高速列车车体高度对列车通过隧道气动效应影响研究

张学军 吴柯江 王孔明 高磊

摘 要：列车车体高度是影响车辆轻量化及气动效应的重要指标，随着列车速度的增加，列车高度对气动效应的影响变得更加明显，建立了车体高度分别3.95 m和4.05 m的三车编组高速列车气动效应分析模型，分析列车表面压力、隧道壁面压力波动、隧道出口微压波和气动阻力.计算结果表明，车体高度由4.05 m减小至3.95 m时，车体表面测点的最大负压幅值最大减小5.21%，车体表面测点压力的峰值最大减小5.82%；隧道壁面测点压力峰值减小1.99 %～10.42%左右，减小量最大值也出现在P13处，其余测点最大负压减小量均在5%以下；出口不同处微气压波幅值减小约2.03～3.63%；列车隧道内最大气动阻力减小2.17%.

关键词：高速列车；车体高度；隧道；气动效应；压力波；微气压波

中图分类号：U451.3

文献标志码：A

文章编号：1004－5422（2023）03－0324－06DOI：10.3969/j.issn.1004-5422.2023.03.016

0 引 言

高速列车气动阻力主要与气动外形、编组数量及表面平顺化等因素相关.随着列车运行速度的提高，气动阻力的占比越来越大［1-2］.列车速度达到300 km/h时，气动阻力占了总阻力的80% ［3-4］.列车在高速进入隧道时，将会产生剧烈变化的压力波，这些压力波将作用于隧道和车体表面，不但对列车运行姿态产生影响，严重时还可能对隧道与车体的结構造成损害，对行车安全有着显著的影响［5］.列车通过隧道的气动效应的影响因素众多，包括列车的车型（车头形状、车长和车高等），列车进入隧道时的车速，隧道的阻塞比、长度和壁面条件等［6］.其中，列车车体高度也是影响车辆轻量化及气动效应的重要指标之一.本研究对不同车体高度对列车隧道通过气动效应影响进行分析，为列车气动效应设计提供指导.

1 计算分析模型

1.1 几何模型

选取三车编组的列车模型进行数值仿真计算，对比研究车体高度H为3.95 m和4.05 m时，对高速列车通过隧道时气动效应的影响，宽度为3.36 m，列车长度与高度呈倍数关系，如图1所示.

1.2 边界条件

考虑到高速列车实际运行速度为350 km/h，利用隧道单车通过工况下的最不利隧道长度计算方法［7-8］，通过公式1计算可得，高速列车单车通过隧道的最不利隧道长度约350 m.因此，选取列车速度为350 km/h，隧道截面积为100 m2，长度为350 m进行数值计算，数值计算区域如图2所示，列车鼻尖距离隧道入口80 m.

L≈L车4×cv车×（1+cv车）（1）

式中，L车为列车的整车长度；V车为列车运行速度，需根据不同的工况代入不同的值，m/s；c为声速，取340 m/s.

1.3 测点分布

为了探明列车通过隧道时车体表面的压力变化，在计算车型的头车表面布置压力测点.压力测点位置必须要有代表性，并且应便于分析和计算.从头车流线型区域的鼻尖开始，沿流线型纵向中心线布置HP1～HP8测点，如图3（A）所示.在列车运行方向远离隧道壁面一侧布置HP9～HP16测点，在靠近隧道壁面一侧布置HP17～HP24测点，远离隧道壁面一侧布点与靠近隧道壁面一侧布点沿纵向中心线对称，靠近隧道壁面一侧布点如图3（B）所示.在头车非流线区域布置测点HP25～HP34，如图3（C）所示.中间车布置10个表面测点，命名为MP1～MP10.

在距隧道入口20、50、100、150、200、250和300 m 7个截面处布置了一系列测点，截面位置如图4（A）所示，距离隧道入口20 m处截面的测点布置及编号如图4（B）所示，编号为P11～P13；同理，其余截面编号为P21～P23、P31～P33、P41～P43和P51～P53.P*1和P*3测点距离地面高度为3.5 m.

2 列车表面压力波动

图5和图6为列车表面测点压力随时间的变化情况.由图可得，头车流线型区域表面测点压力变化规律一致；车体非流线型区域侧窗测点的压力变化规律一致.车体高度的变化对列车表面压力的变化规律没有影响，但对其压力波动幅值略有影响.随着车体高度的降低，车体表面测点的压力峰值有所减小.

图7给出了高速列车在不同车体高度下，以350 km/h的运行速度通过隧道时，列车表面测点的压力对比变化情况.由图可得，车体高度的变化对列车通过隧道过程中的表面压力变化规律的影响较小，对列车表面压力幅值有一定程度上的影响.

列车以350 km/h的运行速度通过隧道时，靠近隧道壁面一侧测点（HP32、MP8和TP32）的最大负压要比靠近隧道中心线一侧测点（HP28、MP4和TP28）的大0.21%～3.05%左右，这是因为隧道近壁面一侧的空气流动会受到隧道壁面的限制，使得空气被挤压得更为严重，但是测点的压力变化主要是由压缩波和膨胀波引起的.头车鼻尖测点的压力波动幅值最大，且头车主要受到正压作用.车体高度越高，列车表面压力变化幅值越大.列车车体高度从4.05 m降低到3.95 m时，车体表面测点的最大负压幅值最大减小5.21%，车体表面测点压力的峰值最大减小5.82%.

3 隧道壁面压力波动

图8给出了列车在不同车体高度下，以350 km/h的运行速度通过隧道时，隧道壁面测点的压力变化情况.由图8可得，车体高度的变化不影响隧道内壁面测点压力的变化规律，只对隧道壁面压力波动幅值有轻微影响.

列车通过隧道时，靠近隧道壁面一侧测点（Pi3）的压力变化幅值要比靠近隧道中心线一侧测点（Pi1）大，P13测点比P11测点的压力变化幅值大28%左右，主要原因在于P1j测点距离隧道入口较近，列车两侧气流流动存在较大差异.其余截面位置两侧测点的差值均在10%以内.测点距隧道入口越远，隧道壁面测点的最大负压幅值先增加后减小，隧道壁面最大负压处位于P43测点.在距离隧道出口时，隧道壁面最大负压又有所增加.高速列车在不同车体高度下，以350 km/h的运行速度通过隧道时，车体高度减小0.1 m后，隧道壁面测点最大负压幅值减小1.13%～18.61%左右，减小量最大值出现在P13处，其余测点最大负压减小量均在6%以下.可见，车体高度的降低对隧道入口处壁面的压力波动有所改善.车体高度减小0.1 m，隧道壁面测点压力峰值减小1.99%～10.42%左右，减小量最大值也出现在P13处，其余测点最大负压减小量均在5%以下.

4 隧道出口微气压波

当列车在3.95 m和4.05 m的车体高度下，以350 km/h速度等级通过350 m隧道时，距离隧道出口10、20、30、40和50 m时，横向距离5 m处的压力波动如图9和图10所示.从图中可以看出，在脉冲压力波传播到隧道外之前，测点压力基本为0，当压力波到达测点时，测点压力会突然上升，然后慢慢衰减.

图11给出了列车在不同车体高度下，以350 km/h的运行速度通过隧道时，隧道出口W22测点的微气压波的变化情况.车体高度分别为3.95 m和4.05 m时，W22测点压力最大幅值分别为68.5 Pa和69.9 Pa.车体高度减小0.1 m，出口微气压波幅值减小约2.04%，出口微气压波幅值减小约2.03～3.63%.

5 气动阻力

图12给出了不同列车高度下，列车过隧道时气动阻力的对比结果.由图12可得，列车车体越高气动阻力越大.车体高度减小0.1 m，列车隧道内最大气动阻力减小2.17%.

6 结 论

本研究建立了车体高度分别3.95 m和4.05 m的三车编组高速列车气动效应分析模型，研究列车表面压力、隧道壁面压力波动、隧道出口微压波和气动阻力，列车车体高度从4.05 m降低到3.95 m时，气动效应主要变化规律如下：

1）车体表面测点的最大负压幅值最大减小5.21%，车体表面测点压力的峰值最大减小5.82%.

2）隧道壁面测点压力峰值减小1.99 %～10.42%左右，減小量最大值出现在P13处，其余测点最大负压减小量均在5%以下.

3）出口不同处微气压波幅值减小约2.03～3.63%.

4）列车隧道内最大气动阻力减小2.17%.

参考文献：

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（实习编辑：罗 媛）

Abstract：Train body height is an important indicator that affects vehicle weight reduction and aerodynamic effects.With the increase of train speed，the impact of train height on aerodynamic effects becomes more apparent.In this study，aerodynamic effect analysis models for three car marshalling high-speed trains with body heights of 3.95 m and 4.05 m have been established to analyze train surface pressure，tunnel wall pressure fluctuations，tunnel outlet micro pressure waves，and aerodynamic resistance.The calculation results show that when the height of the vehicle body decreases from 4.05 m to 3.95 m，the maximum negative pressure amplitude at the measuring points on the vehicle body surface decreases by 5.21%，and the maximum peak to peak pressure at the measuring points on the vehicle body surface decreases by 5.82%; the peak pressure at the tunnel wall measurement points decreased by from about 1.99% to 10.42%，and the maximum reduction also occurred at P13.The maximum negative pressure reduction at other measurement points was below 5%; the amplitude of the micro pressure wave at different locations at the outlet decreases by from about 2.03% to 3.63%; the maximum aerodynamic resistance in the train tunnel was reduced by 2.17%.

Key words：high-speed train;train body height;tunnel;aerodynamic performance;pressure wave;micro-pressure wave

作者简介：张学军（1979—），男，工程师，从事轨道交通研究.E-mail：zhangxuejun1979@126.com