高速動車組通過隧道時氣動阻力特性研究綜述

段修平

摘 要：列車速度提高帶來的空氣動力學問題成為亟待解決的問題，特別是列車在隧道內(nèi)會車時，隧道內(nèi)空氣受到強烈擠壓，產(chǎn)生劇烈的壓力波動，可引起車窗玻璃受沖擊而損壞。本文介紹了國內(nèi)外學者通過動模型試驗、實車試驗和數(shù)值計算等方法對高速列車單車通過隧道和隧道內(nèi)交會時的氣動阻力特性的研究現(xiàn)狀，并提出了未來研究高速動車組氣動阻力的發(fā)展方向和研究內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：高速動車組；氣動阻力；隧道單車；隧道會車

隨著高速動車組運營速度的不斷提高，高速動車組進入隧道后，空氣流動空間受到隧道壁面的限制及其空氣的可壓縮性，導致空氣受到壓縮，而且由于列車進入隧道產(chǎn)生膨脹波和壓縮波的反復作用，導致列車車身所受的壓力急劇變小、變大，列車所受壓力波和氣動阻力也急劇減小或增大。劇烈的壓力波動會引起車窗玻璃受沖擊而損壞[1]，嚴重影響列車運行安全性和乘坐舒適性[2]，氣動阻力的增大會增加列車的能耗，降低列車運行的經(jīng)濟性[3]。因此，對列車通過隧道時的氣動阻力進行研究，有助于探究列車隧道氣動阻力變化規(guī)律，通過隧道基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和改進優(yōu)化列車結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

1 單車通過隧道工況

圖1表示了列車駛?cè)胨淼罆r的壓力分布圖。高速列車駛?cè)胨淼篮?，車頭壓縮空氣向前流動，可壓縮的空氣由于受到隧道壁面的限制導致空氣急劇壓縮產(chǎn)生壓縮波；車尾駛?cè)胨淼篮螅嚭蠓趴臻g形成負壓區(qū)，導致周圍空氣流向隧道內(nèi)產(chǎn)生膨脹波。膨脹波和壓縮波在隧道內(nèi)往復傳播導致車身周圍的壓力急劇變小、變大，空氣流動復雜多變，使列車車身壓力波和氣動阻力隨著列車與隧道不同的相對位置而不斷變化。

研究表明：高速列車單車通過隧道時所受的氣動阻力主要由壓差阻力構(gòu)成，列車的頭車和尾車阻力的變化趨勢與壓力的變化趨勢相同[4]。高速列車在隧道內(nèi)運行時，列車壓差阻力有時小于明線的壓差阻力，有時大于明線的壓差阻力，但摩擦阻力一直大于明線運行時的摩擦阻力；空氣阻力與壓差阻力兩者的變化趨勢幾乎一致，壓差阻力對列車空氣阻力的影響遠大于摩擦阻力對列車空氣阻力的影響，壓差阻力對列車空氣阻力的變化起主導作用。

2 隧道內(nèi)兩車交會工況

圖2表示了列車隧道內(nèi)交會時的壓力分布圖。列車高速通過隧道時的氣動阻力要比明線運行時的大得多，尤其列車在隧道內(nèi)會車時，隧道內(nèi)空氣受到強烈擠壓，產(chǎn)生劇烈的壓力波動，以及隧道內(nèi)由于兩列車進入后產(chǎn)生的壓縮波和膨脹波的反復影響，使高速列車在隧道會車時所受的氣動阻力變化劇烈。列車在隧道內(nèi)交會時，其阻力變化趨勢與單車過隧道時相似；在隧道內(nèi)交會時的車體表面壓力要遠遠大于在明線上交會的情況，在隧道內(nèi)交會對車體結(jié)構(gòu)強度提出了更高的要求[5]。

高速動車組隧道內(nèi)頭頭交會過程中，頭車鼻錐壓力降低，車體表面的壓力減小。當列車頭尾交會過程中，頭車鼻錐壓力增大，尾車鼻錐壓力減小，空氣阻力增大。當列車尾尾分離過程中，尾車鼻錐壓力增大，空氣阻力下降，車體周圍的壓力增大。高速動車組隧道內(nèi)頭頭交會時，頭車阻力出現(xiàn)很大的負值，即產(chǎn)生一個與速度方向相同的推力，尾車阻力增大。頭尾交會過程中，頭車的推力繼續(xù)增加，尾車的阻力也急劇增大。尾尾分離時，頭車阻力恢復正值，尾車產(chǎn)生較小的負值，即尾車產(chǎn)生與速度方向相同的推力；頭車的阻力變化最大；頭頭交會與頭尾交會的過程中，頭尾車阻力變化比較大；交會完成前，頭車表現(xiàn)為向前的推力，尾車阻力最大。在整個交會過程中，阻力均比其他時刻大得多。

3 結(jié)論

本文簡要的介紹了國內(nèi)高速動車組隧道內(nèi)運行時氣動阻力的特性和研究現(xiàn)狀。隨著我國高速鐵路恢復350km/h的運營速度，未來必將涉及更高速度列車氣動阻力的相關(guān)問題，對高速動車組隧道運行時的氣動阻力進行研究，掌握列車隧道氣動阻力變化規(guī)律，通過隧道改進和列車結(jié)構(gòu)優(yōu)化來降低氣動阻力在高速動車組總阻力中的占比是高速動車組空氣動力學研究的關(guān)鍵技術(shù)。

參考文獻

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[3]張業(yè)，孫振旭，郭迪龍，楊國偉，尚克明.風擋縫寬對高速列車氣動性能的影響[J].鐵道學報，2017，39（3）：19-24.

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