞试验，需要根据地板表面附面层分布和发展情况研究合适的修正比例常数K，从而获得比较准确的附面层影响修正结果。

5 结论

本文以国内高速列车模型风洞试验平台为基础，对国内开展的高速列车模型风洞试验进行了总结，分析有无路基、路基结构外形、模型支座形式、风洞洞壁和固定地板表面附面层等因素对试验数据的影响规律，得出如下结论：

(1) 与有路基相比，在无路基状态下，头车、中间车、尾车和全车的cd都明显增大；

(2) 路基前端伸出车头的长度不应少于3倍车身宽度，路基前端斜坡坡度不应大于35°，则路基前端伸出车头长度和前端斜坡坡度的变化对头车cd的影响较小；

(3) 采用双腿或多腿支座的高速列车模型头车、中间车和尾车各气动力的重复性试验精度均明显优于采用单腿支座的重复性试验精度；

(4) 风洞洞壁对高速列车模型风洞试验数据的影响一般可以不考虑阻塞影响，而应该根据模型区域的轴向静压梯度考虑轴向静压梯度的影响，并作相应的数据修正；

(5) 固定地板表面附面层厚度偏大，将导致气动阻力的试验结果偏小。

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