高速列车风挡腔内流场分布试验分析方法探讨*

白 夜，杨 俊，李建平，张 超，董孝卿

（1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京 100081；2 北京纵横机电科技有限公司，北京 100094；3 华东交通大学，南昌 330013；4 中国铁路武汉铁路局有限公司，武汉 430071）

作为高速列车车厢间软连接的组成部分，风档的结构与连接方式会改变列车的气动性能，进而影响高速列车的运行平稳性、乘坐舒适性以及经济环保性［1-4］。目前相关学者对风挡气动性能的研究主要集中在气动减阻降噪方面。梁习锋等［5］早期通过数值仿真分别研究了小风挡、大风挡与全封闭风挡对列车气动阻力的影响。杨加寿等［1］进一步计算了高速条件下7种风挡形式对局部气动性能的影响。黄志祥等［2］选择3编组列车模型采用风洞试验方法研究了半封闭和全封闭外风挡条件下气动阻力的分布规律。牛纪强等［6］利用数值计算方法研究了不同横风侧向角条件下风挡结构与表面压力的影响规律。张业等［4］从风挡缝宽角度计算了多种风挡形式下列车气动性能的变化情况。唐明赞等［7］通过数值模拟研究了不同安装间距下气动载荷作用对外风挡结构变形与应力的影响。盖杰等［8］采用数值仿真方法分析了3种外风挡结构周围流场和气动载荷的变化规律并与线路试验结果进行对比。上述研究基本选择数值仿真或风洞试验作为主要研究方法，少数研究开展了实车线路试验，但对试验方法及试验结果的描述分析较少，多用于对数字仿真与风洞试验的研究结果。

文中在多次实车试验基础上，从试验方案和数据处理与分析2方面系统梳理了针对高速列车风挡的实车试验方法，并以某型动车组试验结果为例，验证了该试验方法的有效性。

1 风挡结构

目前我国高速列车的运营速度一般在200～350 km/h之间，为了控制气动阻力与噪声风挡结构采用的是内风挡与外风挡相结合的结构设计［9-10］。内风挡主要起到保证车内气密性与隔音降噪的功能，多采用折棚式密接风挡；外风挡则以U型橡胶外风挡为主［11-12］，可以在使车体间近似平滑过渡，如图1所示。

图1 复兴号动车组折棚式密接内风挡及U型橡胶外风挡

2 试验方案

针对高速列车风挡区域的空气动力学问题，采用实车试验方法开展研究，通常关注2方面问题，即不同运行速度条件下风挡腔内区域的流场分布情况和内外风挡的振动变形情况。其中风挡腔内流场分布是研究气动阻力和气动噪声的基础，亦是文中讨论的主要内容，下述试验方案主要针对流场测试。

2.1 试验方法

实车试验测试区域流场常用的试验方案通常包括空气流场跟踪、气流速度测试和空气压力测试3类。针对风挡腔内流场，常用试验方法为微丝示踪法和表面压力测试法2种［7-8］，分别介绍如下：

（1）微丝示踪法

微丝示踪法是指通过视频摄像机拍摄跟踪风挡空腔内微丝的运动情况，以判定空腔内选定位置的气流方向、涡旋情况等。由于风挡空腔空间较小，不利于安装过大的设备干扰流场，同时腔内光源较弱、背景颜色复杂，所以需要选择颜色鲜艳尺寸偏粗的丝线、丝带等作为介质以便于视频摄像机直接观察。虽然微丝示踪法相对直接、便捷，但是也存在较大的局限性。一方面，微丝示踪法更适合于低速流动、定常流动，且只能通过丝线的转动、抖动或者翻转给出定性结果。另一方面，测试需要的装置都要放置在风挡空腔内。选取的丝线为了保证可视性通常较粗，将对气流产生干扰；置于腔内的摄相机及其固定工装不仅体积大，还位于进出风口位置，也会干扰流场。上述干扰都会影响微丝示踪法试验结果的真实性。

（2）表面压力测试法

表面压力测试法是指在内外风挡及空腔壁面上安装绝压传感器或差压传感器，测试固体表面压力脉动情况的方法。表面压力测试系统需要将呈扁平薄片状的压力传感器置于风挡腔内外表面上，通过连接线与车内数据采集系统连接进行测试。这种方法的优势在于传感器及其连接线体积都比较小，用胶带覆盖于固体表面后基本保持了固体表面的平滑性，对流场的干扰较小。表面压力测试法得到的测试结果是定量的，且传感器不同精度和灵敏度都较高，相对微丝示踪法可以更好地反映真实流场。但该方法同样存在局限性，一方面由于传感器需要安装在固体表面，所以只能获得固体表面压力变化情况；另一方面为了避免干扰流场测点布置不宜过多，因此测试所得结果是属于孤立离散点的。

流场中还可以通过各式风速仪测量定点位置的风速，常用的测试方法可分为接触式测量和非接触式测量2种。前者可通过机械式/热线风速仪、测压管进行测试，后者则需要激光多普勒测速仪或粒子测速仪实现。机械式风速仪及测压管都不适合风挡腔内非定常流动；热线风速仪虽然灵敏度方面可以满足要求，但在实际应用中面临测点位置困难与设备安装对流场干扰大的问题；非接触测量方法则对设备安装提出极高要求，虽然在模型试验中大量使用，但尚无研究单位在实车上开展测试。

除了上述测试流场的方法外，实车线路试验过程中还需要对车辆运行速度进行实时测试，同时标定车辆的运行里程并根据线路文件判断列车所处线路条件，便于后期数据整理分析。数值仿真与风洞模型试验不同的是，实车线路试验中车速并不是均匀恒定的，受到车辆牵引性能和线路条件（如道岔、曲线、坡道、分相区等）所限，列车运行速度会出现一定幅度的波动，对风挡区域空气动力学现象产生影响。这种影响虽然并不固定，但对于列车运行过程是真实的，也应予以考量。目前常用的测速方法以安装速度传感器和通过GPS测速为主，前者测量精度更佳。

2.2 方案示例

文中以某型8编动车组的风挡腔内流场试验为例，给出定量试验方案。该动车组的内外风挡分别为折棚式密接风挡和U型橡胶外风挡，两侧胶囊在安装时施加了预压缩以保持外风挡的刚度和稳定性；减振器处存在300 mm高的开口，同时风挡肩部R800 mm处开缺口，如图2所示。

图2 某型动车组外风挡底部底部及肩部开口实物图

示例试验采用表面压力测试法开展测试。选用其工作原理为压阻式和惠斯通电桥原理的绝压传感器，采样频率最高可达60 kHz，同时速度传感器采集列车运行速度信息。

压力测点布置在风挡腔内车体中部高度处，车外也分别在外风挡及车厢中部车外相同高度处布置测点，如图3所示。由于试验仅作为示例，测点布置较少，实际试验应补充更多部位测点，以追踪流动变化情况。

图3 风挡腔内外测点布置示意图

3 试验数据处理与分析

在实车试验过程中，由于运行线路往往较长，区域跨度大，且受到地势所限，线路沿线的海拔差异较大。一方面，海平面至同温层之间气温、空气密度和气压都随海拔升高存在明显的降低趋势；另一方面气压存在幅值在100～400 Pa之间的日变化，也与风及天气相关。所以线路沿线各处的当地气压存在较大差异，在处理绝对压力数据时需要尽量排除这些因素。

3.1 数据的处理方法

为了尽量降低线路沿线各处绝对压力变化对测试结果的影响，选择计算风挡腔内外压差可以有效抵消局部压力的差异。在处理数据过程中，选取外风挡外表面一固定测点压力值作为车外气压基准，分别计算风挡腔内各测点与该测点压力的压差值，通过压差的变化趋势研究车速对风挡内压力的具体影响。

需要注意的是，外风挡外表面与两侧车厢间并不是完全平滑的，且U型胶囊的“直线”区域由于预紧力作用也存在一定的弧度，所以风挡外测点位置的选取会显著影响到压差变化幅值，应额外选取车厢中部位置的车外测点对比得到风挡外表面压力情况。

3.1.1 速度及线路参数

在实车线路试验过程中，要考虑行车方向对风挡腔内流场的影响，由于车速会根据线路条件发生波动，在处理数据时应根据列车运行的实际速度进行筛选分类。对于高速列车风挡腔内流场，还需区分曲线与直线路段。这是因为车体两侧风挡在曲线区段会分别出现挤压和拉伸，改变风挡腔整体结构，应将风挡状态按直线、不同半径的曲线内侧及不同半径的曲线外侧加以划分。明线/隧道以及单车通过/交会也是需要加以区分的。

划分过程如图4所示，经过分类后的数据是分散在整个试验过程中的多个小区段。综合考虑风挡空腔内流场湍流度情况及列车线路条件，每个区段按1 min划分采样，得到多组试验数据。

图4 试验数据划分示意图

3.1.2 统计分析

对于每一组试验数据进行统计分析可以得到风挡腔内各测点在特定速度级、线路条件下与风挡外测点的压差平均值和绝压方差，同时可以计算风挡外测点与车体外测点的差值统计量。选取8车在前时明线直线段部分测点，计算结果见表1。

表1 动车组8车在前时明线直线段部分测点计算结果

3.1.3 频谱分析

经过分段后的压力信号在广义上是相对平稳的，所以可以通过功率谱密度加以分析。功率谱密度是指波的功率频谱密度乘以一个适当的系数后将得到每单位频率波携带的功率。

当动车组8车在前且在明线直线段以速度385 km/h运行时，选取测点4的绝压测试结果计算其功率谱密度如图5所示。文中作为示例选取的是周期法进行功率谱密度计算，进一步的研究可尝试其他计算方法。

图5 动车组8车在前且在明线直线段以速度385 km/h运行时测点4功率谱密度

3.2 试验数据的分析

针对处理后的数据可以分别分析压力、湍流度和振动等流动相关参数。

3.2.1 压力

统计分析中获得的压差均值可用于衡量压力幅值，由表1可知，风挡腔内3个测点的压力值与风挡外相比呈负压，说明风挡宏观上受到吸力作用。随着动车组运行速度增加，各测点的负压绝对值基本呈现增大趋势。位于车体上的测点2的负压值随速度增长降低明显，而内风挡上测点4则变化相对平缓，这反映了车体壁面整体光滑与内风挡褶皱对风挡腔内流场的不同影响。

3.2.2 湍流度

风挡腔内壁面处的湍流脉动压力是气动噪声的研究内容之一，统计分析中获得的方差可以用于衡量压力脉动程度。分析表1中数据可知，风挡腔内处于外风挡上的测点1和车体上的测点2方差值明显大于内风挡上测点4的方差值，说明内风挡的褶皱在一定程度上对风挡腔内流场起到了缓冲作用，降低了湍流度。

3.2.3 振动

由于风挡腔内固体表面的压力脉动可以在一定程度上反映固体本身的振动情况，应对压力信号进行振动分析。采用功率谱密度作为概率统计方法可以有效分析该随机振动。图5的功率谱密度结果，就反映了测点4所在的内风挡处在速度385 km/h下发生了0.5、37.1、42.4 Hz的振动，这与内风挡振动测试得出的结果是一致的。

4 结论

文中针对高速列车内外风挡间空腔内的流动，围绕实车试验方法展开讨论。受到实车试验设备所限，现阶段的测试主要通过2种方法：（1）定性测试：采用丝线、丝带追踪腔内某点的运动情况并用摄像机跟踪拍摄；（2）定量测试：采用绝压或差压传感器测试风挡及空腔表面压力变化。文中主要探讨了采用压力（压差）传感器测试流场时的试验方案与试验数据处理分析方法，并以某型动车组为例，给出了分析处理后风挡内各测点的压力、湍流度及振动的变化趋势。

由于风挡内结构的复杂性，采用数值计算对相关流场的分析存在一定的局限性，特别是内部小结构将对风挡内湍流发展的影响、各处结构对高速列车运行总阻力的叠加作用等。实车试验相比数值计算更能反映风挡的实际运行状态，但缺陷在于试验过程中设备也会对流场产生干扰，且测试手段存在较大局限性，无法获得较为全面的流场信息。进一步的研究可以将实车试验方法扩展至非接触式流场测量手段，比如粒子测速仪（PIV）等设备对空腔内流场开展试验，获得更多的原始流场信息，为相关研究提供更为全面的数据支撑。