高速列车空气动力学差异的影响因素分析

高速列车空气动力学差异的影响因素分析

1列车速度和气动阻力多年前，人们开始关注列车的空气动力学特征。与其他车辆相似，列车的空气动力学特征和许多不同。例如，飞机的气功能需要考虑飞机的动态特征，但火车是不同的。它靠近地面或轨迹，长度比其他交通工具大得多，并且可以通过车道或其他列车。它容易被微风的干扰，运营速度很快，并且通过隧道产生隧道输入和输出效应。汽车和客车也在地面上行驶，并且相互通过，这也会受到横风的影响，但与列车相比，后者的长径比较大，速度高。本文详细讨论了上述差异和区别，重点是现代高速列车的特点。Muhlenberg回顾了关于列车阻力的早期研究,引用了1910年Schmidt在美国、1913年Strahl在德国和1927年Mukhachev在俄国发表的公式,同时指出在英国和法国当时也提出了类似的公式.多年来,1926年发表的Davis公式以及后来的修正形式都一直被广泛应用.对于露天运行的列车,这些公式的统一形式为其中R为列车运动总阻力,V为列车相对静止空气的速度.当环境风比较明显时,以上公式可改为式中VG为列车相对地面的速度,而VA为列车相对于空气的速度.系数A为滚动机械阻力,Gawthorpe把单位列车质量的阻力系数A/m取为(0.008～0.02)N/kg,其中m为列车质量;B1为其它机械阻力,包括传递损耗和刹车阻力.Gawthorpe取B1/m为(1.5×10-4～2.0×10-4)N/kg,表示单位列车速度(m/s)所引起的单位列车质量的阻力系数.B2为空气动量阻力,在列车运行时,发动机热力循环、发动机冷却和车内空调等过程需要吸入大量空气,B2就与加速这些空气所需要的能量有关.Gawthorpe取B2/L为(0.2～0.25)kg/s,是单位列车长度(m)、单位列车速度(m/s)的阻力系数,式中L为列车长度.最后是外部气动阻力,主要表示为系数C式中ρ为密度,S为列车迎风面积,CD为阻力系数.如果列车的迎风面积为10m2而长300m,CD值的范围约在1.0,对于高度流线型的列车此值小一点,对于货运列车此值应小于10～15.因为气动阻力主要起因于表面摩擦阻力,表面摩擦阻力又取决于雷诺数Re,所以气动阻力正比于速度的幂方,而次数略小于2.由于部分表面摩阻已包括在B2中,在该公式用于速度很高的情况时,根据V2推算这些阻力就会过大.对于时速为(250～300)km/h的流线型列车来说,总阻力的75%～80%起因于外部气动阻力,在这些外部气动阻力中,大约30%为表面摩阻,约8%～13%为车首对于车尾的压差阻力,38%～47%为和转向部件相关的干扰阻力,还有8%～20%为导电架和其它车顶设备的阻力.显然,如果要着手研究运行速度较高的列车,比如磁悬浮列车(Meglev)或其它新概念列车,外部气动阻力应是主要考虑对象.引言部分仅考虑无风露天以及单个列车水平方向运行这些简单情况下的气动阻力.下面将对更复杂的情况进行探讨:(1)风,特别是横风;(2)隧道内运行;(3)列车相互驶过或驶过站台建筑物;(4)气动噪音,或者上述因素的综合影响.最后一章将介绍磁悬浮列车引起的一些特殊问题.本文还引述了升力、侧向力、力矩和流场分布等内容.在每一章中,首先给出全尺度列车或实验室尺度列车模型的实验资料,然后是简化理论分析和复杂的CFD模型介绍.2如果没有粗风，就有一条单独的列车2.1模型实验问题上节引用的阻力计算公式都是根据全尺度车轨实验数据与亚尺度风洞、水洞、实验水池或实验车轨实验数据综合所得.全尺度车轨实验数据比较受欢迎,因为这可以避免尺度问题以及下面将提到的其它重要因素的影响.测力车厢和列车整合在一起,以便测量列车各部件上的阻力.从总阻力值减去机械阻力就可得到气动阻力.而测量列车总阻力时常应用和测量汽车总阻力相近的惯性运行技术(coastingtechnique).全尺度实验除费用很高以外,还有其它问题,其中最棘手的问题是环境风的影响,特别是横风,因为它对气动阻力影响很严重.鉴于全尺度实验中的问题,大部分高速列车空气动力特性研究是应用亚尺度模型在实验设备上进行的.在某些情况下,流动条件是可以控制的,但也会引起一系列严重问题.首先,和进行任何车辆的亚尺度模型气动实验一样,必须注意模型的缩比尺度要恰当.理想情况下模型的雷诺数Re和马赫数M都要和全尺度车辆相匹配.例如,在全尺度情况下,马赫数为M<0.2,如果不考虑波传播现象或它的作用并不重要,那么模型的马赫数也只能是M<0.2;再如,假设相对于列车的气流速度对模型和全尺度列车来说是近似相同的,那么,实验室的雷诺数Re就会明显地远小于全尺度车辆的雷诺数Re,两者的比例等于模型与原型的尺度比.这个问题是所有车辆的模型实验都要遇到的,但对列车来说这个问题更为重要,因为列车很长.列车的模型实验存在许多特殊问题,因其存在一些小尺度的产生阻力的重要阻力构件,如转向器、导电架和车厢间的间隔等.目前认为实验模型的尺度至少应是原型的1/10.Baker和Brockie指出由模型实验数据推算全尺度车辆的阻力系数CD会引起30%的误差.Willemsen外推German-Dutch高雷诺数风洞实验数据,与全尺度结果相比,吻合很好(误差约10%).对于任何一种地面车辆的风洞和水洞实验来说,最具有挑战性的问题是恰当地模拟地面或车轨产生的重要影响.在最简单的实际情况下,地面和风是静止的,而车辆是运动的;而在风洞或水洞中,地面和车辆模型是静止的,空气(或水)是运动的.以上2种情况下的最终流场是不同的,来自与ONERA(OfficeNationald’EtudesetdeRecherches)流场显示动画证实了这一事实.人们做了很多努力以模拟这些影响,比如应用抽吸技术或者使用镜面对称布置的双模型去除壁面边界层,但是迄今为止最令人满意的方法是用传送带拖动风洞壁面技术.传送带的速度要和风洞的气流速度匹配,和汽车模型实验相比,对高速列车实验来说这种技术更具有挑战性.Baker和Brockie的报告指出,不同类型的风洞地面模拟方法会引起不大于10%的阻力误差,对升力的影响将更大,而对磁悬浮列车来说升力是很重要的.也许有人会问应用哪类风洞有利于得到高速列车空气动力特性的可靠结果呢?在Saint-Cyr气动技术学院的SNCF(SocieteNationaldesCheminsdeFerFrancais)2.2m×1.75m×15m安装有地面传送带的风洞可供参考.据Guihen的报告称,应用这一设备,法国的高速列车TGV的模型实验和全尺度惯性运行实验(coastingtest)的结果吻合良好.上述的地面影响可采用使实验车辆在轨道上运行的方法来减轻一些.Hamburg船舶学院在船模实验水池中进行的实验,是在此水池的底面上牵引一个倒装实验模型,并得到了很理想的结果.很显然,在此实验中必须要避免气穴现象(cavitation)的影响.英国的铁道研究所开发了一种新式实验设备,如图1所示,模型比例为1/25,轨道总长136m.实验模型的推进系统是橡皮发射器,制动系统包括活塞缸、活塞、钢缆和制动钩,其中活塞和制动钩通过钢缆连接,用于实验模型到达轨道终点时的制动.为了研究横风、隧道出入口及其它物理现象的影响,建造了一些特殊实验设备,本文将在后面讨论.对于各种阻力成分的实验研究,这里首先考虑列车车头和车尾截面上的压差阻力.详细的研究表明,如果模型没有锐边,大量细长实验模型测得的压差阻力没有明显差异.图2给出了典型的风洞实验压力分布曲线和无黏面元方法(inviscidpanelmethod)预测曲线的比较.压差阻力对列车总阻力的贡献很小,而且形阻多由车底流动来控制而不是由列车外露表面上的流动控制,所以车头和车尾的形状对列车总阻力的影响是很小的.另外,高速列车总是设计为可以双向行驶的,牵引车厢和尾厢相同,因此车头和车尾的形状可以假定一样.车尾的形状更是无关大局,原因是列车运行时,车尾深浸在沿车身发展的一个厚的湍流边界层里.下面我们将考虑湍流边界层及其对列车总阻力的影响.流场数据表明,Cf(Cf≡τw/(1/2ρV2),其中τw为壁面剪应力)的范围高达0.006低至0.001.因为列车周围的流动是三维的,这一系数沿车身及其周边变化很大.Baker和Brockie推荐此系数的值在0.002～0.004之间.Sockel给出沿不同车体的边界层厚度(δ)的值(图3),由图3可知,边界层位移厚度(δ*)的范围是δ8～δ/12.Baker等对安装在动轨道上的列车模型实验测量,得到了边界层的剖面,他们的报告指出边界层的形状因子(H=δ*/θ,其中θ为动量厚度)沿车身长度方向保持为一个稍大于1.0的常数.Paradot等在风洞中通过传送带上的模型实验给出了沿车顶的边界层剖面和TGV模型后横截面上的速度分布,结果见图4.第一节提及诸如转向器、导电架等部件对总阻力都有所贡献,对此值得特别注意.所有的现代高速列车都应用了以下气动优化措施,比如光滑的车身、平齐的门窗、细心设计车厢间隙结构和车底的机件.车体的气动设计是一个值得不断关注的领域.据报导,通过在车头、车裙、车底、转向架以及内嵌构架上安装整流器,可以把作用在这些机件上的气动阻力降低约20%.对高速电力列车来说,导电架的气动力学是一个较为重要的问题.因为升力影响到导电架和电力线的接触力,所以不仅要考虑它的气动阻力,还要考虑升力问题.最佳效果是应用升力处于中性状态的导电架.代表性的工作有Althammer的研究.应用整流器可使阻力减少约50%,而伸缩式导电架可使其阻力减少约90%.应用内燃机推进的高速列车涉及更特殊的气动问题,其中包括吸气、排气和冷却系统的设计,这一领域的技术也是诸如汽车等非铁道领域的研究范围.吸气部分的设计受到列车双向运行需要的限制,为了避免排气被再次吸入,进气道一般布置在车底或两侧,而排气道布置在车顶,这种布置方案也有助于防止吸入雨水、灰尘、碎渣,也可以降低排气噪音和污染等.当时速超过约150km/h,人们发现进气道不能放在距车头1.5倍车宽范围内,也不能放在车顶的拐角区.2.2转向器及车轮接触系数研究结果主要来自于两类分析,第一类包括前一节描述的那些简单参数相关关系,第二类基于计算机处理,包括应用无黏方法,或者是应用了湍流、Reynolds平均NS方程(RANS)的复杂的CFD分析.基于数据相关关系的阻力分析,其阻力系数CD可表示为其中CDL为牵引车或火车头的阻力系数;CB为列车尾部阻力系数;λT为车身摩擦阻力系数,包括转向器、车轮、车厢连接部和底面的阻力影响;lT和lL分别是列车全长和牵引车部分的长度.Sockel汇总了这些参数的典型数据值,其值见表1.最简单的应用计算机分析的方法是无黏面元方法,在图2中已给出此类结果和实验结果的比较.两种结果的符合程度还是不错的.但是在有横风情况下的吻合情况就急剧恶化.另外,这种无黏面元方法不能分析黏性阻力,而黏性阻力对流线型和高lT/A1/2值的高速列车来说,是非常重要的.应用黏性CFD程序研究铁道空气动力学是从20世纪80年代初期开始兴起的.Gaylard的文章回顾了1993年以前的关于列车的CFD研究,并且指出在没有横风的情况下,基于无黏面元方法的CFD分析结果和实验的压力数据是吻合的.RAPIDE项目涉及了CFD计算、模型实验和全尺度实验的验证.Matschke等给出了运行时速达280km/h总长205m的城际快运列车(ICE-2,InterCityExpress)的一些很有意义的近期分析结果.应用壁面函数和RANS-kε程序的CFD研究由3个研究小组分3部分分别进行,包括风洞实验验证,部分结果见图5.3列车通过横风和风力作用驱动气动阻力横风对列车空气动力特性有很多重要的影响.也许有人会认为,如果提高现代高速列车的运行时速就可以减小给定横风分量时相对应的实际偏航角,从而可以减小横风的影响.然而实际情况并非如此,实现现代列车的高速运行,必须通过改进结构设计和提高材质来尽可能地减轻列车的自身重量,这一些措施的最终结果是加大了横风的影响.横风最直接的作用是对气动阻力的影响,横风速度和列车运行速度合成即形成偏航角β,对于现代列车来说,在β<30°的情况下,偏航角和阻力系数之间的简单相关关系由文献给出Gawthorpe估计,和列车以时速150km/h在无风天气里运行相比,日平均横风力引起的气动阻力增加约为10%,在大风天气里,如果横风按照BSF(BeaufortScaleForce)标准风力为8级,则会引起气动阻力增加约50%.Peter的结论认为,如果列车运行时速为(250～300)km/h,风速15m/s,在迎风角为30°最恶劣的情况下,将会增加60%的气动阻力.横风不仅对气动阻力,而且对升力、侧向力和气动转矩都有影响,而这些参数对列车稳定性评估都是很重要的.最近人们对这一课题的兴趣越来越浓,Heine和Matschke把没有动力、轻质、高速的车辆安装在列车牵引位置上,实验表明由于强风作用而使迎风侧车轮卸载.而列车在离开隧道时遇到强风将使列车陷入类似的特别恶劣的运行环境.3.1地面车辆实验一些数据可以从列车的全尺度实验得到,尽管这些实验花费很大,难以实施.Heine和Matschke已经报道了这类实验的一些结果.图6给出了在不同列车外形、轨道基础和噪音隔离栅情况下的翻转力矩.在实验室内试验,使得特殊运行条件可以重复操作,易于测量,但也会引起模型尺度和相似条件的严重问题.例如,在风洞中具有偏航角的长模型引起的气流滞塞作用明显增大.另外,应用传送带技术模拟地面作用,传送带是否也象模型那样需要有一个偏转角?这些考虑会引起机械装置的复杂性,而且传送带露出的外缘也会带来干扰.实际上,如要模拟地面的影响,问题是相当复杂的,因为最棘手的横风作用问题就来自于轨道基础和支架.列车可能运行在90°的横风中,此时有效偏航角相对运行方向为40°,这就要求风洞实验时模型应有40°的偏航角.相随而来的问题是轨道受90°的横风干涉,而实验中却象列车一样只设了40°的偏航角.另一个问题是在实验室尺度下适当地模拟大气边界层.在建筑物风载研究中,就有人关注了这一问题,Cooper也给出了他在做地面车辆实验时得到的相关数据.鉴于这些考虑,风洞实验趋向2个方面:其一是在风洞中把相对较大尺度并有偏航角的模型放在抬高的固定的底板上,这一方法可以合理模拟雷诺数Re,但是不能体现移动地面效应和大气边界层的作用;其二是把小尺度模型放在固定地板上,使其暴露在精心设计的大气边界层内.对于横风的关注和研究主要集中在非稳定阵风上,Bearman和Mullarkey在风洞实验中使用襟翼来产生阵风,Dominy和Docton在开式风洞(open-throatwindtunnel)中应用横向喷射器产生阵风.以上2个研究组都是做公路车辆实验的.所有这些考虑引发了众多移动模型实验方案.图1已描述其中一例,也已提及了船模水池中进行的列车模型实验.主要想法是在风洞中,把实验模型沿地面轨道发射,以便模拟流动的大气边界层.地面效应和横风也可通过移动模型实验来模拟.当然,这些实验也带来了新的问题,比如为了保证列车模型能平稳运行就需要实验轨道足够光滑、精确安装.另外,模型的载荷平衡问题也使得在区分气动载荷与轨道施加的惯性力时存在困难.Baker和Humphereys曾试图就各种风洞模拟过程对模型气动力的影响得出一些结论,但是他们只研究了具有棱边形的列车模型.他们首先得到的结论是:横风对地面车辆的平均侧向力系数对风洞模拟的种类并不敏感,而圆角化的车辆将显示出对Re数更大的依赖度.另一方面,Baker和Humphereys发现升力系数非常依赖于实验布置和实验条件,并推荐应用高Re数和移动模型.在列车稳定性研究中气动转矩是一个有意义的问题,人们发现它主要由侧向力引起,而升力的贡献很小.对于高速列车的设计,转矩随偏航角的变化关系由图7给出.牵引车厢上的压力分布产生对转矩的影响比后续车厢大.在偏航角<45°时,转矩与偏航角呈线性递增关系,而偏航角>45°后转矩就为一个定值.风洞实验结果可以用来为列车在横风中运行设定上限.但Peters以及Baker和Humphereys指出在应用没有考虑大气湍流影响的实验数据时要加倍小心.关于横风对列车的总体影响研究正在进行,包括考虑路基和大桥对运行的影响,还有通过栅栏来减少横风影响的各种方法.横风的影响并不局限于列车主体的气动特性.如对电动列车来说,横风可能导致车顶导电线路或列车导电架的故障.故障的原因通常是横风施加给缩放仪的升力增加了,导电架上升从而脱离供电线路.风洞实验表明,存在2个偏航角区,可通过列车背风面的涡流型来区分.当偏航角<45°时,就会形成与人们在细长体实验中通常发现的现象相类似的一个斜涡系统.这些涡在车顶和地面边界层脱落,然后脱离车体形成新的涡.当偏航角大于60°后,背风面的流场就类似于横风中圆柱体后的流场.如果偏航角在45°和60°之间,背风面的流场就在以上两种模式之间变化.1992年Chiu和Squire在风洞实验中,把偏航角为60°的模型安装在地板上,通过油流显示得到了列车背风面的流型,图8给出了这些结果.3.2面元法的应用上一节的式(4)给出一个简单的典型数据关系.Copley应用面元法(panelmethod)来分析偏航运行的列车模型,并给出了与风洞研究的比较结果.在现代设计的具有25°偏航角的车头附近,三维面元法可以给出不错的流场预报,因为此时流动几乎没有分离,尾迹流的影响也很弱.对偏航角更大或在沿车体更远的部位,背风面的流动分离现象必须要考虑并加以模拟.对于这些问题模拟计算,应用面元法是很困难的,除非通过实验或边界层分离计算等方法得到流场分离的位置并应用到面元法计算中.偏航角很大的情况下,二维模型就可以成功模拟沿车体离开车头较远区域的流场.关于面元分析法以及计算结果与实验数据比较的详细资料可见Copley和Chiu的文章.自上一世纪90年代初期以来,基于RANS控制方程和k-ε湍流模型的现代CFD计算方法已经应用到包括横风的列车气动问题的研究中.早期二维近似的研究工作对于较大偏航角的情况比如90°来说,人们认为有一定的有效性.基于RANS和重整化群理论k-ε湍流模型的TRANSAERO程序,包含了风洞实验和全尺度模型实验数据,可用来研究列车空气动力特性,其中包括横风的影响研究.这一CFD程序应用了近8×106个计算单元.图9比较了所有3种方法研究得到的侧向力和转矩的结果,包括分别应用移动模型和静止模型的2套风洞实验结果.4闲置空间的稳定性考虑了其存在的发展的方向高速列车的铁路涉及到越来越多的隧道,其原因有多种,其中包括:(1)在人口密度高的区域有环境方面的考虑;(2)不断增长的闲置平整地面的匮乏问题;(3)高速运行要求车轨更直.高速列车在隧道中运行涉及到的空气动力学问题,体现在2个相互依赖的现象中,即压力波的形成和阻力的增加.在长隧道中,阻力增加是主要的,而对于较短的隧道,在其入口和出口的脉冲压力则引起了更多问题.4.1列车阻力和气动总阻力隧道中列车的气动阻力能相当多地超过同一列车在露天运行时的阻力,这主要依赖于列车在隧道中的阻塞率R(blockageratio)、隧道和列车的长度、车头和车尾的形状、空气柱的存在、隧道横向连接结构、隧道壁面的粗糙度、列车的粗糙度以及在隧道中是否有其它列车同时存在.关于列车在隧道中的空气动力特性的实验研究,可以在全尺度(Matsuo和Vardy&Reinke)或实验室模型尺度条件下进行,可以应用图2所示的实验设备或较新的移动模型设备,后者可以以高达500km/h时速发射实验模型.与其它车辆类似,列车阻力是压阻和表面摩阻的合力,但是跟在露天中运行相比,在隧道中运行时这2类阻力的值会有所改变.在隧道的入口和出口产生很强的压力波,在隧道内的水平压力梯度沿列车发展.列车周围的流场很明显地改变了,特别是在车头下游或尾部的任何分离区都会受到影响,从而影响头部和尾部阻力.列车在隧道内运行的气动总阻力通常表示为头部损失系数kN和尾部损失系数kT的函数,其中kN代表头部滞止压力损失,kT代表尾部滞止压力损失注意对于长列车来说,在车头和车尾2处,车体与隧道之间环面上的速度通常是不同的.Vardy给出这些系数的估计值,对于流线化的车头,kN约为0.1或小一点,而kT≤R2.Gaillard认为和运行在露天相比,列车在隧道中运行时表面摩阻系数因子增长为(1+2.21R).然而,Vardy指出这个因子很难确定.据Vardy估计,对于典型情况摩阻和车头车尾压差阻力的比值约为5.5.Gawthorpe等利用类似的公式估算了隧道长度、阻塞率和车体形状对阻力的影响.Sockel给出了限于长隧道流线形车体的结果,但包含了列车加速度和周边空气的影响作用.比值Tf=CDT/CD(0)随着车长的增加而减小,但在通常的阻塞率R=0.1～0.2范围内,Tf与隧道长度和列车速度没有关系,这与全尺度实验结果相吻合.4.2关键影响因素的考虑当列车通过隧道时,将产生一系列的压缩波和膨胀波,并以近似声速的速度沿隧道传播.这些波在隧道进出口区域对列车和乘客引起一些问题.人们认为可以容忍的压力变化范围应在(1～4)kPa之间,脉宽为(4～10)s,而现代高速列车运行都逼近这些极限.压力波增加了列车结构的负载,同时,如前文所述,压力场还会影响气动阻力.图10给出的单列ICE列车在双轨隧道中运行时的压力-时间曲线,可以用来分析一些问题.此压力-时间曲线显然描述了一个非常复杂的波动过程,其中包括了利用图1所示实验设备得到的1:25模型实验数据和全尺度实验数据,而且很容易看到这些结果吻合得很好(ΔP在6%之内).图11给出一典型的计算结果,这将在下文详细论述,它很有助于理解这类复杂流动的主要特征.图11(a)为x-t曲线,图11(b)为离开车头20%车长处某点上的超压-时间曲线(ΔP-t).首先,当列车驶进隧道时,头部产生一个压缩波,此压缩波到达隧道出口时反射回来一个膨胀波.当列车尾部也进入隧道时,产生一个膨胀波,并在出口反射一个压缩波.由图10可见最大的压力脉冲发生在隧道中部(图中用AB标记),这是由于头部和尾部的反射波之间复杂的相互作用、车头附近压力变化以及车身周边摩擦作用等原因形成的.隧道气柱可以减小此压力脉冲的强度.现分析一下这些复杂的流动现象.此类流动问题通常是三维非定常、可压缩湍流,其分析是很困难和烦琐的.然而,此类复杂流动的某些主要特征可以应用理想化模型来预测.很多学者应用了一维非定常等熵流.对隧道入口压缩波引起的压升,图12比较了全尺度测量和理想化模型预测的结果.下面的分析假设流动是一维、非定常、绝热、可压缩流,隧道和列车的壁面摩擦作用则根据准稳态假设在动量方程中考虑,列车壁面所做的功放在能量方程中.由此所得到的双曲型偏微分方程可以应用特征线法来求解,文献中有更详细的讨论].图11给出应用这一方法得到的结果.在此流动过程的初期,瞬态压力通常吻合得非常好,但是随着时间的延续,这一理论就低估了压力波的衰减效应,原因可能是非定常摩擦、准稳态边界条件假设、忽略传热、和/或假设列车和隧道壁面是多孔的.有几位学者已经应用了三维非定常Euler方程来求解列车/隧道问题.图13对CFD计算和模型实验得到的压力系数-时间曲线作比较是不错的.对于隧道中沿高速列车产生的非定常流场,已经有几个大尺度RANSCFD研究,这类流动会引起棘手的计算振荡问题.Suzuki应用了标记单元法(Markerandcell,即MAC方法)、三维非定常可压缩RANS方程来研究新干线列车在隧道和露天运行时的流动过程.他使用了1.98×106个网格点和1.76×106万个网格点分别计算露天部分的流场和隧道内的流场.图14给出了沿列车侧面的瞬态涡量分布图,可以看出隧道内流动的非定常性是很严重的.5匝道建筑物或其它列车上的流场当单一列车在空气中驶过,它会诱导一个复杂的流场.这就意味着道旁建筑物或过行的其它列车上的流场对这一列车来说是很重要的,这是不同于其它车辆的.原因是列车运行时往往和道旁建筑物或其它列车距离非常近.下文讨论这些问题.5.1高速列车行驶实验车头和车尾驶过后将依次引起静压的扰动.压力峰值的大小和横向衰减率是重要的研究对象,部分来自于Tsuzuku等人的全尺度实验数据在图15中给出,可以很清楚地看出车头形状和横截面面积的影响是很大的.压力峰值依赖车速的平方.需要重点指出的是压力的改变率是很大的(压力脉冲的时间尺度按比例取决于车头通过所需要的时间),这会引起冲击载荷,给诸如车窗等物件带来许多问题.这种压力现象使得在道旁架设噪音隔离栅是很必要的,车速在450km/h时,这些隔离栅可以把压力的峰值减小约40%.列车行驶引起的滑流(slipstream)风力会引起严重的道旁问题,它引起的高度紊流可能危及站台上的乘客、小货车、行李及包裹等.在第3节已经讨论过,列车诱导的流场的主要特征是背风面的强烈涡旋.环境风的变化引起的非定常作用会进一步恶化上述高度非均匀的流场.现代高速列车设计中比较典型的车头是细长的,它和钝形车头相比,可以减轻车头引起的阵风和平均滑流(slipstream)速度.然而,车尾的改进设计会使得尾流变窄和集中,从而引起尾流阵风加强.滑流(slipstream)速度直接随着车速的变化而改变,而很强地依赖列车外形.Penwarden认为风速大于20m/s时会危及人类.Montagne在轨道旁安装了圆柱体来近似人体,当TGV列车通过时,测量发现在车尾驶过后较大的风力可达到侧向距离1.8m处.其次,列车驶过另一列停站或者同向或逆向行驶的列车时,在行驶中的列车旁测得的压力脉冲很强地依赖于车速、车头形状以及其间的距离,这和列车驶过道旁建筑物类似.流线形高速列车驶过速度较慢的传统的平头列车的情况也必须考虑,RAPIDE计划正在研究这类情况.最近Komatsu和Yamada给出了关于高速列车的一套全尺度实验数据,Komatsu和Yamada应用一辆Shinkansen系列300列车(见图15(a)),以很高的相对速度驶过同类列车和驶过其它高速列车时,测得了压力瞬态值和侧向加速度.图16中给出了部分结果.压力峰值的正偏移量和负偏移量以无量纲的压力系数给出,这些值几乎是速度的线性函数,因而,压力脉冲绝对值既是车速平方的函数,也是车头形状的函数.侧向加速度为车速平方的函数,其幅值是很大的.文章中给出的大部分数据来自于全尺度实验,模型尺度的列车行驶实验结果也常见.图1所示设备就很适合这种研究,在Johnson和Dalley的文章里可以找到利用此设备所做的一些最新研究工作.现在讨论列车同时在隧道中运行时的一些重要问题.由于隧道中列车之间的相互作用非常依赖于两车进入隧道的相对时间,所以这种情形很复杂.例如,进入时间改变仅4s就能使最强的压力变化加倍(Vardy和Anandarajah).在所有相关参数和变量中,不可能选择一个有代表性的典型数据.Johnson和Dalley应用ETR500列车模型所做的模型尺度实验中,一列列车停在隧道入口附近而另一列列车驶过,测到的压力脉冲随车速的平方、车头形状和轨道间距变化.长车头设计可以显著减轻压力脉冲对轨道间距的敏感程度.在Mancini和Violi的文章中给出了两列高速ETR500列车在隧道内并行的全尺度数据.5.2基于cfd的列车速度-温度-约束wlp关于列车通过问题的早期分析都做了不可压无旋流的假设.随着车速的提高这些假设就有局限性了.Tollmein给出了理想化的列车通过隧道的二维势流解.三维面元法(panelmethod)也已经被用来分析列车隧道问题.Matschle等的研究中,全尺度和模型尺度的两列高速列车上分别应用4700个格子,得到结果和一列高速列车通过另一列载货列车时的数据吻合得很好.Matschle等指出较长的车头和较宽的轨道间距能得到吻合的数据,因为这种情况可以避免流动分离现象.进一步的分析涉及到应用三维Euler控制方程组的数值模拟.Pahlke的文章给出了相关数值模拟的一个具有代表性的算例.Pahlke详细讨论了列车隧道问题相关数值计算的精度要求和应用问题.例如在露天运行典型的列车驶过问题的算例中,压力信号变化仅是滞止压力的±10%左右.而跨音速飞机的特征压力变化约为滞止压力的100%量级.这些问题更加限制了网格要求.对于数值预报和全尺度实验数据的吻合水平可以用图17来说明,在露天中,两列ICE列车以时速250km/h相对行驶的过程中,分别记录车头和车尾特殊位置的表面压力,车头位置的压力峰值-时间曲线计算得很准确,而在车尾位置上的计算值过大,有人把这归因于忽略了沿车体发展的厚边界层的影响.基于RANS的CFD数值方法在高速列车隧道中相对行驶问题的应用也有很少的几个算例,三维非定常高Re数湍流的数值模拟的网格需求量很大,这意味着即使应用了高级算法和并行计算机,能用的计算网格也是很粗糙的.在Kalro和Tezduyar文章中也提到了有限元法求解此类问题,计算得到的列车尾部压力降的最大值为12kPa,这和(14～16)kPa实验测量值很接近.6气动噪声研究不管在列车内部还是列车外部,噪音都是高速列车必须考虑的重要环境问题.Hardy站在乘客的角度上讨论了这个问题.前文已经讨论了,当列车驶进和离开隧道、驶过道旁建筑物和其它列车时引起的压力脉冲会产生噪音.Iida等分析了消除这些问题的方法.列车时速达到300km/h以上时气动噪音就会变得更加严重.气动噪音的强度随着车速的6次方增加.King分析了关于高速列车气动声学的测量技术、分析方法和硬件研究.Torri&Ito对全尺度Shinkansen列车的几个声源进行了气动噪声研究.图18所示的车头形状的改变会使在离开轨道25m处测量得到的噪音值减小2-dB(A),同样也减弱了在隧道入口处产生的压力波.上述车形的改变同时也注意了粗糙度、侧门的缝隙和把柄,车头底部也做了气动处理.Takaishi等利用1:12.5模型的风洞实验和二维非定常RANSCFD程序研究了Shinkansen列车的气动噪音的声源,他们认为双模型镜象配置法(mirror-imagemethod)比单模型动地板法更实用.Talotte等介绍了他们关于车体不规则外形产生气动噪音的实验和数值计算相结合的研究,其实验研究是在低噪声风洞中进行的,使用了理想化的不规则车体.气动声学的计算则应用了非定常湍流大涡模拟(LES)和控制噪声传播的线性Euler方程耦合算法.关于转向器对气动阻力和噪音的影响,正在进行广泛研究.作为气动噪音、气动阻力以及升力等的源点,导电架也同样引起关注.Torri&Ito对Shinkanson700系列列车和Shinkanson300系列列车进行了全尺度测量和比较,得到前者的气动噪音因改进导电架而减小了4-dB(A).Althammer等的风洞实验报告指出,改进的导电架可以减小噪音高达(13～16)dB(A),然而也遇到了较大的升力.Ikeda介绍了一种低噪音的导电架设计方案,以便克服上述问题.7磁悬浮列车气动的基本方案人们已经提出了很多新概念以代替高速列车中传统的车轮/轨道支撑系统和推进系统.气垫列车利用喷气发动机来推进和空气垫作悬浮支撑.还有各种建议高速列车在管道中连续运行,方案中使用各种推进系统,包括简单的空气压差推进技术.最近,人们的注意力几乎全部集中在磁悬浮列车及其推进系统上.磁悬浮列车和推进系统的倡导可以追溯到多年以前.Stix综述了20世纪90年代前的相关主题研究.鉴于很多实际因素,磁悬浮列车系统都运行在高于地面10m的高架轨道上.有2种应用磁力的总方案,相关的气动问题也很不同.电磁悬浮(EMS)方案有一个T型的轨道,磁悬浮列车的底部包在T型轨道外侧(见图19(a)).引力磁体安装在轨道底面而列车底部包在轨道的外部,列车和轨道底部之间距离大约在厘米量级.德国的TRANSRAPID系统属于EMS类.图19(b)表示电力悬浮(EDS)方案,列车骑在轨道上,通常有一个矩形或U型的导向槽,轨道和列车底部安装有互斥的磁体.对于这种结构,列车和轨道的间隙大的多,约为10cm.目前日本的磁悬浮列车系统属于带有矩形导向槽的EDS类.如果应用较窄的U型导向槽,气动学家就必须特别注意升力和侧向力,以保证列车刚好在轨道的正上面.实际上两类磁悬浮系统都不希望有车体产生的升力,原因是升力随车速变化很剧烈,设计者更希望全部浮力都由磁体产生.7.1列车升力的消除Peters综述了早期EMS列车结构气动特性的风洞研究,轨道和转向器之间的区域需特别关注,否则转向器上的阻力会达到整个车轮阻力的2/3.然而,通过精心设计转向器及其构件可以使列车阻力减小2倍.Peters根据船模水池实验的结果,指出轨道和列车底盘之间的间隙可以把此区域的摩擦阻力减小50%.因为目前的磁悬浮列车设计得比较短,所以其总阻力受车头和车尾的影响比传统列车受的影响更大.在车轮/轨道类的列车中,车头和车尾的外形长细比(slendernessratio)为1.25时可以高效运行.对磁悬浮列车来说,只要尖角处理得好,这个值也是可用的.图20给出了缩比模型的阻力实验结果,包括了横风的影响.如果没有横风(偏航角为0),双车厢列车的阻力几乎平均分布在牵引车厢和后续车厢上.随着偏航角的增大,牵引车厢上的阻力逐渐减小,而后续车厢上的阻力增大,车头和车尾上的阻力变化过程类似.而总阻力也随着偏航角的增大而按照线性关系增大.Peters指出,全尺度磁悬浮列车惰力运行实验得到的阻力和风洞实验结果是相符的.图21给出了侧向力和升力数据.牵引车厢上的侧向力远大于后续车厢,而且大部分侧向力来自于车头.随着偏航角的增大,车头的升力几乎不变.但是整个列车的升力却急剧增大.可以在车头底部安装整流器来减小车头的升力.为了模拟磁悬浮列车在高架轨道上运行,弗吉尼亚工学院和州立大学在他们的182.88cm×182.88cm×731.53cm的风洞里,把一种特殊设备安装在高速(150m/h)移动的传送带上.Howell表明在风洞实验中,安装在固定轨道上的列车模型不能精确模拟磁悬浮列车的底部的流场.上述设备如图22所示,在风洞中,EMS磁悬浮列车模型安装在传送带上,模型底盘包在传送带外.在支撑和滑轮前有一个巨大的传送带驱动器,驱动器的外形是在对传送带上部和周围流场进行精心研究的基础上设计的,目的是把高架传送带引起的无黏和湍流扰动减小到最小,以便得到期望的均匀、无湍流的磁悬浮列车模型流场.以上努力是成功的,得到了相当均匀的流场.传送带上没有模型时的测量数据已经由Tyll等详细描述.利用这套设备已经进行了多种不同磁悬浮列车的空气动力学研究.Grumman有2种流线化的EMS设计方案:美国的磁悬浮技术中,Lockheed提出的钝头EDS设计方案,其悬浮系统的特点是有一个细窄的垂直叶片伸入到列车中;另一个是来自于弗吉尼亚工学院的流线形设计方案,列车运行在一个很浅的U型导向槽上,而把高速运行的传送带强制在模型的导向浅槽里是一个挑战性的工作.实验数据包括了力和力矩系数、在车和轨道之间的间隙测量表面摩阻,平均流速和湍流流速的测量,以及簇丛法(tufts)表面流的流场显示.图23和图24分别给出了阻力和升力的比较,其中IGE和OGE分别指考虑地面效应(in-groundeffect)和不考虑地面效应(out-groundeffect),即是否应用了传送带.首先可以看到,当以车宽为特征长度的Re数超过约400000后,升力系数CL对Re数的依赖关系就消失了.其次,对于流线化的外形,当列车靠近轨道运行时阻力会增加,升力也有所改变.对于钝