高速列車車體高度對列車通過隧道氣動效應影響研究

張學軍 吳柯江 王孔明 高磊

摘 要：列車車體高度是影響車輛輕量化及氣動效應的重要指標，隨著列車速度的增加，列車高度對氣動效應的影響變得更加明顯，建立了車體高度分別3.95 m和4.05 m的三車編組高速列車氣動效應分析模型，分析列車表面壓力、隧道壁面壓力波動、隧道出口微壓波和氣動阻力.計算結(jié)果表明，車體高度由4.05 m減小至3.95 m時，車體表面測點的最大負壓幅值最大減小5.21%，車體表面測點壓力的峰值最大減小5.82%；隧道壁面測點壓力峰值減小1.99 %～10.42%左右，減小量最大值也出現(xiàn)在P13處，其余測點最大負壓減小量均在5%以下；出口不同處微氣壓波幅值減小約2.03～3.63%；列車隧道內(nèi)最大氣動阻力減小2.17%.

關(guān)鍵詞：高速列車；車體高度；隧道；氣動效應；壓力波；微氣壓波

中圖分類號：U451.3

文獻標志碼：A

文章編號：1004－5422（2023）03－0324－06DOI：10.3969/j.issn.1004-5422.2023.03.016

0 引 言

高速列車氣動阻力主要與氣動外形、編組數(shù)量及表面平順化等因素相關(guān).隨著列車運行速度的提高，氣動阻力的占比越來越大［1-2］.列車速度達到300 km/h時，氣動阻力占了總阻力的80% ［3-4］.列車在高速進入隧道時，將會產(chǎn)生劇烈變化的壓力波，這些壓力波將作用于隧道和車體表面，不但對列車運行姿態(tài)產(chǎn)生影響，嚴重時還可能對隧道與車體的結(jié)構(gòu)造成損害，對行車安全有著顯著的影響［5］.列車通過隧道的氣動效應的影響因素眾多，包括列車的車型（車頭形狀、車長和車高等），列車進入隧道時的車速，隧道的阻塞比、長度和壁面條件等［6］.其中，列車車體高度也是影響車輛輕量化及氣動效應的重要指標之一.本研究對不同車體高度對列車隧道通過氣動效應影響進行分析，為列車氣動效應設(shè)計提供指導.

1 計算分析模型

1.1 幾何模型

選取三車編組的列車模型進行數(shù)值仿真計算，對比研究車體高度H為3.95 m和4.05 m時，對高速列車通過隧道時氣動效應的影響，寬度為3.36 m，列車長度與高度呈倍數(shù)關(guān)系，如圖1所示.

1.2 邊界條件

考慮到高速列車實際運行速度為350 km/h，利用隧道單車通過工況下的最不利隧道長度計算方法［7-8］，通過公式1計算可得，高速列車單車通過隧道的最不利隧道長度約350 m.因此，選取列車速度為350 km/h，隧道截面積為100 m2，長度為350 m進行數(shù)值計算，數(shù)值計算區(qū)域如圖2所示，列車鼻尖距離隧道入口80 m.

L≈L車4×cv車×（1+cv車）（1）

式中，L車為列車的整車長度；V車為列車運行速度，需根據(jù)不同的工況代入不同的值，m/s；c為聲速，取340 m/s.

1.3 測點分布

為了探明列車通過隧道時車體表面的壓力變化，在計算車型的頭車表面布置壓力測點.壓力測點位置必須要有代表性，并且應便于分析和計算.從頭車流線型區(qū)域的鼻尖開始，沿流線型縱向中心線布置HP1～HP8測點，如圖3（A）所示.在列車運行方向遠離隧道壁面一側(cè)布置HP9～HP16測點，在靠近隧道壁面一側(cè)布置HP17～HP24測點，遠離隧道壁面一側(cè)布點與靠近隧道壁面一側(cè)布點沿縱向中心線對稱，靠近隧道壁面一側(cè)布點如圖3（B）所示.在頭車非流線區(qū)域布置測點HP25～HP34，如圖3（C）所示.中間車布置10個表面測點，命名為MP1～MP10.

在距隧道入口20、50、100、150、200、250和300 m 7個截面處布置了一系列測點，截面位置如圖4（A）所示，距離隧道入口20 m處截面的測點布置及編號如圖4（B）所示，編號為P11～P13；同理，其余截面編號為P21～P23、P31～P33、P41～P43和P51～P53.P*1和P*3測點距離地面高度為3.5 m.

2 列車表面壓力波動

圖5和圖6為列車表面測點壓力隨時間的變化情況.由圖可得，頭車流線型區(qū)域表面測點壓力變化規(guī)律一致；車體非流線型區(qū)域側(cè)窗測點的壓力變化規(guī)律一致.車體高度的變化對列車表面壓力的變化規(guī)律沒有影響，但對其壓力波動幅值略有影響.隨著車體高度的降低，車體表面測點的壓力峰值有所減小.

圖7給出了高速列車在不同車體高度下，以350 km/h的運行速度通過隧道時，列車表面測點的壓力對比變化情況.由圖可得，車體高度的變化對列車通過隧道過程中的表面壓力變化規(guī)律的影響較小，對列車表面壓力幅值有一定程度上的影響.

列車以350 km/h的運行速度通過隧道時，靠近隧道壁面一側(cè)測點（HP32、MP8和TP32）的最大負壓要比靠近隧道中心線一側(cè)測點（HP28、MP4和TP28）的大0.21%～3.05%左右，這是因為隧道近壁面一側(cè)的空氣流動會受到隧道壁面的限制，使得空氣被擠壓得更為嚴重，但是測點的壓力變化主要是由壓縮波和膨脹波引起的.頭車鼻尖測點的壓力波動幅值最大，且頭車主要受到正壓作用.車體高度越高，列車表面壓力變化幅值越大.列車車體高度從4.05 m降低到3.95 m時，車體表面測點的最大負壓幅值最大減小5.21%，車體表面測點壓力的峰值最大減小5.82%.

3 隧道壁面壓力波動

圖8給出了列車在不同車體高度下，以350 km/h的運行速度通過隧道時，隧道壁面測點的壓力變化情況.由圖8可得，車體高度的變化不影響隧道內(nèi)壁面測點壓力的變化規(guī)律，只對隧道壁面壓力波動幅值有輕微影響.

列車通過隧道時，靠近隧道壁面一側(cè)測點（Pi3）的壓力變化幅值要比靠近隧道中心線一側(cè)測點（Pi1）大，P13測點比P11測點的壓力變化幅值大28%左右，主要原因在于P1j測點距離隧道入口較近，列車兩側(cè)氣流流動存在較大差異.其余截面位置兩側(cè)測點的差值均在10%以內(nèi).測點距隧道入口越遠，隧道壁面測點的最大負壓幅值先增加后減小，隧道壁面最大負壓處位于P43測點.在距離隧道出口時，隧道壁面最大負壓又有所增加.高速列車在不同車體高度下，以350 km/h的運行速度通過隧道時，車體高度減小0.1 m后，隧道壁面測點最大負壓幅值減小1.13%～18.61%左右，減小量最大值出現(xiàn)在P13處，其余測點最大負壓減小量均在6%以下.可見，車體高度的降低對隧道入口處壁面的壓力波動有所改善.車體高度減小0.1 m，隧道壁面測點壓力峰值減小1.99%～10.42%左右，減小量最大值也出現(xiàn)在P13處，其余測點最大負壓減小量均在5%以下.

4 隧道出口微氣壓波

當列車在3.95 m和4.05 m的車體高度下，以350 km/h速度等級通過350 m隧道時，距離隧道出口10、20、30、40和50 m時，橫向距離5 m處的壓力波動如圖9和圖10所示.從圖中可以看出，在脈沖壓力波傳播到隧道外之前，測點壓力基本為0，當壓力波到達測點時，測點壓力會突然上升，然后慢慢衰減.

圖11給出了列車在不同車體高度下，以350 km/h的運行速度通過隧道時，隧道出口W22測點的微氣壓波的變化情況.車體高度分別為3.95 m和4.05 m時，W22測點壓力最大幅值分別為68.5 Pa和69.9 Pa.車體高度減小0.1 m，出口微氣壓波幅值減小約2.04%，出口微氣壓波幅值減小約2.03～3.63%.

5 氣動阻力

圖12給出了不同列車高度下，列車過隧道時氣動阻力的對比結(jié)果.由圖12可得，列車車體越高氣動阻力越大.車體高度減小0.1 m，列車隧道內(nèi)最大氣動阻力減小2.17%.

6 結(jié) 論

本研究建立了車體高度分別3.95 m和4.05 m的三車編組高速列車氣動效應分析模型，研究列車表面壓力、隧道壁面壓力波動、隧道出口微壓波和氣動阻力，列車車體高度從4.05 m降低到3.95 m時，氣動效應主要變化規(guī)律如下：

1）車體表面測點的最大負壓幅值最大減小5.21%，車體表面測點壓力的峰值最大減小5.82%.

2）隧道壁面測點壓力峰值減小1.99 %～10.42%左右，減小量最大值出現(xiàn)在P13處，其余測點最大負壓減小量均在5%以下.

3）出口不同處微氣壓波幅值減小約2.03～3.63%.

4）列車隧道內(nèi)最大氣動阻力減小2.17%.

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（實習編輯：羅 媛）

Abstract：Train body height is an important indicator that affects vehicle weight reduction and aerodynamic effects.With the increase of train speed，the impact of train height on aerodynamic effects becomes more apparent.In this study，aerodynamic effect analysis models for three car marshalling high-speed trains with body heights of 3.95 m and 4.05 m have been established to analyze train surface pressure，tunnel wall pressure fluctuations，tunnel outlet micro pressure waves，and aerodynamic resistance.The calculation results show that when the height of the vehicle body decreases from 4.05 m to 3.95 m，the maximum negative pressure amplitude at the measuring points on the vehicle body surface decreases by 5.21%，and the maximum peak to peak pressure at the measuring points on the vehicle body surface decreases by 5.82%; the peak pressure at the tunnel wall measurement points decreased by from about 1.99% to 10.42%，and the maximum reduction also occurred at P13.The maximum negative pressure reduction at other measurement points was below 5%; the amplitude of the micro pressure wave at different locations at the outlet decreases by from about 2.03% to 3.63%; the maximum aerodynamic resistance in the train tunnel was reduced by 2.17%.

Key words：high-speed train;train body height;tunnel;aerodynamic performance;pressure wave;micro-pressure wave

作者簡介：張學軍（1979—），男，工程師，從事軌道交通研究.E-mail：zhangxuejun1979@126.com