高速列車風(fēng)擋腔內(nèi)流場分布試驗分析方法探討*

白 夜，楊 俊，李建平，張 超，董孝卿

（1 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100094；3 華東交通大學(xué)，南昌 330013；4 中國鐵路武漢鐵路局有限公司，武漢 430071）

作為高速列車車廂間軟連接的組成部分，風(fēng)檔的結(jié)構(gòu)與連接方式會改變列車的氣動性能，進(jìn)而影響高速列車的運行平穩(wěn)性、乘坐舒適性以及經(jīng)濟(jì)環(huán)保性［1-4］。目前相關(guān)學(xué)者對風(fēng)擋氣動性能的研究主要集中在氣動減阻降噪方面。梁習(xí)鋒等［5］早期通過數(shù)值仿真分別研究了小風(fēng)擋、大風(fēng)擋與全封閉風(fēng)擋對列車氣動阻力的影響。楊加壽等［1］進(jìn)一步計算了高速條件下7種風(fēng)擋形式對局部氣動性能的影響。黃志祥等［2］選擇3編組列車模型采用風(fēng)洞試驗方法研究了半封閉和全封閉外風(fēng)擋條件下氣動阻力的分布規(guī)律。牛紀(jì)強(qiáng)等［6］利用數(shù)值計算方法研究了不同橫風(fēng)側(cè)向角條件下風(fēng)擋結(jié)構(gòu)與表面壓力的影響規(guī)律。張業(yè)等［4］從風(fēng)擋縫寬角度計算了多種風(fēng)擋形式下列車氣動性能的變化情況。唐明贊等［7］通過數(shù)值模擬研究了不同安裝間距下氣動載荷作用對外風(fēng)擋結(jié)構(gòu)變形與應(yīng)力的影響。蓋杰等［8］采用數(shù)值仿真方法分析了3種外風(fēng)擋結(jié)構(gòu)周圍流場和氣動載荷的變化規(guī)律并與線路試驗結(jié)果進(jìn)行對比。上述研究基本選擇數(shù)值仿真或風(fēng)洞試驗作為主要研究方法，少數(shù)研究開展了實車線路試驗，但對試驗方法及試驗結(jié)果的描述分析較少，多用于對數(shù)字仿真與風(fēng)洞試驗的研究結(jié)果。

文中在多次實車試驗基礎(chǔ)上，從試驗方案和數(shù)據(jù)處理與分析2方面系統(tǒng)梳理了針對高速列車風(fēng)擋的實車試驗方法，并以某型動車組試驗結(jié)果為例，驗證了該試驗方法的有效性。

1 風(fēng)擋結(jié)構(gòu)

目前我國高速列車的運營速度一般在200～350 km/h之間，為了控制氣動阻力與噪聲風(fēng)擋結(jié)構(gòu)采用的是內(nèi)風(fēng)擋與外風(fēng)擋相結(jié)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計［9-10］。內(nèi)風(fēng)擋主要起到保證車內(nèi)氣密性與隔音降噪的功能，多采用折棚式密接風(fēng)擋；外風(fēng)擋則以U型橡膠外風(fēng)擋為主［11-12］，可以在使車體間近似平滑過渡，如圖1所示。

圖1 復(fù)興號動車組折棚式密接內(nèi)風(fēng)擋及U型橡膠外風(fēng)擋

2 試驗方案

針對高速列車風(fēng)擋區(qū)域的空氣動力學(xué)問題，采用實車試驗方法開展研究，通常關(guān)注2方面問題，即不同運行速度條件下風(fēng)擋腔內(nèi)區(qū)域的流場分布情況和內(nèi)外風(fēng)擋的振動變形情況。其中風(fēng)擋腔內(nèi)流場分布是研究氣動阻力和氣動噪聲的基礎(chǔ)，亦是文中討論的主要內(nèi)容，下述試驗方案主要針對流場測試。

2.1 試驗方法

實車試驗測試區(qū)域流場常用的試驗方案通常包括空氣流場跟蹤、氣流速度測試和空氣壓力測試3類。針對風(fēng)擋腔內(nèi)流場，常用試驗方法為微絲示蹤法和表面壓力測試法2種［7-8］，分別介紹如下：

（1）微絲示蹤法

微絲示蹤法是指通過視頻攝像機(jī)拍攝跟蹤風(fēng)擋空腔內(nèi)微絲的運動情況，以判定空腔內(nèi)選定位置的氣流方向、渦旋情況等。由于風(fēng)擋空腔空間較小，不利于安裝過大的設(shè)備干擾流場，同時腔內(nèi)光源較弱、背景顏色復(fù)雜，所以需要選擇顏色鮮艷尺寸偏粗的絲線、絲帶等作為介質(zhì)以便于視頻攝像機(jī)直接觀察。雖然微絲示蹤法相對直接、便捷，但是也存在較大的局限性。一方面，微絲示蹤法更適合于低速流動、定常流動，且只能通過絲線的轉(zhuǎn)動、抖動或者翻轉(zhuǎn)給出定性結(jié)果。另一方面，測試需要的裝置都要放置在風(fēng)擋空腔內(nèi)。選取的絲線為了保證可視性通常較粗，將對氣流產(chǎn)生干擾；置于腔內(nèi)的攝相機(jī)及其固定工裝不僅體積大，還位于進(jìn)出風(fēng)口位置，也會干擾流場。上述干擾都會影響微絲示蹤法試驗結(jié)果的真實性。

（2）表面壓力測試法

表面壓力測試法是指在內(nèi)外風(fēng)擋及空腔壁面上安裝絕壓傳感器或差壓傳感器，測試固體表面壓力脈動情況的方法。表面壓力測試系統(tǒng)需要將呈扁平薄片狀的壓力傳感器置于風(fēng)擋腔內(nèi)外表面上，通過連接線與車內(nèi)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接進(jìn)行測試。這種方法的優(yōu)勢在于傳感器及其連接線體積都比較小，用膠帶覆蓋于固體表面后基本保持了固體表面的平滑性，對流場的干擾較小。表面壓力測試法得到的測試結(jié)果是定量的，且傳感器不同精度和靈敏度都較高，相對微絲示蹤法可以更好地反映真實流場。但該方法同樣存在局限性，一方面由于傳感器需要安裝在固體表面，所以只能獲得固體表面壓力變化情況；另一方面為了避免干擾流場測點布置不宜過多，因此測試所得結(jié)果是屬于孤立離散點的。

流場中還可以通過各式風(fēng)速儀測量定點位置的風(fēng)速，常用的測試方法可分為接觸式測量和非接觸式測量2種。前者可通過機(jī)械式/熱線風(fēng)速儀、測壓管進(jìn)行測試，后者則需要激光多普勒測速儀或粒子測速儀實現(xiàn)。機(jī)械式風(fēng)速儀及測壓管都不適合風(fēng)擋腔內(nèi)非定常流動；熱線風(fēng)速儀雖然靈敏度方面可以滿足要求，但在實際應(yīng)用中面臨測點位置困難與設(shè)備安裝對流場干擾大的問題；非接觸測量方法則對設(shè)備安裝提出極高要求，雖然在模型試驗中大量使用，但尚無研究單位在實車上開展測試。

除了上述測試流場的方法外，實車線路試驗過程中還需要對車輛運行速度進(jìn)行實時測試，同時標(biāo)定車輛的運行里程并根據(jù)線路文件判斷列車所處線路條件，便于后期數(shù)據(jù)整理分析。數(shù)值仿真與風(fēng)洞模型試驗不同的是，實車線路試驗中車速并不是均勻恒定的，受到車輛牽引性能和線路條件（如道岔、曲線、坡道、分相區(qū)等）所限，列車運行速度會出現(xiàn)一定幅度的波動，對風(fēng)擋區(qū)域空氣動力學(xué)現(xiàn)象產(chǎn)生影響。這種影響雖然并不固定，但對于列車運行過程是真實的，也應(yīng)予以考量。目前常用的測速方法以安裝速度傳感器和通過GPS測速為主，前者測量精度更佳。

2.2 方案示例

文中以某型8編動車組的風(fēng)擋腔內(nèi)流場試驗為例，給出定量試驗方案。該動車組的內(nèi)外風(fēng)擋分別為折棚式密接風(fēng)擋和U型橡膠外風(fēng)擋，兩側(cè)膠囊在安裝時施加了預(yù)壓縮以保持外風(fēng)擋的剛度和穩(wěn)定性；減振器處存在300 mm高的開口，同時風(fēng)擋肩部R800 mm處開缺口，如圖2所示。

圖2 某型動車組外風(fēng)擋底部底部及肩部開口實物圖

示例試驗采用表面壓力測試法開展測試。選用其工作原理為壓阻式和惠斯通電橋原理的絕壓傳感器，采樣頻率最高可達(dá)60 kHz，同時速度傳感器采集列車運行速度信息。

壓力測點布置在風(fēng)擋腔內(nèi)車體中部高度處，車外也分別在外風(fēng)擋及車廂中部車外相同高度處布置測點，如圖3所示。由于試驗僅作為示例，測點布置較少，實際試驗應(yīng)補(bǔ)充更多部位測點，以追蹤流動變化情況。

圖3 風(fēng)擋腔內(nèi)外測點布置示意圖

3 試驗數(shù)據(jù)處理與分析

在實車試驗過程中，由于運行線路往往較長，區(qū)域跨度大，且受到地勢所限，線路沿線的海拔差異較大。一方面，海平面至同溫層之間氣溫、空氣密度和氣壓都隨海拔升高存在明顯的降低趨勢；另一方面氣壓存在幅值在100～400 Pa之間的日變化，也與風(fēng)及天氣相關(guān)。所以線路沿線各處的當(dāng)?shù)貧鈮捍嬖谳^大差異，在處理絕對壓力數(shù)據(jù)時需要盡量排除這些因素。

3.1 數(shù)據(jù)的處理方法

為了盡量降低線路沿線各處絕對壓力變化對測試結(jié)果的影響，選擇計算風(fēng)擋腔內(nèi)外壓差可以有效抵消局部壓力的差異。在處理數(shù)據(jù)過程中，選取外風(fēng)擋外表面一固定測點壓力值作為車外氣壓基準(zhǔn)，分別計算風(fēng)擋腔內(nèi)各測點與該測點壓力的壓差值，通過壓差的變化趨勢研究車速對風(fēng)擋內(nèi)壓力的具體影響。

需要注意的是，外風(fēng)擋外表面與兩側(cè)車廂間并不是完全平滑的，且U型膠囊的“直線”區(qū)域由于預(yù)緊力作用也存在一定的弧度，所以風(fēng)擋外測點位置的選取會顯著影響到壓差變化幅值，應(yīng)額外選取車廂中部位置的車外測點對比得到風(fēng)擋外表面壓力情況。

3.1.1 速度及線路參數(shù)

在實車線路試驗過程中，要考慮行車方向?qū)︼L(fēng)擋腔內(nèi)流場的影響，由于車速會根據(jù)線路條件發(fā)生波動，在處理數(shù)據(jù)時應(yīng)根據(jù)列車運行的實際速度進(jìn)行篩選分類。對于高速列車風(fēng)擋腔內(nèi)流場，還需區(qū)分曲線與直線路段。這是因為車體兩側(cè)風(fēng)擋在曲線區(qū)段會分別出現(xiàn)擠壓和拉伸，改變風(fēng)擋腔整體結(jié)構(gòu)，應(yīng)將風(fēng)擋狀態(tài)按直線、不同半徑的曲線內(nèi)側(cè)及不同半徑的曲線外側(cè)加以劃分。明線/隧道以及單車通過/交會也是需要加以區(qū)分的。

劃分過程如圖4所示，經(jīng)過分類后的數(shù)據(jù)是分散在整個試驗過程中的多個小區(qū)段。綜合考慮風(fēng)擋空腔內(nèi)流場湍流度情況及列車線路條件，每個區(qū)段按1 min劃分采樣，得到多組試驗數(shù)據(jù)。

圖4 試驗數(shù)據(jù)劃分示意圖

3.1.2 統(tǒng)計分析

對于每一組試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析可以得到風(fēng)擋腔內(nèi)各測點在特定速度級、線路條件下與風(fēng)擋外測點的壓差平均值和絕壓方差，同時可以計算風(fēng)擋外測點與車體外測點的差值統(tǒng)計量。選取8車在前時明線直線段部分測點，計算結(jié)果見表1。

表1 動車組8車在前時明線直線段部分測點計算結(jié)果

3.1.3 頻譜分析

經(jīng)過分段后的壓力信號在廣義上是相對平穩(wěn)的，所以可以通過功率譜密度加以分析。功率譜密度是指波的功率頻譜密度乘以一個適當(dāng)?shù)南禂?shù)后將得到每單位頻率波攜帶的功率。

當(dāng)動車組8車在前且在明線直線段以速度385 km/h運行時，選取測點4的絕壓測試結(jié)果計算其功率譜密度如圖5所示。文中作為示例選取的是周期法進(jìn)行功率譜密度計算，進(jìn)一步的研究可嘗試其他計算方法。

圖5 動車組8車在前且在明線直線段以速度385 km/h運行時測點4功率譜密度

3.2 試驗數(shù)據(jù)的分析

針對處理后的數(shù)據(jù)可以分別分析壓力、湍流度和振動等流動相關(guān)參數(shù)。

3.2.1 壓力

統(tǒng)計分析中獲得的壓差均值可用于衡量壓力幅值，由表1可知，風(fēng)擋腔內(nèi)3個測點的壓力值與風(fēng)擋外相比呈負(fù)壓，說明風(fēng)擋宏觀上受到吸力作用。隨著動車組運行速度增加，各測點的負(fù)壓絕對值基本呈現(xiàn)增大趨勢。位于車體上的測點2的負(fù)壓值隨速度增長降低明顯，而內(nèi)風(fēng)擋上測點4則變化相對平緩，這反映了車體壁面整體光滑與內(nèi)風(fēng)擋褶皺對風(fēng)擋腔內(nèi)流場的不同影響。

3.2.2 湍流度

風(fēng)擋腔內(nèi)壁面處的湍流脈動壓力是氣動噪聲的研究內(nèi)容之一，統(tǒng)計分析中獲得的方差可以用于衡量壓力脈動程度。分析表1中數(shù)據(jù)可知，風(fēng)擋腔內(nèi)處于外風(fēng)擋上的測點1和車體上的測點2方差值明顯大于內(nèi)風(fēng)擋上測點4的方差值，說明內(nèi)風(fēng)擋的褶皺在一定程度上對風(fēng)擋腔內(nèi)流場起到了緩沖作用，降低了湍流度。

3.2.3 振動

由于風(fēng)擋腔內(nèi)固體表面的壓力脈動可以在一定程度上反映固體本身的振動情況，應(yīng)對壓力信號進(jìn)行振動分析。采用功率譜密度作為概率統(tǒng)計方法可以有效分析該隨機(jī)振動。圖5的功率譜密度結(jié)果，就反映了測點4所在的內(nèi)風(fēng)擋處在速度385 km/h下發(fā)生了0.5、37.1、42.4 Hz的振動，這與內(nèi)風(fēng)擋振動測試得出的結(jié)果是一致的。

4 結(jié)論

文中針對高速列車內(nèi)外風(fēng)擋間空腔內(nèi)的流動，圍繞實車試驗方法展開討論。受到實車試驗設(shè)備所限，現(xiàn)階段的測試主要通過2種方法：（1）定性測試：采用絲線、絲帶追蹤腔內(nèi)某點的運動情況并用攝像機(jī)跟蹤拍攝；（2）定量測試：采用絕壓或差壓傳感器測試風(fēng)擋及空腔表面壓力變化。文中主要探討了采用壓力（壓差）傳感器測試流場時的試驗方案與試驗數(shù)據(jù)處理分析方法，并以某型動車組為例，給出了分析處理后風(fēng)擋內(nèi)各測點的壓力、湍流度及振動的變化趨勢。

由于風(fēng)擋內(nèi)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用數(shù)值計算對相關(guān)流場的分析存在一定的局限性，特別是內(nèi)部小結(jié)構(gòu)將對風(fēng)擋內(nèi)湍流發(fā)展的影響、各處結(jié)構(gòu)對高速列車運行總阻力的疊加作用等。實車試驗相比數(shù)值計算更能反映風(fēng)擋的實際運行狀態(tài)，但缺陷在于試驗過程中設(shè)備也會對流場產(chǎn)生干擾，且測試手段存在較大局限性，無法獲得較為全面的流場信息。進(jìn)一步的研究可以將實車試驗方法擴(kuò)展至非接觸式流場測量手段，比如粒子測速儀（PIV）等設(shè)備對空腔內(nèi)流場開展試驗，獲得更多的原始流場信息，為相關(guān)研究提供更為全面的數(shù)據(jù)支撐。