高速列車空氣動(dòng)力學(xué)動(dòng)模型試驗(yàn)

1、高速列車空氣動(dòng)力學(xué)動(dòng)模型試驗(yàn)T約翰遜摘 要AEA技術(shù)軌道動(dòng)模型試驗(yàn)臺(tái)是一個(gè)用來研究與評(píng)價(jià)高速列車在明線和隧道通過發(fā)射方式使列車模型沿150m長的測(cè)試軌道運(yùn)行的裝置，最高速度為305km/h。兩平行軌道允許兩列列車模型同時(shí)相向發(fā)射，以此來模擬列車交會(huì)效應(yīng)。該裝置適用于明線上的空氣壓力、隧道壓力波，以及軌道間和平臺(tái)上滑流空氣速度的測(cè)量。本文簡(jiǎn)要介紹了建造該試驗(yàn)臺(tái)的原因，以及為了確保模型測(cè)試結(jié)果能夠代表實(shí)車情況所需的技術(shù)要求，描述了該試驗(yàn)裝置的工作原理，并且提供一些以前用該裝置已經(jīng)完成的研究案例插圖。概述了該試驗(yàn)平臺(tái)被引入研究鐵路新的空氣動(dòng)力學(xué)要求的實(shí)用性。最后，介紹了該試驗(yàn)臺(tái)未來在加快高速列車空氣

2、動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的能力。關(guān)鍵詞：空氣動(dòng)力學(xué)，建模，測(cè)試，高速列車，壓力，空氣速度，隧道引言在20世紀(jì)80年代初，英國鐵路研究組織認(rèn)為需要一個(gè)移動(dòng)的模型試驗(yàn)裝置來研究鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)。原因是實(shí)車測(cè)試花費(fèi)很大（現(xiàn)在依然是），需要復(fù)雜的規(guī)劃，并且測(cè)試周期很長，屬于勞動(dòng)力密集型。此外，環(huán)境條件是不可控的，比如在惡劣的天氣條件下，往往會(huì)使一天的測(cè)試失效，或者至少會(huì)對(duì)分析結(jié)果增加不確定性。最后，對(duì)于已經(jīng)造好的列車和建好的基礎(chǔ)設(shè)施的測(cè)試是有限的，限制了研究“可能性”設(shè)計(jì)潛力。盡管英國鐵路組織在列車空氣動(dòng)力學(xué)方面所做的研究成果正在快速增加，但是完全排除實(shí)車測(cè)試的必要性只依靠理論研究和數(shù)值計(jì)算依然不能夠充分研究

3、空氣動(dòng)力學(xué)問題。建立鐵路空氣動(dòng)力學(xué)模型試驗(yàn)的技術(shù)要求：模型試驗(yàn)的雷諾數(shù)和馬赫數(shù)必須足夠的接近實(shí)車標(biāo)準(zhǔn)，以確保模型試驗(yàn)結(jié)果能代表實(shí)車情況。雷諾數(shù)確保了比例效應(yīng)不重要，當(dāng)列車進(jìn)入隧道時(shí)，馬赫數(shù)確保了壓力波，表現(xiàn)在同一階段作為其全尺寸當(dāng)量。根據(jù)英國鐵路研究人員豐富的風(fēng)洞試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，眾所周知，如果模型比例大于1/30時(shí)，雷諾數(shù)的影響將是很小的。列車馬赫數(shù)，（即列車速度除以在空氣中的聲速），如果模型使用實(shí)車速度，那么其馬赫數(shù)和實(shí)車也是相符合的（忽略外界對(duì)聲速的影響）。最后，該試驗(yàn)裝置列車模型比例為1/25（如果需要，可以更大），行駛速度為200km/h。最初的試驗(yàn)臺(tái)是1988年建立的一個(gè)單一的發(fā)射軌道。動(dòng)

4、模型（MMR）的發(fā)展始于1991年，最初歐洲和英國都是通過提高列車速度來推動(dòng)其發(fā)展。MMR一個(gè)主要的擴(kuò)展能力1992年完成的可以研究列車通過2個(gè)不同的分離軌道的二次發(fā)射軌道。達(dá)利和約翰遜在1999年對(duì)MMR未來的發(fā)展進(jìn)行了詳細(xì)的報(bào)道。雖然日本和荷蘭（達(dá)利和約翰遜，1999）在鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)研究上有其它動(dòng)模型，但MMR動(dòng)模型在一些方面的作用卻是不可替代的。一些試驗(yàn)裝置使用軸對(duì)稱的列車模型，正確地代表了正在研究的列車空氣斷流面的變化，這些列車被沿代表典型隧道的管道中心線發(fā)射。該試驗(yàn)裝置被用來研究鐵路隧道內(nèi)的壓力波現(xiàn)象。通過比較，MMR已經(jīng)真實(shí)詳細(xì)地模擬了列車模型在隧道底部安裝的軌道上運(yùn)行情況，

5、如同真的一樣。這使得可以準(zhǔn)確地捕捉列車設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的效果，同時(shí)還可以模擬列車和地面之間的正確關(guān)系。此外，MMR實(shí)驗(yàn)裝置不僅可以用于鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)的研究，也可用于列車在明線運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的空氣動(dòng)力現(xiàn)象的研究。MMR結(jié)構(gòu)概述MMR由兩個(gè)總長度150m的平行軌道發(fā)射軌道組成。在建立了一條軌道間距更寬的第三條軌道后，就可以允許配置模型沿它發(fā)射。有一個(gè)長度50m的中心試驗(yàn)段，試驗(yàn)段的一端有一個(gè)加速段和一個(gè)制動(dòng)段，每個(gè)約50m長。如果列車交會(huì)效應(yīng)是強(qiáng)烈的，允許從相反的方向在平行軌道發(fā)射模型。中心試驗(yàn)段隧道模型有一個(gè)內(nèi)置的地板，可以用于隧道空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試。在比例為1/25時(shí)，可以模擬實(shí)際長1250m的隧道。這

6、樣，需要小心地將壓力密封到試驗(yàn)段隧道，以確保列車在測(cè)試過程中產(chǎn)生的壓力不會(huì)泄漏到周圍環(huán)境中。一旦該模型已啟動(dòng)，如果在試驗(yàn)段上沒有進(jìn)入隧道模型，它將以恒定的速度行駛。進(jìn)入隧道模型后，由于隧道中增加的空氣阻力，列車速度將會(huì)降低1-2m/s。在MMR測(cè)試的逼真列車模型，比例通常為1/25。他們通常是由4輛列車組成，總長4m，一般情況下為了限制列車重量，此模型對(duì)列車空氣動(dòng)力學(xué)已經(jīng)足夠。這些模型本身是用發(fā)泡塑料使用精密模具制造的，質(zhì)量很小。實(shí)際上模型由一個(gè)鋁底盤被連接到車輪上來運(yùn)行。木質(zhì)的列車轉(zhuǎn)向架和車輪被連接到列車模型上。以前的模型用其他材料來制成。在綜合考慮模型列車長度以及重量問題后，泡沫塑料是一個(gè)

7、很好地選擇，并且更換更加方便。典型的模型重量為3-8kg之間。MMR中的列車模型如圖1所示。圖1德比MMR中的列車模型由于列車模型很逼真，已發(fā)現(xiàn)在MMR進(jìn)行的氣動(dòng)測(cè)量和實(shí)車測(cè)量一樣非常準(zhǔn)確，在本文后面將介紹一些簡(jiǎn)潔的并具有代表性的研究案例。只有列車底部區(qū)域，鐵軌之間，列車模型的周圍的空氣流動(dòng)不能代表實(shí)車測(cè)試結(jié)果。這是由于是模型的軌道，而不真正的軌道，并要求在加速過程中防止軌道和底盤車輪抬起。加速段列車模型的動(dòng)力，實(shí)際上是一個(gè)橡膠彈射橡皮筋。使用電動(dòng)絞盤將幾個(gè)大的彈性橡皮筋拉在一起來推出模型。，橡皮筋的載重取決于模型的重量和模型運(yùn)行所需的速度，典型的為7-11KN。當(dāng)釋放橡皮筋時(shí)，儲(chǔ)存在橡皮筋上

8、的能量通過發(fā)射線上的帶輪傳動(dòng)系統(tǒng)傳送給模型，從而在加速段加速。由于列車模型沿加速段運(yùn)行時(shí)到達(dá)一確定的點(diǎn)(連接到模型下的一個(gè)拐彎點(diǎn))，模型速度下降并沿測(cè)試段部分軌道向滑坡前進(jìn)。為了控制能量被傳輸?shù)侥Ｐ蜁r(shí)產(chǎn)生的速度，需要進(jìn)行帶輪齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的控制，否則過高的加速度將損壞模型。實(shí)車在試驗(yàn)段的最高速度是305km/h。MMR的示意圖如圖2所示，詳細(xì)說明了加速段及其結(jié)構(gòu)。圖2動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖，顯示了加速和制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)段一旦模型通過測(cè)試部分，進(jìn)入制動(dòng)段。列車模型下面的轉(zhuǎn)彎用繩索通過一個(gè)二次滑輪系統(tǒng)連接到一個(gè)活塞上。移動(dòng)模型驅(qū)使活塞產(chǎn)生變形，變形能使模型減速并最終停下來。同樣，一個(gè)滑輪傳動(dòng)系統(tǒng)是必要的，以

9、降低制動(dòng)速度，并盡量減少對(duì)列車模型的損壞。圖2詳細(xì)說明了制動(dòng)段及其結(jié)構(gòu)。儀器儀表MMR的測(cè)量通常采用地面儀器，安裝在軌道間或模型隧道上14通道的測(cè)量數(shù)據(jù)可以同時(shí)記錄。壓力傳感器用于測(cè)量壓力，8通道的熱線風(fēng)速儀也可用于測(cè)量空氣流速。使用激光在測(cè)試段起始部分測(cè)量列車的位置和速度。高的數(shù)據(jù)采樣率所需的，正如比一個(gè)比例為1/25的現(xiàn)實(shí)生活中的25倍更快。特定的軟件控制張緊的橡皮筋，模型發(fā)射，安全和數(shù)據(jù)采集。每次運(yùn)行后，所有的信號(hào)使用相同的系統(tǒng)來數(shù)字化并記錄。，使該系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)直接可視化，已達(dá)到檢查的目的。還有一種允許安裝在動(dòng)模型上進(jìn)行測(cè)量的6通道數(shù)據(jù)記錄器。由于要求極輕的重量并且能抵抗瞬時(shí)快速加減速，

10、這樣的記錄已經(jīng)很難實(shí)現(xiàn)。案例研究下面的案例研究證明MMR適用于進(jìn)行一系列的鐵路空氣動(dòng)力學(xué)研究。海峽隧道示范研究在海峽隧道設(shè)計(jì)的發(fā)展過程中，有人擔(dān)心，在一定的組合下列車運(yùn)行，連接兩根隧道的泄壓管中會(huì)產(chǎn)生非常高的空氣速度。這些空氣的速度會(huì)在頂部和側(cè)面影響過往列車并且會(huì)使一些潛在的危害暴露出來，因此一個(gè)示范是探討MMR研究該問題的潛力（教皇，1991）。一個(gè)模型是一個(gè)將泄壓管和模型隧道連接到一起。泄壓管中的空氣速度由風(fēng)機(jī)產(chǎn)生。在短列車模型上利用Endevco壓差傳感器測(cè)量壓力的目的是估計(jì)泄壓管中的空氣射流在列車上所產(chǎn)生的力。海峽隧道首都列車前端設(shè)計(jì)隧道運(yùn)營的早期計(jì)劃之一，首都列車分為國王十字和運(yùn)行到

11、倫敦北部的站。為了適應(yīng)走廊連接，這需要重新設(shè)計(jì)一個(gè)配置領(lǐng)先的駕駛拖車，但仍保留司機(jī)的視線（教皇和理查茲，1989）。值得關(guān)注的是經(jīng)過明線上一輛固定列車的交會(huì)壓力峰值被限制在1.44 kPa，掛車駕駛室頭部必須要比標(biāo)準(zhǔn)首都列車的頭部短得多。眾所周知，較短的頭部與標(biāo)準(zhǔn)的頭部相比，更有可能導(dǎo)致傳遞壓力變化峰值的增加。一輛有兩節(jié)的列車的橫截面和首都列車一樣都是用木材制成，但有一個(gè)可互換的車頭。模型的頭部也以了首都列車的標(biāo)準(zhǔn)建造，HST和Class 422都有大量的頭部設(shè)計(jì)變形。變形的目的是要包括走廊連接，并嘗試增加有效的列車頭部長度，以減少通過壓力的變化。壓力測(cè)量是在一個(gè)停在測(cè)試部分固定的列車模型三個(gè)

12、位置上進(jìn)行的，運(yùn)行軌道間距是標(biāo)準(zhǔn)的。壓力傳感器安裝在導(dǎo)軌頂，最大車身寬度頂，以及最大車身寬度和底欄頂。對(duì)于所有頭部的設(shè)計(jì)，通過列車的速度在20-55m/s之間系統(tǒng)的變化。一個(gè)相似的典型壓力測(cè)試結(jié)果如圖3所示。它顯示了測(cè)試一輛歐洲高速列車經(jīng)過一輛固定貨運(yùn)列車時(shí)，實(shí)車測(cè)量和MMR測(cè)量之間的不同。壓力測(cè)量是在貨運(yùn)列車的一側(cè)進(jìn)行的。高速實(shí)車由11輛車組成，比例為1/25模型由4輛車組成。模型時(shí)間尺度乘以25，并被削減約1.5s和5.5s，以調(diào)整尾車的通過。實(shí)車試驗(yàn)和模型試驗(yàn)結(jié)果是非常一致的.在這項(xiàng)系統(tǒng)的研究中，獲得了滿足了一個(gè)實(shí)用頭部所有設(shè)計(jì)要求的有用的指標(biāo)。圖3實(shí)車試驗(yàn)和MMR試驗(yàn)對(duì)過往高速列車引起

13、的明線空氣壓力試驗(yàn)結(jié)果比較隧道壓力約翰遜和達(dá)利（2002）對(duì)在意大利Terranuova la Ville隧道實(shí)車壓力測(cè)試和使用MMR測(cè)量進(jìn)行了比較。隧道壓力測(cè)量在距離隧道入口80m的位置，9節(jié)ETR500列車通過，這是為了與采用4節(jié)ETR列車模型試驗(yàn)相比較。比較如圖4所示（在這里，模型數(shù)據(jù)在時(shí)間尺度上再次被削減，以調(diào)整尾部的列車的通過）。吻合的非常好，只有小的差異，這是由于三維的影響在模型試驗(yàn)中更為顯著，并且列車速度有較小的差異。圖4隧道中實(shí)車與MMR的壓力測(cè)量的比較入口設(shè)計(jì)列車入口產(chǎn)生的壓力波，可能會(huì)引起火車上的乘客和工作人員的聽覺不適，這主要受隧道形狀和入口設(shè)計(jì)的影響。由于舒適性的原因，

14、大多數(shù)歐洲鐵路在設(shè)計(jì)隧道時(shí)可能會(huì)遇到壓力限制。最近的一次重大的歐洲土木工程計(jì)劃，涉及建設(shè)的幾個(gè)漫長的鐵路隧道，一個(gè)典型的問題是隧道要滿足壓力舒適性限制的要求。基于計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)的解決方案，是使用的多孔隧道入口，以減少強(qiáng)度和一期列車產(chǎn)生的壓力波，來滿足所需的壓力舒適性限制。然后用戶想要驗(yàn)證預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，測(cè)試被安排在MMR上來證明預(yù)測(cè)（約翰遜和達(dá)利，2000）。以1/25的比例構(gòu)建了一個(gè)45m長的隧道，該隧道具有2m的可變孔隙率的入口。在2m的隧道洞口段有576個(gè)填滿橡皮泥的鉆孔，上面用一層PVA膠密封。堵塞的孔可以通過取出孔塞以此來改變?nèi)肟谔幍目紫抖?。?duì)所有5度的孔隙度進(jìn)行了測(cè)試，其中包括一個(gè)完全密

15、封的入口?，F(xiàn)代歐洲列車使用1/25的比例模型進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，以確定孔隙率對(duì)列車在隧道中上產(chǎn)生的壓力波的影響。在隧道中的壓力測(cè)量是使用壓力傳感器在隧道中的多個(gè)位置來測(cè)量。研究發(fā)現(xiàn)，隧道入口的孔隙度對(duì)列車頭部進(jìn)入隧道時(shí)所引起的壓力升高有很大的影響，但并不是所有的壓力升高都是整車進(jìn)入隧道時(shí)產(chǎn)生的（見約翰遜，2001）。為模型建立所做的測(cè)量和計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)這兩者之間的比較，顯示出良好的一致性。在一個(gè)單獨(dú)的測(cè)試系列中，MMR被用來評(píng)價(jià)專門設(shè)計(jì)的入口罩對(duì)SNCF的影響（da Costa 等人，2003）。這些罩都有一個(gè)特殊形狀的開口來削減這些影響，以達(dá)到降低列車進(jìn)入壓力變化梯度的目的。罩子示意圖如圖5所示。

16、圖5 SNCF入口罩的設(shè)計(jì)圖在法國Vouvray隧道縮尺寸模型的壓力測(cè)量，模型縮比為1/25的法國TGV Réseau和TGV Duplex列車運(yùn)行通過它。對(duì)不同的入口設(shè)計(jì)進(jìn)行了測(cè)試，并確定了入口設(shè)計(jì)對(duì)初始?jí)毫ι仙兓实挠绊憽Ａ熊嚮鰾aker等人（2001）描述了一系列使用MMR研究高速列車的滑流和尾流結(jié)構(gòu)的測(cè)試。由4節(jié)車組成的縮比為為1/25的模型列車被發(fā)射通過安裝在軌道間德爾傾斜熱線風(fēng)速儀。對(duì)各種列車速度進(jìn)行了測(cè)試，并在前角位置獲得了速度的時(shí)間歷程。測(cè)試發(fā)現(xiàn)列車周圍流場(chǎng)的多個(gè)特征區(qū)域應(yīng)該予以考慮，如上游區(qū)、鼻區(qū)、邊界層區(qū)和兩個(gè)尾區(qū)。其中最重要的一個(gè)發(fā)現(xiàn)是，采用歸一化變量來分析

17、滑流數(shù)據(jù)并使用統(tǒng)計(jì)分析顯示出其突出特點(diǎn)是有必要的。圖6 ICE列車實(shí)車測(cè)量與MMR測(cè)量滑流空氣速度比較模型和實(shí)車滑流測(cè)量之間的比較如圖6所示。速度數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為距離而不是一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)或無因次的列車速度。在ICE2試驗(yàn)列車和ICE服務(wù)列車進(jìn)行測(cè)試實(shí)車速度，測(cè)定了列車平均速度和平均空氣滑流速度。在比較模型列車和實(shí)車測(cè)試的數(shù)據(jù)之前，一個(gè)前期的工作是必要的。ICE列車長364m；ICE2列車長205m，而模型列車約100m長（滿量程值）。因此，減少各種速度的痕跡，以對(duì)齊尾部是必要的。通過對(duì)最近約1.5m長的鐵路線上的測(cè)量，比較發(fā)現(xiàn)與真實(shí)列車頭部經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生的速度脈沖吻合度很高。模型列車尾部通過引起速度脈沖

18、幅度的峰值明顯大于在ICE服務(wù)列車全尺寸測(cè)量的結(jié)果，但略低于ICE2試驗(yàn)列車。上述研究結(jié)果被約翰遜和霍爾丁應(yīng)用于研究鐵路平臺(tái)上的列車滑流（2003）。不同的列車設(shè)計(jì)和不同平臺(tái)高度的影響已經(jīng)使用MMR研究并量化。這項(xiàng)研究的一個(gè)結(jié)論是，與較低的大陸平臺(tái)相比，英國高平臺(tái)減少了列車轉(zhuǎn)向架所產(chǎn)生的湍流，降低了空氣滑流峰值。新歐洲立法的影響最新修訂的高速機(jī)車車輛和基礎(chǔ)設(shè)施法規(guī)剛剛完成，將在短短一年多的時(shí)間內(nèi)成為歐洲法律。一些列車空氣動(dòng)力學(xué)新的限制要求，涉及列車明線交會(huì)壓力，隧道壓力變化，列車在軌道間和平臺(tái)上產(chǎn)生的空氣滑流速度。雖然體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)程序中的理論方法可以來準(zhǔn)確地確定列車明線壓力波，除了實(shí)車測(cè)試再?zèng)]

19、有類似的證明方法可以準(zhǔn)確地確定其它的空氣動(dòng)力效應(yīng)。因此，對(duì)于列車制造商，在不滿足要求的空氣動(dòng)力限制的設(shè)計(jì)上，仍存在著風(fēng)險(xiǎn)。從上述選擇的案例研究可以看出，MMR可以提供一個(gè)相對(duì)便宜的測(cè)試方法，也可以對(duì)列車氣動(dòng)初步設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，從而降低最終設(shè)計(jì)不符合要求的風(fēng)險(xiǎn)。MMR對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施管理者和設(shè)計(jì)者都是有用的，例如可以用于確定列車運(yùn)營對(duì)現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施的影響，或?qū)p少列車空氣動(dòng)力學(xué)尤其是列車隧道壓力的影響研究方法。MMR的發(fā)展未來AEA技術(shù)軌道規(guī)劃在應(yīng)對(duì)用戶需求變化的MMR的發(fā)展。在高速列車空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，它的目的是：（1）提高鉆機(jī)的最高時(shí)速，目標(biāo)是350km/h（2）增加可發(fā)射的最大列車模型長度提高速度的

20、動(dòng)力來自于歐洲和日本列車速度的提升。更有興趣的是，一旦增加現(xiàn)有的線速度，就需要檢查空氣動(dòng)力效應(yīng)。發(fā)展研究列車音爆和緩解方法，成為一個(gè)鐵路行業(yè)的目標(biāo)。列車長度對(duì)地面上滑流空氣速度和平臺(tái)的影響要求沒有量化，這是進(jìn)一步研究空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的又一原因。（此外，增加模型長度對(duì)研究貨運(yùn)列車的空氣動(dòng)力效應(yīng)是非?？扇〉模＝Y(jié)論AEA技術(shù)軌道MMR是一個(gè)獨(dú)特的空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)裝置，可適用于隧道內(nèi)列車壓力，明線列車交會(huì)壓力，列車在站臺(tái)上和軌道旁的滑流空氣速度研究。列出的一些簡(jiǎn)短的案例研究已經(jīng)證明MMR的用途。模型測(cè)量與實(shí)車測(cè)量的數(shù)據(jù)吻合的非常好。特別地，在組裝列車之前，還不能使用其他理論或試驗(yàn)方法可靠地預(yù)測(cè)，通過使用

21、MMR對(duì)其空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的評(píng)價(jià)，有助于培養(yǎng)設(shè)計(jì)師和制造商。參考文獻(xiàn)Baker, C.J., Dalley, S., Johnson, T., Quinn, A. and Wright, N.G. (2001). The Slipstreams and Wake of a High-Speed Train. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F, 215. pp 83-99.Da Costa, P., Willaime, A., Evangelou, A., Johnson, T. and Paradot,

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