第六章-动车组设计--高速列车空气动力学

第六章高速列车空气动力学与车体外型设计第一节列车空气动力学一、问题的提出1814年，英国人发明了世界上第一台沿轨道运行的蒸汽机车，开始建造铁路，并形成由机车牵引车辆、组成列车从事运输的铁路运输业。自铁路运输问世以来，提高列车运行速度成为铁路工作者一直不断追求的目标，列车由蒸汽机车牵引逐步发展到内燃、电力机车牵引，其运行速度也随着提高。第六章高速列车空气动力学与车体外型设计一、问题的提出随着列车运行速度的提高，列车的空气动力问题日益突出虽然列车和汽车都是在地面上运行的交通工具，但列车和汽车不同，列车由动车和多节呈长方体的车厢串联组成，外形细长，载重量大，运行速度高于汽车，而且列车是在固定轨道上高速运行，当复线上两相对运行列车交会及列车过隧道所引起的空气动力问题，如果处理不当，将影响行车安全和旅客的舒适性并制约列车运行速度的提高。日本是最早开行高速列车的国家，正是因为其复线间距和隧道断面积偏小，至今列车的营运速度都未能超过300km/h；德国的常导高速磁悬浮列车，由于对列车交会问题未作深入的研究，在上海浦东两列车高速交会时，车体侧壁产生较大的弹性变形并伴有爆破声，严重影响旅客的舒适性。因此，列车有其自身的空气动力学问题，特别是高速轮轨和磁悬浮列车的发展，使列车空气动力学成为风工程与工业空气动力学研究领域中的一个重要分支。第六章高速列车空气动力学与车体外型设计第一节列车空气动力学二、主要研究内容及方法列车空气动力学研究的目的主要是减小气动阻力，改善操纵稳定性，提高安全舒适性及减小其对环境的影响。列车空气动力学的研究内容可以归纳如下几个方面：（1）明线(非隧道)上列车运行时的表面压力波；（2）会车时列车表面压力波；（3）列车通过隧道时列车表面压力波动和微气压波；（4）列车气动阻力及其对车厢内人员舒适性的影响；列车空气动力学的研究方法主要有模型模拟试验（风洞、动模型）、数值模拟计算、实车路试三种。第一节列车空气动力学二、主要研究内容及方法数值模拟计算是近年来随着计算机技术和计算流体力学发展而逐渐开展起来的一种研究方法，现已有多种用于列车空气动力学数值模拟计算的商用软件，诸如CFX、STAR－CD、Fluent等，在计算机容量能满足需要的情况下，计算结果基本上能满足工程计算精度的要求；一般情况下，轮轨系统列车由于转向架、受电弓部位需生成大量计算网格（磁悬浮列车无此问题），难以办到，导致气动阻力、升力的计算结果有较大偏差外，其它计算仍能有好的结果。因此，数值模拟计算已从最初用于列车初步设计时的外形选型，发展成为研究列车空气动力性能的一种重要手段。实车路试是对列车综合性能的考核，它可以获得最接近于实际的性能参数，并用于校核各种模拟试验和数值模拟计算的结果，但需要候列车产品竣工出厂以后才能进行，故一般都用于新产品的验收，很少用于研究性试验，其试验结果对进一步完善列车的空气动力性能有重要作用。第六章高速列车空气动力学与车体外型设计第一节列车空气动力学三、明线运行时列车表面压力从风洞试验结果来看列车表面压力概述为三个区域：头车鼻尖部位正对来流方向为正压区；车头部附近的高负压区：从鼻尖向上及向两侧，正压逐渐减小变为负压，到接近与车身连接处的顶部与侧面，负压达到最大值；头车车身、拖车和尾车车身低负压区；第六章高速列车空气动力学与车体外型设计第一节列车空气动力学三、明线运行时列车表面压力在动车(头车)上布置空调装置及冷却系统进风口时，应布置在靠近鼻尖的区域内，此处正压较大，进风容易；而排风口则应布置在负压较大的顶部与侧面；在有侧向风作用下，列车表面压力分布发生很大变化，对车顶的压力有很大影响，尤其对车顶小圆弧部位的影响最大；当列车在曲线上运行时遇到强侧风还会影响到列车的倾覆安全性；第六章高速列车空气动力学与车体外型设计第一节列车空气动力学四、会车时列车表面压力在两列车会车时，由于相对运动的列车车头对空气的挤压，在列车间的侧墙上空气压力产生很大的波动，称为压力波；随着会车列车速度的大幅度提高，会车压力波的强度将急剧增大；会车压力波幅值随着头部长细比的增大而近似线性地显著减小；第六章高速列车空气动力学与车体外型设计会车压力波幅值与速度的关系曲线第一节列车空气动力学四、会车时列车表面压力为有效地减小高速列车会车引起的压力波的强度，应将高速列车的头部设计成细长而且呈流线型；会车压力波幅值随会车列车内侧墙间距增大而显著减小，为减少高速列车会车压力波及其影响，应适当增大会车列车内侧距、即适当增大高速铁路的线间距；经验计算公式表明，会车压力波近似地与成正比(u1通过车速度，u2观测车速度)；所以高中速列车会车时，中速车的压力波的幅值远大于高速车(一般高1.8倍以上)。这是由于会车压力波的主要影响因素是通过车的速度；第六章高速列车空气动力学与车体外型设计2121()8uu第一节列车空气动力学五、空气阻力空气阻力主要由以下三个部分构成：压差阻力—头部及尾部压力差所引起的阻力；摩擦阻力—空气粘性而引起的、作用于车体表面的剪切应力所造成的阻力；干扰阻力—车辆表面的突出物(如门窗、风挡、车顶设备等)所引起的阻力；第六章高速列车空气动力学与车体外型设计第一节列车空气动力学五、空气阻力列车的运行阻力包括空气阻力和机械阻力，空气阻力和速度的平方成正比，机械阻力则和速度成正比；速度为100km/h时，空气阻力和机械阻力各占约一半；速度为200km/h时，空气阻力占约70%，机械阻力只占约30%；速度为250km/h时，空气阻力约占列车总阻力的80%—90%以上；第六章高速列车空气动力学与车体外型设计第一节列车空气动力学五、空气阻力列车的空气阻力是高速运行的最大障碍第六章高速列车空气动力学与车体外型设计第一节列车空气动力学五、空气阻力空气阻力可以简略地用下面公式表示第六章高速列车空气动力学与车体外型设计22RCxVA式中R——空气阻力Cx——空气阻力系数ρ——空气密度V——列车速度A——列车横截面积第一节列车空气动力学六、通过隧道时的列车表面压力列车在隧道中运行时，引起隧道内空气压力急剧波动，因此列车表面上各处的压力也呈快速大幅度变动状况，完全不同于在明线上的表面压力分布;试验研究表明压力幅值的变动与列车速度，列车长度，堵塞系数(列车与隧道横截面积的比值)、头型系数以及列车侧面和隧道侧面的摩擦系数等因素有关，这其中以堵塞系数和列车速度为重要的参数。第六章高速列车空气动力学与车体外型设计第一节列车空气动力学六、通过隧道时的列车表面压力两列车在隧道内高速会车时车体所受到的压力变化载荷更为严重，此时压力波与堵塞系数的2.16±0.06次方成正比，并且两列车进入隧道之间的时差对压力变化有极大的影响，当形成波形叠加时将引起很高的压力幅值和变化率，此时车体表面的瞬时压力可在正负数千帕之间变化;第六章高速列车空气动力学与车体外型设计隧道中的会车压力波第一节列车空气动力学七、隧道微气压波高速列车驶入隧道产生的压力波在隧道内以声速传播到达隧道口时，一部分压力波以脉冲波的形式向外放射，同时产生爆破声，造成了隧道口附近的环境问题，这种波称为隧道微气压波；第六章高速列车空气动力学与车体外型设计第一节列车空气动力学七、隧道微气压波减小压力波梯度可以减少微气压力波；采取的措施：在设计上减小列车横断面积和流线型车头等；列车在进出隧道时引起车内的较大压力变化，造成乘客耳膜的疼痛不适，因此，必须采用一定的标准，保证列车在进入隧道时车厢内压力的变化不能超过一定的限度；第六章高速列车空气动力学与车体外型设计第一节列车空气动力学七、隧道微气压波车辆密封性对缓解压力波动程度的作用可以归为“滞后”和“衰减”；采用不密封的“标准”车辆，车内压力的变化情况同车外基本一致，而采用密封车辆后车内压力的峰值减小且滞后；第六章高速列车空气动力学与车体外型设计第一节列车空气动力学八、列车风对人和建（构）筑物的影响动车组以时速200公里甚至250公里高速运行时，列车通过时能掀起每秒20米左右的8级以上大风，车头位置甚至能达到每秒40米左右，所以旅客应在站台边沿2米以外的安全距离内候车，路旁行人应在离轨道3米以外或隔离墙以外行走。第六章高速列车空气动力学与车体外型设计第二节列车头型设计及外型设计一、头型设计的基本原则头型系数(长细比：车头前端鼻形部位长度与车头后部园柱部分断面半径之比)头、尾车阻力系数与流线化头部长细比直接有关，高速列车的长细比一般要求达到3左右，或更大；细尖的车头头型不仅可减小阻力，还有利于减小会车时的压力波；第六章高速列车空气动力学与车体外型设计第二节列车头型设计及外型设计一、头型设计的基本原则尽量减小列车交会压力波列车头尾端采用扁梭形，侧墙不垂直于底架和加大头车长细比都将有利于降低列车交会压力波；此外，为了减小车底部扰流的影响，将底部除转向架外用封闭外罩全部包起来；车体表面应尽可能光滑平整；高速列车运行稳定性问题列车高速运行时，作用在列车的气动力对列车的运行平稳性和稳定性有较大影响；减小这些气动力，除了注意头部外形设计外，车身横截面形状的设计十分关键。侧墙上下应向车体内倾，与车顶和车底部的连接应用大园弧过渡，即成为鼓形断面，还应注意头部下方的导流板设计；第六章高速列车空气动力学与车体外型设计第二节列车头型设计及外型设计二、列车头部流线化形状设计1、流线化外形设计基本方法流线型外形为自由曲面,用薄板加工成蒙皮,固接在多根曲梁组成的支撑结构上,该支撑结构的每根曲梁均有一条与蒙皮内表面密贴的棱边.具有这种特点的结构称之为“流线型结构”或“自由曲面结构”；在流线型结构设计过程中,受到各种因素的影响和制约,需要对外形和结构进行多次变动与修改；流线型结构设计多采用实体造型方法,由人工依次输入生成每根梁实体所需参数,再由结构设计软件生成梁实体,重复这一步骤,直至流线型结构所有梁实体全部生成为止；第六章高速列车空气动力学与车体外型设计第二节列车头型设计及外型设计二、列车头部流线化形状设计1、流线化外形设计基本方法（示例）第六章高速列车空气动力学与车体外型设计第二节列车头型设计及外型设计二、列车头部流线化形状设计2、流线型头部外形要求最大纵向轮廓线为外凸流线形状，简称一拱；最大纵向轮廓线为外凸和内凹结合的双折流线形状，简称二拱；第六章高速列车空气动力学与车体外型设计一拱方案二拱方案第二节列车头型设计及外型设计二、列车头部流线化形状设计2、流线型头部外形要求纵向对称面上的外形轮廓线，要满足司机室净空高、前窗几何尺寸和玻璃形状，以及瞭望条件；在此基础上，尽可能降低该轮廓线的垂向高度，使头部趋于扁形，这样可以减小压力冲击波，并改善尾部涡流影响；同时，将端部鼻锥部分设计成椭园形状，可以减少列车运行时的空气阻力；俯视图最大轮廓线形在设计时，首先要满足司机室的宽度要求，然后再将鼻锥部分设计为带锥度的椭圆形状；这样既考虑了有利于减小列车交会压力波和改善尾部涡流影响的梭形，又兼顾到有利于降低空气阻力的椭球面形状；第六章高速列车空气动力学与车体外型设计第二节列车头型设计及外型设计三、列车外型设计在设计车身横截面形状时应作如下考虑：车辆底部形状对空气阻力的影响很大，为避免地板下部机器部件的外露，应采用车底封闭外罩；车辆底面离地面越近空气阻力越小；车顶为园弧形，侧墙下方向内倾斜并以园弧过渡到车底，侧墙上部向内倾斜并以园弧过渡到车顶，即整个断面成为一个腰鼓形，这将有利于交会压力波及气动侧向力、侧滚力矩作用的缓解；第六章高速列车空气动力学与车体外型设计第二节列车头型设计及外型设计四、CRH2型列车头部外形设计示例纵向对称面外形轮廓线是头形设计的主要型线之一。CRH2型车头部外形设计在设计中综合考虑气动性能及前窗、侧窗、瞭望条件等要求后，采用了流线型双拱外形；俯视图最大轮廓线是头型设计的另一重要主型线，考虑到交会压力波及外形整体美观，将其设计为三维光滑过渡的“S”型曲线；外形主型线控制尺寸设计完后，根据外形曲面的需要，自动生成中间控制