城际动车组气动阻力优化的风洞试验研究

尚克明，杨明智，周彬



城际动车组气动阻力优化的风洞试验研究

尚克明1，杨明智2, 3，周彬4

(1. 中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111；2. 中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410075；3. 轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙 410075；4. 中国空气动力研究与发展中心，四川 绵阳 621000)

采用风洞试验方法对城际动车组气动阻力优化进行研究，获得不同侧滑角下的城际列车明线及横风气动阻力，并分析头部外形、风挡结构、车底设备对动车组气动阻力的影响规律。研究结果表明：侧偏角在0°~10°范围内，随着侧滑角增加，头车阻力系数逐渐增大，中间车阻力系数先增大后减小；尾车阻力系数对于侧滑角最敏感，头车次之，中间车最小。无横风时，设置外风挡显著减小了头车及尾车阻力系数，但导致中间车阻力系数增加约16.7%，整车阻力系数仅减小4%左右。安装设备舱后，车体底部杂乱的气流变得平顺，无横风时整车气动阻力系数较减小22%，而横风环境下整车气动阻力系数降幅可达25%。

城际动车组；风洞试验；流线型；风挡；设备舱；气动阻力

近年来，以城际短途运输为主要目标的城际列车取得了蓬勃的发展。作为一种运行速度介于地铁和高速列车之间的轨道交通工具，城际动车组具有快速启停、安全性高、舒适性好、省时高效和载客量大等特点[1−2]。我国城际动车组运行速度目标值为100~160 km/h，如果采用地铁列车的钝头外形，当列车以160 km/h速度运行时，其气动阻力将占列车运行总阻力的50%以上[3−4]。如果采用类似高速列车的流线型外形和全封闭式的设备舱结构，会显著增加列车运营及制造成本[5−6]。为此，系统开展运行速度介于地铁列车和高速列车之间的城际动车组的气动外形优化研究，将有助于指导城际动车组的设计，并为城际动车组的选型提供重要依 据[7−8]。高速列车空气动力学研究方面一直是国内外的研究热点[9−11]。近年来，随着人们对短途旅行要求的不断提高，城际动车组的气动性能和外形优化逐渐受到关注[12−14]。丁叁叁等[15]主要从头部外形气动优化设计和车体表面平顺化2个方面开展气动设计，提出了4个速度等级的城际动车组头型，并基于数值模拟、风洞试验及线路试验进行了设计验证。于庆斌[16]采用风洞试验方法主要从测力、测压、丝线流态显示3方面，研究了城际动车组的气动性能，并分析了车身关键部件对城际动车组气动特性的影响规律。基于上述研究结论可知，目前国内外研究主要集中在城际动车组头部流线型外形的设计及其明线运行时气动阻力，而对于城际动车组的横风气动性能和车体关键部位(如风挡及车底结构等)对动车组气动性能影响的研究则相对较少。本文采用风洞试验方法，对不同流线型头部、风挡及车下设备方案的城际动车组气动性能进行研究。通过对比和分析具有不同头部外形、风挡结构、车底设备舱结构的城际动车组的明线及横风气动性能，获得其各影响因素下的动车组气动阻力变化规律，为城际动车组头型设计和车身优化提供参考依据。

1 试验设备与安装

1.1 试验设备

本次试验在中国空气动力研究与发展中心低速所的闭口串列双试验段风洞的高速段上进行，高速段宽 8 m，高6 m和长15 m，试验段风速范围20~70 m/s。

为减小地面效应，试验段安装了列车试验专用地板，由五块地板拼接而成，并在每块地板末端下表面安装扰流片，通过在地板之间的缝隙处形成涡流低压区，来吸引地板上表面气流，从而降低了地板附面层厚度目的。为减小地板端部对气流的干扰，地板前、后缘均设计成流线型；地板上表面距风洞地面1.06 m，安装试验地板后，试验段有效尺寸为宽8.0 m，高4.9 m和长16.1 m，有效截面积39.2 m2。为实现精确改变列车侧滑角()，在地板中间安装有直径7 m和可旋转360转的转盘，转盘中心距地板前缘和后缘分别为7.84 m和8.26 m。

本次试验采用3个六分量盒式应变测力天平来采集3节车的非定常气动力，为提高数据精度，天平采样频率为1 000 Hz；为避免列车涡脱引起的气动力波动带来的干扰，每次采样时长不少于60 s；为保证天平测试稳定，避免因温度变化带来的零飘，在正式测试前30 min对天平进行供电。

1.2 试验模型安装

本次试验采用1:8缩比尺度的3车编组(头车+中间车+尾车)城际动车组作为试验模型，如图1所示，模型根据CEN European Standard进行了必要的简化处理。地面模拟采用根据CEN European Standard[4, 17]设计的平地路基和轨道模型，两列轨道平行固定在路基上表面两侧，且位于动车组转向架车轮下方；路基和轨道模型长约14 m，其末端距离动车组模型头、尾部约2 m，路基前端和两侧均采用斜坡结构，路基中间部位固定在转盘之上，两端有滑轮，可以随转盘同步转动，具体布置情况如图1所示。风洞中的总阻塞比远小于5%，根据CEN标准确定本次实验数据不需要修正。

图1 EMU1风洞试验模型

车体与路基之间只通过测力天平连接，且测力天平位于模型内部。为实现模型列车各节车厢的单独测力，各车厢相互独立、无干涉，且相互之间有约10 mm的间隙。为避免侧风通过缝隙造成流场模拟失真，各车厢相邻的风挡部位采用嵌套结构。

2 试验模型及数据处理

2.1 列车及部件模型

为研究城际动车组外形及车身结构对其气动阻力的影响，针对列车头部外形、风挡和设备舱结构，均设计加工了2种形式，下面进行分类介绍。

为研究头部流线型对城际动车组气动阻力的影响，涉及到的2种头型的动车组模型分别为EMU-1和EMU-2，其中EMU-1头部为流线型，其流线型头部长4.6 m；EMU-2头部为钝体，长2.0 m，如图2所示。

为比较不同风挡结构对城际动车组气动阻力的影响，涉及到的风挡形式分为无外风挡和半封闭外风挡结构，其外形及安装方法具体如图3所示，安装于EMU-1型列车上。

图2 城际动车组头型

图3 试验模型风挡及其安装方法

为分析设备舱对城际动车组气动阻力的影响，设计了车底设备外露和带设备舱两种模型。设备舱的作用是将车下设备全部置于设备舱内部，对车底面进行平顺化；而由于车体底部设备外形复杂，尺度差异较大，为便于仿真分析和模型加工，对车下设备进行了必要的简化，具体如图4所示。

图4 模型列车底部设备布置

2.2 数据处理

定义列车总阻力为各节车厢的天平得到的空气阻力之和，根据CEN standard[4, 17, 20]，列车气动阻力无量纲值由式(1)计算获得：

C=F/(0.5ρ2) (1)

式中：C为气动阻力系数；F为气动阻力；为城际动车组模型的参考面积，取列车横截面积；为试验风速；为空气密度，取1.225 kg/m3。

3 试验结果分析

3.1 试验风速的确定

在进行缩比空气动力学试验前，一般要确保试验数据的雷诺数效应不再明显[19]。为此，首先对=0侧时的EMU-1模型进行变风速试验，试验风速范围为30~70 m/s，获得列车阻力系数结果如图7。从图中可知，列车在40 m/s及以上风速时，头车、中间车和尾车的C对于风速的敏感度不再明显，其均方根误差分别为0.002 0，0.002 9和0.000 9。因此，确认本次试验的风速在40~70 m/s范围内，可确保试验数据几乎不受雷诺数效应影响。我国城际动车组运行速度目标值为100~160 km/h，对应吹风风速为27.78~44.44 m/s，在确定吹风风速时，除了需要考虑雷诺数进入自模拟区外，应尽可能使模拟的雷诺数接近实际雷诺数，由于模型比例为1:8，实验雷诺数为实际雷诺数的1/8，因此，可以提高吹风风速来提高实验雷诺数，另外，考虑风洞的流场品质以及模型的抖动等因素，本次实验的吹风风速确定为55 m/s。

图5 各节车阻力系数随风速变化

3.2 头部外形的影响

图6为=55m/s时，EMU-1和EMU-2动车组3节车及整车C随变化曲线。从图6可以看出，对于在0~10°范围内，头部外形不改变各节车C随的变化规律；随增大，头车阻力系数而逐渐增加，中间车C先增加后减小。对比3节车C随变化曲线可知，尾车C对于变化最敏感，头车次之，中间车最小，这种现象可能与侧滑角变化显著改变了压差阻力和尾流有关。从图6还可以看出，当=0°，即无横风时，具有相对较长流线型头部的EMU-1动车组的头车、尾车及整车C均比EMU-2动车组的小很多，这主要是流线型头部的影响：EMU1流线型长达4.6 m，在高度方向和宽度方向均进行流线型化，而EMU2流线型长度仅为2.0 m，只在高度方向稍微进行流线型化，宽度方向只进行导角处理，几乎没有进行流线型化，因此，两者的整车气动阻力系数相差19%。气动阻力系数随着增加，2种车型的头车及整车C之间的差距有减小趋势；从2种车型的中间车C差异很小可知头车对流场的改变对于中间车影响相对较小，但是随着增加，两者中间车C差异逐渐明显。

图6 不同头型的动车组气动阻力系数随侧滑角变化

图7 不同风挡形式的动车组气动阻力系数随侧滑角变化

3.2 风挡影响

图7为=55 m/s时，分别安装内风挡和半封闭式风挡的EMU-1动车组的3节车及整车C随变化曲线。从图7可以看出，对于在0~10°范围内，半封闭式外风挡不改变各节车C随变化规律，且明显改善了头车和整车的气动阻力，但是却增加了尾车的气动阻力；随着的增大，半封闭式风挡对于整车C的改善效果更加显著；半封闭式风挡对于中间车C的影响相对复杂些，在小于5°时，半封闭式风挡会增加中间车C，当大于5°后，半封闭式风挡开始改善中间车气动阻力，且随着增加，效果更显明显。=0装时，安装有半封闭式风挡的动车组的头车C减小约11%，中间车C增加约16.7%，尾车C增大约4%，整车C基本一致。因此，对于无风环境下，半封闭外风挡只是改变了阻力在各节车中分布，但整车阻力降低有限；而从横风环境下的整车气动阻力来看，外风挡对于列车减阻效果很明显。

3.3 车底设备的影响

图8为=55 m/s时，有无设备舱的EMU-2动车组的3节车及整车C随变化曲线。从图8可以看出，安装设备舱可以显著降低列车气动阻力，对中间车C随变化

规律有略微影响。=0°，即无横风时，安装设备舱可以减小整车气动阻力22%，这是由于安装设备舱以后，将外露设备全部封闭，使得车体底部杂乱的气流变得平顺，因而空气阻力明显减小。随增加，设备舱的影响更加显著，在=10°时，安装设备舱可减小整车气动阻力的25%。综上所述，设备舱对于各节车及整车的减阻效果均相当明显。

图8 有无设备舱的动车组气动阻力系数随侧滑角变化

4 结论

1) 头部外形不改变各节车C随的变化规律；随增大，头车阻力系数而逐渐增加，中间车C先增加后减小。尾车C对于变化最敏感，头车次之，中间车最小。当=0°时，长流线型的动车组气动阻力较好，随着增加，2种车型的头车及整车C之间的差距有减小趋势；头型对于中间车影响相对较小，但是随着增加，2种车型的中间车C差异逐渐明显。

2) 半封闭式外风挡不改变各节车C随变化规律，且明显改善了头车的气动阻力，但是却增加了尾车的气动阻力。从减阻效果来看，对于无风环境下，半封闭外风挡只是改变了阻力在各节车中分布，但整车阻力降低有限；而从横风环境下的整车气动阻力来看，外风挡对于列车减阻效果很明显。

3) 设备舱对于各节车及整车的减阻效果均相当明显，对中间车C随变化规律有略微影响。=0°，即无横风时，安装设备舱可以减小整车气动阻力22%，随增加，设备舱效果更加显著，在=10°时，安装设备舱可减小约25%的整车气动阻力。

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(编辑 蒋学东)

Experimental study on the optimization of the aerodynamic drag of the intercity EMUs

SHANG Keming1, YANG Mingzhi2, 3, ZHOU Bin4

(1. CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd, Qingdao 266111, China; 2. School of Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 3. Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education, Changsha 410075, China; 4. China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang 621000, China)

This paper studied the optimization on the aerodynamic drag of the intercity Multiple Electrical Units (EMUs) by wind tunnel tests. The aerodynamic drag characteristics of the intercity EMUs under different sideslip angles were obtained, and the influences of the head shape, windshield and equipment cabin on the aerodynamic drag characteristics of the intercity EMUs were analyzed. The results show that, while sideslip angle ranges from 0° to 10°, with the increase in sideslip angle, drag coefficient of head car increases gradually, and drag coefficient of middle car first increases and then decreases. The drag coefficient of tail car is the most sensitive to the sideslip angle, followed by head car and middle car sequentially. Without crosswind, drag coefficients of the head car and tail car were significantly reduced by the outside windshield, while the drag coefficient of the middle car increased by 16.7% and that of the whole train decreased by 4%. The equipment cabin improved the airflow at the bottom of the train, and the drag coefficients of the whole train with and without crosswind were decreased by 22% and 25%, respectively.

intercity EMUs; wind tunnel test; streamlined shape; windshield; equipment cabin; aerodynamic drag

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2018.09.003

U270.11

A

1672 − 7029(2018)09 − 2202 − 07

2016−10−28

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2016YFB1200602-11)；国家自然科学基金资助项目(11372360)

杨明智(1972−)，男，湖南望城人，教授，博士，从事列车空气动力学研究；E−mail：yqyymz@126.com