高速列车空气动力学动模型试验

1、高速列车空气动力学动模型试验T约翰逊摘 要AEA技术轨道动模型试验台是一个用来研究与评价高速列车在明线和隧道通过发射方式使列车模型沿150m长的测试轨道运行的装置，最高速度为305km/h。两平行轨道允许两列列车模型同时相向发射，以此来模拟列车交会效应。该装置适用于明线上的空气压力、隧道压力波，以及轨道间和平台上滑流空气速度的测量。本文简要介绍了建造该试验台的原因，以及为了确保模型测试结果能够代表实车情况所需的技术要求，描述了该试验装置的工作原理，并且提供一些以前用该装置已经完成的研究案例插图。概述了该试验平台被引入研究铁路新的空气动力学要求的实用性。最后，介绍了该试验台未来在加快高速列车空气

2、动力学领域发展的能力。关键词：空气动力学，建模，测试，高速列车，压力，空气速度，隧道引言在20世纪80年代初，英国铁路研究组织认为需要一个移动的模型试验装置来研究铁路隧道空气动力学。原因是实车测试花费很大（现在依然是），需要复杂的规划，并且测试周期很长，属于劳动力密集型。此外，环境条件是不可控的，比如在恶劣的天气条件下，往往会使一天的测试失效，或者至少会对分析结果增加不确定性。最后，对于已经造好的列车和建好的基础设施的测试是有限的，限制了研究“可能性”设计潜力。尽管英国铁路组织在列车空气动力学方面所做的研究成果正在快速增加，但是完全排除实车测试的必要性只依靠理论研究和数值计算依然不能够充分研究

3、空气动力学问题。建立铁路空气动力学模型试验的技术要求：模型试验的雷诺数和马赫数必须足够的接近实车标准，以确保模型试验结果能代表实车情况。雷诺数确保了比例效应不重要，当列车进入隧道时，马赫数确保了压力波，表现在同一阶段作为其全尺寸当量。根据英国铁路研究人员丰富的风洞试验经验，众所周知，如果模型比例大于1/30时，雷诺数的影响将是很小的。列车马赫数，（即列车速度除以在空气中的声速），如果模型使用实车速度，那么其马赫数和实车也是相符合的（忽略外界对声速的影响）。最后，该试验装置列车模型比例为1/25（如果需要，可以更大），行驶速度为200km/h。最初的试验台是1988年建立的一个单一的发射轨道。动

4、模型（MMR）的发展始于1991年，最初欧洲和英国都是通过提高列车速度来推动其发展。MMR一个主要的扩展能力1992年完成的可以研究列车通过2个不同的分离轨道的二次发射轨道。达利和约翰逊在1999年对MMR未来的发展进行了详细的报道。虽然日本和荷兰（达利和约翰逊，1999）在铁路隧道空气动力学研究上有其它动模型，但MMR动模型在一些方面的作用却是不可替代的。一些试验装置使用轴对称的列车模型，正确地代表了正在研究的列车空气断流面的变化，这些列车被沿代表典型隧道的管道中心线发射。该试验装置被用来研究铁路隧道内的压力波现象。通过比较，MMR已经真实详细地模拟了列车模型在隧道底部安装的轨道上运行情况，

5、如同真的一样。这使得可以准确地捕捉列车设计细节的效果，同时还可以模拟列车和地面之间的正确关系。此外，MMR实验装置不仅可以用于铁路隧道空气动力学的研究，也可用于列车在明线运行时所产生的空气动力现象的研究。MMR结构概述MMR由两个总长度150m的平行轨道发射轨道组成。在建立了一条轨道间距更宽的第三条轨道后，就可以允许配置模型沿它发射。有一个长度50m的中心试验段，试验段的一端有一个加速段和一个制动段，每个约50m长。如果列车交会效应是强烈的，允许从相反的方向在平行轨道发射模型。中心试验段隧道模型有一个内置的地板，可以用于隧道空气动力学测试。在比例为1/25时，可以模拟实际长1250m的隧道。这

6、样，需要小心地将压力密封到试验段隧道，以确保列车在测试过程中产生的压力不会泄漏到周围环境中。一旦该模型已启动，如果在试验段上没有进入隧道模型，它将以恒定的速度行驶。进入隧道模型后，由于隧道中增加的空气阻力，列车速度将会降低1-2m/s。在MMR测试的逼真列车模型，比例通常为1/25。他们通常是由4辆列车组成，总长4m，一般情况下为了限制列车重量，此模型对列车空气动力学已经足够。这些模型本身是用发泡塑料使用精密模具制造的，质量很小。实际上模型由一个铝底盘被连接到车轮上来运行。木质的列车转向架和车轮被连接到列车模型上。以前的模型用其他材料来制成。在综合考虑模型列车长度以及重量问题后，泡沫塑料是一个

7、很好地选择，并且更换更加方便。典型的模型重量为3-8kg之间。MMR中的列车模型如图1所示。图1德比MMR中的列车模型由于列车模型很逼真，已发现在MMR进行的气动测量和实车测量一样非常准确，在本文后面将介绍一些简洁的并具有代表性的研究案例。只有列车底部区域，铁轨之间，列车模型的周围的空气流动不能代表实车测试结果。这是由于是模型的轨道，而不真正的轨道，并要求在加速过程中防止轨道和底盘车轮抬起。加速段列车模型的动力，实际上是一个橡胶弹射橡皮筋。使用电动绞盘将几个大的弹性橡皮筋拉在一起来推出模型。，橡皮筋的载重取决于模型的重量和模型运行所需的速度，典型的为7-11KN。当释放橡皮筋时，储存在橡皮筋上

8、的能量通过发射线上的带轮传动系统传送给模型，从而在加速段加速。由于列车模型沿加速段运行时到达一确定的点(连接到模型下的一个拐弯点)，模型速度下降并沿测试段部分轨道向滑坡前进。为了控制能量被传输到模型时产生的速度，需要进行带轮齿轮传动系统的控制，否则过高的加速度将损坏模型。实车在试验段的最高速度是305km/h。MMR的示意图如图2所示，详细说明了加速段及其结构。图2动模型实验台示意图，显示了加速和制动系统制动段一旦模型通过测试部分，进入制动段。列车模型下面的转弯用绳索通过一个二次滑轮系统连接到一个活塞上。移动模型驱使活塞产生变形，变形能使模型减速并最终停下来。同样，一个滑轮传动系统是必要的，以

9、降低制动速度，并尽量减少对列车模型的损坏。图2详细说明了制动段及其结构。仪器仪表MMR的测量通常采用地面仪器，安装在轨道间或模型隧道上14通道的测量数据可以同时记录。压力传感器用于测量压力，8通道的热线风速仪也可用于测量空气流速。使用激光在测试段起始部分测量列车的位置和速度。高的数据采样率所需的，正如比一个比例为1/25的现实生活中的25倍更快。特定的软件控制张紧的橡皮筋，模型发射，安全和数据采集。每次运行后，所有的信号使用相同的系统来数字化并记录。，使该系统测量数据直接可视化，已达到检查的目的。还有一种允许安装在动模型上进行测量的6通道数据记录器。由于要求极轻的重量并且能抵抗瞬时快速加减速，

10、这样的记录已经很难实现。案例研究下面的案例研究证明MMR适用于进行一系列的铁路空气动力学研究。海峡隧道示范研究在海峡隧道设计的发展过程中，有人担心，在一定的组合下列车运行，连接两根隧道的泄压管中会产生非常高的空气速度。这些空气的速度会在顶部和侧面影响过往列车并且会使一些潜在的危害暴露出来，因此一个示范是探讨MMR研究该问题的潜力（教皇，1991）。一个模型是一个将泄压管和模型隧道连接到一起。泄压管中的空气速度由风机产生。在短列车模型上利用Endevco压差传感器测量压力的目的是估计泄压管中的空气射流在列车上所产生的力。海峡隧道首都列车前端设计隧道运营的早期计划之一，首都列车分为国王十字和运行到

11、伦敦北部的站。为了适应走廊连接，这需要重新设计一个配置领先的驾驶拖车，但仍保留司机的视线（教皇和理查兹，1989）。值得关注的是经过明线上一辆固定列车的交会压力峰值被限制在1.44 kPa，挂车驾驶室头部必须要比标准首都列车的头部短得多。众所周知，较短的头部与标准的头部相比，更有可能导致传递压力变化峰值的增加。一辆有两节的列车的横截面和首都列车一样都是用木材制成，但有一个可互换的车头。模型的头部也以了首都列车的标准建造，HST和Class 422都有大量的头部设计变形。变形的目的是要包括走廊连接，并尝试增加有效的列车头部长度，以减少通过压力的变化。压力测量是在一个停在测试部分固定的列车模型三个

12、位置上进行的，运行轨道间距是标准的。压力传感器安装在导轨顶，最大车身宽度顶，以及最大车身宽度和底栏顶。对于所有头部的设计，通过列车的速度在20-55m/s之间系统的变化。一个相似的典型压力测试结果如图3所示。它显示了测试一辆欧洲高速列车经过一辆固定货运列车时，实车测量和MMR测量之间的不同。压力测量是在货运列车的一侧进行的。高速实车由11辆车组成，比例为1/25模型由4辆车组成。模型时间尺度乘以25，并被削减约1.5s和5.5s，以调整尾车的通过。实车试验和模型试验结果是非常一致的.在这项系统的研究中，获得了满足了一个实用头部所有设计要求的有用的指标。图3实车试验和MMR试验对过往高速列车引起

13、的明线空气压力试验结果比较隧道压力约翰逊和达利（2002）对在意大利Terranuova la Ville隧道实车压力测试和使用MMR测量进行了比较。隧道压力测量在距离隧道入口80m的位置，9节ETR500列车通过，这是为了与采用4节ETR列车模型试验相比较。比较如图4所示（在这里，模型数据在时间尺度上再次被削减，以调整尾部的列车的通过）。吻合的非常好，只有小的差异，这是由于三维的影响在模型试验中更为显著，并且列车速度有较小的差异。图4隧道中实车与MMR的压力测量的比较入口设计列车入口产生的压力波，可能会引起火车上的乘客和工作人员的听觉不适，这主要受隧道形状和入口设计的影响。由于舒适性的原因，

14、大多数欧洲铁路在设计隧道时可能会遇到压力限制。最近的一次重大的欧洲土木工程计划，涉及建设的几个漫长的铁路隧道，一个典型的问题是隧道要满足压力舒适性限制的要求。基于计算机预测的解决方案，是使用的多孔隧道入口，以减少强度和一期列车产生的压力波，来满足所需的压力舒适性限制。然后用户想要验证预测的准确性，测试被安排在MMR上来证明预测（约翰逊和达利，2000）。以1/25的比例构建了一个45m长的隧道，该隧道具有2m的可变孔隙率的入口。在2m的隧道洞口段有576个填满橡皮泥的钻孔，上面用一层PVA胶密封。堵塞的孔可以通过取出孔塞以此来改变入口处的孔隙度。对所有5度的孔隙度进行了测试，其中包括一个完全密

15、封的入口。现代欧洲列车使用1/25的比例模型进行了大量的试验，以确定孔隙率对列车在隧道中上产生的压力波的影响。在隧道中的压力测量是使用压力传感器在隧道中的多个位置来测量。研究发现，隧道入口的孔隙度对列车头部进入隧道时所引起的压力升高有很大的影响，但并不是所有的压力升高都是整车进入隧道时产生的（见约翰逊，2001）。为模型建立所做的测量和计算机预测这两者之间的比较，显示出良好的一致性。在一个单独的测试系列中，MMR被用来评价专门设计的入口罩对SNCF的影响（da Costa 等人，2003）。这些罩都有一个特殊形状的开口来削减这些影响，以达到降低列车进入压力变化梯度的目的。罩子示意图如图5所示。

16、图5 SNCF入口罩的设计图在法国Vouvray隧道缩尺寸模型的压力测量，模型缩比为1/25的法国TGV Réseau和TGV Duplex列车运行通过它。对不同的入口设计进行了测试，并确定了入口设计对初始压力上升变化率的影响。列车滑流Baker等人（2001）描述了一系列使用MMR研究高速列车的滑流和尾流结构的测试。由4节车组成的缩比为为1/25的模型列车被发射通过安装在轨道间德尔倾斜热线风速仪。对各种列车速度进行了测试，并在前角位置获得了速度的时间历程。测试发现列车周围流场的多个特征区域应该予以考虑，如上游区、鼻区、边界层区和两个尾区。其中最重要的一个发现是，采用归一化变量来分析

17、滑流数据并使用统计分析显示出其突出特点是有必要的。图6 ICE列车实车测量与MMR测量滑流空气速度比较模型和实车滑流测量之间的比较如图6所示。速度数据被转换为距离而不是一个时间基准或无因次的列车速度。在ICE2试验列车和ICE服务列车进行测试实车速度，测定了列车平均速度和平均空气滑流速度。在比较模型列车和实车测试的数据之前，一个前期的工作是必要的。ICE列车长364m；ICE2列车长205m，而模型列车约100m长（满量程值）。因此，减少各种速度的痕迹，以对齐尾部是必要的。通过对最近约1.5m长的铁路线上的测量，比较发现与真实列车头部经过时产生的速度脉冲吻合度很高。模型列车尾部通过引起速度脉冲

18、幅度的峰值明显大于在ICE服务列车全尺寸测量的结果，但略低于ICE2试验列车。上述研究结果被约翰逊和霍尔丁应用于研究铁路平台上的列车滑流（2003）。不同的列车设计和不同平台高度的影响已经使用MMR研究并量化。这项研究的一个结论是，与较低的大陆平台相比，英国高平台减少了列车转向架所产生的湍流，降低了空气滑流峰值。新欧洲立法的影响最新修订的高速机车车辆和基础设施法规刚刚完成，将在短短一年多的时间内成为欧洲法律。一些列车空气动力学新的限制要求，涉及列车明线交会压力，隧道压力变化，列车在轨道间和平台上产生的空气滑流速度。虽然体现在计算机程序中的理论方法可以来准确地确定列车明线压力波，除了实车测试再没

19、有类似的证明方法可以准确地确定其它的空气动力效应。因此，对于列车制造商，在不满足要求的空气动力限制的设计上，仍存在着风险。从上述选择的案例研究可以看出，MMR可以提供一个相对便宜的测试方法，也可以对列车气动初步设计进行验证，从而降低最终设计不符合要求的风险。MMR对基础设施管理者和设计者都是有用的，例如可以用于确定列车运营对现有的基础设施的影响，或对减少列车空气动力学尤其是列车隧道压力的影响研究方法。MMR的发展未来AEA技术轨道规划在应对用户需求变化的MMR的发展。在高速列车空气动力学领域，它的目的是：（1）提高钻机的最高时速，目标是350km/h（2）增加可发射的最大列车模型长度提高速度的

20、动力来自于欧洲和日本列车速度的提升。更有兴趣的是，一旦增加现有的线速度，就需要检查空气动力效应。发展研究列车音爆和缓解方法，成为一个铁路行业的目标。列车长度对地面上滑流空气速度和平台的影响要求没有量化，这是进一步研究空气动力学效应的又一原因。（此外，增加模型长度对研究货运列车的空气动力效应是非常可取的）。结论AEA技术轨道MMR是一个独特的空气动力学试验装置，可适用于隧道内列车压力，明线列车交会压力，列车在站台上和轨道旁的滑流空气速度研究。列出的一些简短的案例研究已经证明MMR的用途。模型测量与实车测量的数据吻合的非常好。特别地，在组装列车之前，还不能使用其他理论或试验方法可靠地预测，通过使用

21、MMR对其空气动力学效应的评价，有助于培养设计师和制造商。参考文献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,

22、N. Model Rig Measurements for SNCF New Tunnel Portal Designs. (2003) In Proceedings of the 11th International Symposium on Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels. Lucerne, Switzerland, 7-9 July 2003, pp 795-807. BHR Group Limited.Dalley, S. and Johnson, T. (1999) An Experimental Facility fo

23、r the Investigation of Aerodynamic Effects. World Congress of Railway Research. Tokyo, Japan, 19-23 October 1999. Johnson, T. (2001) Measurements of the Effect on pressures of a Porous Tunnel Entrance Using a Moving Model Rig. World Congress of Railway Research. Cologne, Germany, 25-29 November 2001

24、. Johnson, T. and Dalley, S. (2000) Moving Model Rig Tests on a Tunnel with a Porous Entrance and with an Airshaft Measurements and Validation of THERMOTUN Predictions. In Proceedings of the 10th International Symposium on Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels Principles, Analysis and Design. Boston, USA, 1-3 November 2000, pp 815-828. Professional Engineering Publishing Limited.Johns