第33卷第3期力學進展VoL 33 No. 32003年8月25日ADVANCES IN MECHANICSAr高速列車空氣動力學Joseph A Schetz航空與海洋工程系,維吉尼亞工學院和州立大學,布萊克斯堡,弗吉尼亞24061;E-mail: tiger@vt. edu摘要著重描述了高速列車與其它交通工具在空氣動力學方面的差異,重點在包括磁懸浮列車( Maglev)在內(nèi)的現(xiàn)代高速列車.這些差異與下述因素緊密相關(guān);高速列車貼近地面或軌道運行、其長徑比遠大于其它交通工具、兩列火車會擦身而過,與道旁建筑物相互干擾、常受到橫風的干擾、通過隧道時會產(chǎn)生隧道出入口效應.本文綜述了最新的相關(guān)信息,涵蓋實驗技術(shù)和實驗結(jié)果、理論分析和數(shù)值方法關(guān)鍵詞空氣動力學,地面車柄、硫懸列車03131引言相對于空氣的速度,系數(shù)A為滾動機械阻力Gawthorpe2把單位列車質(zhì)量的阻力系數(shù)A/m取為早在多年前人們就已經(jīng)開始關(guān)注列車的空氣動0.00802)N/kg,其中m為列車質(zhì)量,B1為其它力特性.盡管列車空氣動力特性和其它車輛有很多機械阻力,包括傳遞損耗和剎車阻力, Gawthorpe相似之處,但也有許多很重要的不同之處,例如,飛取B1/m為(15×10-4~2.0×10-3)N/kg,表示機氣動特性需要考慮流線型機體,而列車卻不同,它單位列車速度(m/s)所引起的單位列車質(zhì)量的阻力貼近地面或軌道運行長徑比遠大于其它交通工具、系數(shù).B2為空氣動量阻力,在列車運行時,發(fā)動機有時貼身駛過道旁建筑物或其它列車、易受橫風的干熱力循環(huán)、發(fā)動機冷卻和車內(nèi)空調(diào)等過程需要吸入大擾、運行速度低,通過隧道時則會產(chǎn)生隧道出入口效量空氣,B2就與加速這些空氣所需要的能量有關(guān)應.雖然汽車和卡車也行駛于地面,且相互駛過時也 Gawthorpe2取B2/L為(0.2~0.25)kg/s,是單位列會受到橫風影響,但是和列車相比,后者的長徑比更車長度m)、單位列車速度(m/)的阻力系數(shù),式大、時速更高本文將詳細討論上述差異以及不同之中L為列車長度,最后是外部氣動阻力,主要表示處,重點是現(xiàn)代高速列車的特性為系數(shù)CMuhlenberglll回顧了關(guān)于列車阻力的早期研究,引用了1910年 Schmidt在美國、1913年 StrahlCVA=1/2pVASCD(2)在德國和1927年 Mukhachev在俄國發(fā)表的公式,式中p為密度,S為列車迎風面積,CD為阻力出了類似的公式.系數(shù)如果列車的迎風面積為10m2而長300m,CD多年來,1926年發(fā)表的Davs公式以及后來的修正值的范圍約在1.0,對于高度流線型的列車此值小形式都一直被廣泛應用對于露天運行的列車,點,對于貨點,對于貨運列車此值應小于10~15.因為氣動阻這些公式的統(tǒng)一形式為力主要起因于表面摩擦阻力,表面摩擦阻力又取決于R=A+(BI+B2)V+CV雷諾數(shù)Re,所以氣動阻力正比于速度的冪方,而數(shù)略小于2.由于部分表面摩阻已包括在B2中,在其中R為列車運動總阻力,V為列車相對靜止空氣該公式用于速度很高的情況時,根據(jù)V2推算這些阻的速度.當環(huán)境風比較叨顯時,以上公式可改為力就會過大R=A+ BIVG+ B2VA+CVA(1b)對于時速為(250~300km/h的流線型列車來說,總阻力的75%~80%起因于外部氣動阻力2,式中v為列車相對地面的速度,而VA為列車在這中國煤化工30%為表面摩阻,約Annual Review Fluid Mechanics惠允翻譯此文( Published with是譯者加的CNMHGFuid Mechanics關(guān)鍵詞8%~13%為車首對于車尾的壓差阻力,38%~47%力系數(shù)CD會引起30%的誤差. willemsen(外推為和轉(zhuǎn)向部件相關(guān)的干擾阻力,還有8%~20%為導 German-Dutch高雷諾數(shù)風洞實驗數(shù)據(jù),與全尺度結(jié)電架和其它車頂設備的阻力.顯然,如果要著手研果相比,吻合很好(誤差約10‰)究運行速度較高的列車,比如磁懸浮列車( Meglev)對于任何一種地面車輛的風洞和水洞實驗來或其它新概念列車,外部氣動阻力應是主要考慮對說,最具有挑戰(zhàn)性的問題是恰當?shù)啬M地面或車軌產(chǎn)生的重要影響在最簡單的實際情況下,地面和風是引言部分僅考慮無風露天以及單個列車水平方靜止的,而車輛是運動的而在風洞或水洞中地面和向運行這些簡單情況下的氣動阻力下面將對更復雜車輛模型是靜止的,空氣(或水)是運動的以上2種的情況進行探討:(1)風,特別是橫風;(2)隧道內(nèi)情況下的最終流場是不同的,來自與 ONERA(Oe運行(3)列車相互駛過或駛過站臺建筑物()氣動 National d' Etudes et de Recherches aerospatial)噪音,或者上述因素的綜合影響最后一章將介紹磁流場顯示動畫證實了這一事實.人們做了很多努力懸浮列車引起的一些特殊問題.本文還引述了升力以模擬這些影響,比如應用抽吸技術(shù)或者使用鏡面?zhèn)认蛄?、力矩和流場分布等?nèi)容在每一章中,首先給對稱布置的雙模型去除壁面邊界層,但是迄今為止出全尺度列車或?qū)嶒炇页叨攘熊嚹Ｐ偷膶嶒炠Y料,然最令人滿意的方法是用傳送帶拖動風洞壁面技術(shù)后是簡化理論分析和復雜的CFD模型介紹傳送帶的速度要和風洞的氣流速度匹配,和汽車模2沒有橫風時的單行列車型實驗相比,對高速列車實驗來說這種技術(shù)更具有挑戰(zhàn)性. Baker和 Brockie的報告指出,不同類型的風洞地面模擬方法會引起不大于10%的阻力誤21實驗數(shù)據(jù)上節(jié)引用的阻力計算公式都是根據(jù)全尺度車軌是很重要的差,對升力的影響將更大,而對磁懸浮列車來說升力實驗數(shù)據(jù)與亞尺度風洞、水澗、實驗水池或?qū)嶒炣囓壱苍S有人會問應用哪類風洞有利于得到高速列實驗數(shù)據(jù)綜合所得全尺度車軌實驗數(shù)據(jù)比較受歡車空氣動力特性的可靠結(jié)果呢?在 Saint-Cyr氣動迎,因為這可以避免尺度問題以及下面將提到的其它重要因素的影響測力車廂和列車整合在一起,以的sNcm( Societe National des Chemins de技術(shù)學nicas)22m×175mx15m安裝有地面?zhèn)魉蛶П銣y量列車各部件上的阻力從總阻力值減去機械阻的風潤可供參考剛!據(jù) guihenL'的報告稱,應用這力就可得到氣動阻力2,而測量列車總阻力時常應設備,法國的高速列車TGV的模型實驗和全尺度用和測量汽車總阻力相近的慣性運行技術(shù) coasting慣性運行實驗( (coasting test)的結(jié)果吻合良好technique)9.全尺度實驗除費用很高以外,還有其它問題,其中最棘手的問題是環(huán)境風的影響,特別是上述的地面影響可采用使實驗車輛在軌道上運橫風,因為它對氣動阻力影響很嚴重行的方法來減輕一些. Hamburg船舶學院在船模實鑒于全尺度實驗中的問題,大部分高速列車驗水池中進行的實驗,是在此水池的底面上牽引一個氣動力特性研究是應用亞尺度模型在實驗設備上進倒裝實驗模型,并得到了很理想的結(jié)果.很顯然,在行的在某些情況下,流動條件是可以控制的,但也此實驗中必須要避免氣穴現(xiàn)象( cavitation)的影響會引起一系列嚴重問題首先和進行任何車輛的亞英國的鐵道研究所開發(fā)了一種新式實驗設備,尺度模型氣動實驗一樣,必須注意模型的縮比尺度如圖1所示,模型比例為1/25,軌道總長136m,實要恰當.理想情況下模型的雷諾數(shù)He和馬赫數(shù)M驗模型的推進系統(tǒng)是橡皮發(fā)射器,制動系統(tǒng)包括活塞都要和全尺度車輛相匹配例如在全尺度情況下,缸、活塞、鋼纜和制動鉤,其中活塞和制動鉤通過鋼馬赫數(shù)為M<02,如果不考慮波傳播現(xiàn)象或它的作纜連接,用于實驗模型到達軌道終點時的制動用并不重要,那么模型的馬赫數(shù)也只能是M<0.2;為了研究橫風、隧道出入口及其它物理現(xiàn)象的影再如,假設相對于列車的氣流速度對模型和全尺度響,建造了一些特殊實驗設備,本文將在后面討論列車來說是近似相同的,那么,實驗室的雷諾數(shù)Re對于各種阻力成分的實驗研究,這里首先考慮列就會明顯地遠小于全尺度車輛的雷諾數(shù)Re兩者的車車頭和車尾截面上的壓差阻力詳細的研究121比例等于模型與原型的尺度比這個問題是所有車輛表明,如果模型沒有銳邊,大量細長實驗模型測得的模型實驗都要遇到的,但對列車來說這個問題更為的壓差阻力沒有明顯差異圖2給出了典型的風洞重要因為列車很長列車的模型實驗存在許多特殊實驗壓力分布曲線和無黏面元方法( (inviscid panel問題,因其存在一些小尺度的產(chǎn)生阻力的重要阻力構(gòu) method)預測曲線的比較.壓差阻力對列車總阻力的件,如轉(zhuǎn)向器、導電架和車廂間的間隔等.目前認為頁獻很小而目形阻多由車底動來控制而不是由列實驗模型的尺度至少應是原型的1/103. Baker和車中國煤化工頭和車尾的形狀對Broe指出由模型實驗數(shù)據(jù)推算全尺度車輛的阻列CNMHG,高速列車總是設405模型橡皮發(fā)射器加速車架制動管組制動鉤圖1英國鐵道研究所研制的動模型實驗設備(來自于So1,援授權(quán)再版350400450計算實驗2003004005006007003002001000圖2車頭模型上壓力分布測量和計算結(jié)果[2,1習計為可以雙向行駛的,牽引車廂和尾廂相同,因此車齊的門窗、細心設計車廂間隙結(jié)構(gòu)和車底的機件.車頭和車尾的形狀可以假定一樣車尾的形狀更是無關(guān)體的氣動設計是一個值得不斷關(guān)注的領(lǐng)域7.據(jù)報大局,原因是列車運行時,車尾深浸在沿車身發(fā)展的導,通過在車頭、車裙、車底、轉(zhuǎn)向架以及內(nèi)嵌構(gòu)架個厚的湍流邊界層里上安裝整流器,可以把作用在這些機件上的氣動阻力下面我們將考慮湍流邊界層及其對列車總阻力降低約20%的影響.流場數(shù)據(jù)表明,Cf(Cr≡Tv/(1/2pv2),其對高速電力列車來說,導電架的氣動力學是一個中u為壁面剪應力的范圍高達000低至00較為重要的問題因為升力影響到導電架和電力線的因為列車周圍的流動是三維的系數(shù)沿車身及其周邊變化很大. Baker和 Brockie14推薦此系數(shù)的△SNCF(法國國營鐵路公司)帶UIC車廂的火車值在0002-000之間. Sockel給出沿不同車體日日本電氣列車的邊界層厚度(6)的值(圖3,由圖3可知,邊界層位5oDB帶Avim車廂的車頭103移厚度(6)的范圍是6/8~6/12. Baker等對安裝在動軌道上的列車模型實驗測量,得到了邊界層的剖面,他們的報告指出邊界層的形狀因子(H=6’/6,其中θ為動量厚度)沿車身長度方向保持為一個稍大△于10的常數(shù). Parado等在風洞中通過傳送帶上的模型實驗給出了沿車頂?shù)倪吔鐚悠拭婧蚑G0.0406080100120140模型后橫截面上的速度分布,結(jié)果見圖4第一節(jié)提及諸如轉(zhuǎn)向器、導電架等部件對總阻力都有所貢獻,對此值得特別注意所有的現(xiàn)代高速列中國煤化工的邊界層厚度測量結(jié)果車都應用了以下氣動優(yōu)化措施,比如光滑的車身、平CNMHG406力問題.最佳效果是應用升力處于中性狀態(tài)的導電架.代表性的工作有 Althammer[8的研究.應用整流器可使阻力減少約50%,而伸縮式導電架可使其阻力減少約90%同應用內(nèi)燃機推進的高速列車涉及更特殊的氣動問題,其中包括吸氣排氣和冷卻系統(tǒng)的設計,這一領(lǐng)域的技術(shù)也是諸如汽車等非鐵道領(lǐng)域的研究范圍.吸氣部分的設計受到列車雙向運行需要的限制,為了o E+-#H避免排氣被再次吸入,進氣道一般布置在車底或兩0.00.20.60.8側(cè),而排氣道布置在車頂,這種布置方案也有助于防U/Vr止吸入雨水、灰塵、碎渣,也可以降低排氣噪音和污a)x=4407mm處車頂邊界層外形染等.當時速超過約150km/h,人們發(fā)現(xiàn)進氣道不能放在距車頭15倍車寬范圍內(nèi),也不能放在車頂?shù)墓战菂^(qū)分析研究結(jié)果主要來自于兩類分析,第一類包括前節(jié)描述的那些簡單參數(shù)相關(guān)關(guān)系,第二類基于計算機處理,包括應用無黏方法,或者是應用了湍流、Reynods平均Ns方程(RANS)的復雜的CFD分析,基于數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系的阻力分析,其阻力系數(shù)CD10001可表示為1(b)車尾300mm后尾流截面速度CD=CDL CB+Ar(lT-lL)/AL/2(3)其中CDL為牽引車或火車頭的阻力系數(shù);CB為列圖4在風洞中測量到的TGV模型附近的速度分布車尾部阻力系數(shù);為車身摩擦阻力系數(shù),包括轉(zhuǎn)(來自于 Parado等(1,鐵道技術(shù)研究所授權(quán))向器、車輪、車廂連接部和底面的阻力影響;l和lx分別是列車全長和牽引車部分的長度. Cockell接觸力,所以不僅要考慮它的氣動阻力,還要考慮升匯總了這些參數(shù)的典型數(shù)據(jù)值,其值見表1表1列車阻力和摩擦系數(shù)1IT IL CuAPT-P20HST2,110.110.0192MKI常規(guī)旅客列車2001180%載客量6.5Shinkansen 2000.062421.5224.50200160ICE102115200.120.200125a,APTP,高級旅客列車;HST,高速列車;ICE,城際快車b.星號表示估計值最簡單的應用計算機分析的方法是無黏面元方?jīng)r下,基于無黏面元方法的CFD分析結(jié)果和實驗的法,在圖2中已給出此類結(jié)果和實驗結(jié)果的比較兩壓力數(shù)據(jù)是吻合的四2種結(jié)果的符合程度還是不錯的.但是在有橫風情況下RAPIDE項目涉及了CFD計算、模型實驗的吻合情況就急劇惡化另外,這種無黏面元方法不和全尺度實驗的驗證. Matschke等2給出了運行能分析黏性阻力,而黏性阻力對流線型和高r/42時速達280km/h總長205m的城際快運列車(ICE值的高速列車來說,是非常重要的.應用黏性CFD2, Inter City Express)的一些很有意義的近期分析結(jié)程序研究鐵道空氣動力學是從20世紀80年代初期果開始興起的21. Gaylard的文章回顧了19年以前3中國煤化工影序的CFD研究由包括風洞實驗驗的關(guān)于列車的CFD研究,并且指出在沒有橫風的情證,CNMHG(a尾車的壓力分有和沉線圖y(b)牽引車廂的水平速度分量計算結(jié)果(c)牽引車廂的水平速度分量測量結(jié)果圖5列車1CE2流場計算(來自于 Dutschke等2習,wwR9,鐵道技術(shù)研究所授權(quán))3橫風效應約為10%,在大風天氣里,如果橫風按照BSF(Beaufort Scale Force)標準風力為8級,則會引起氣動阻橫鳳對列車空氣動力特性有很多重要的影響也力增加約50%. Peter[的結(jié)論認為,如果列車運行許有人會認為,如果提高現(xiàn)代高速列車的運行時速就時速為(250~300)km/h,風速15m/s,在迎風角為可以減小給定橫風分量時相對應的實際偏航角,從而30°最惡劣的情況下,將會增加60%的氣動阻力可以減小橫風的影響然而實際情況并非如此,實現(xiàn)橫風不僅對氣動阻力,而且對升力、側(cè)向力和氣現(xiàn)代列車的高速運行,必須通過改進結(jié)構(gòu)設計和提高動轉(zhuǎn)矩都有影響,而這些參數(shù)對列車穩(wěn)定性評估都材質(zhì)來盡可能地減輕列車的自身重量,這一些措施的是很重要的最近人們對這一課題的興趣越來越濃,最終結(jié)果是加大了橫風的影響Hine和 Matschkel2把沒有動力、輕質(zhì)、高速的車橫風最直接的作用是對氣動陽力的影響橫風速輛安裝在列車牽引位置上,實驗表明由于強風作用而度和列車運行速度合成即形成偏航角,對于現(xiàn)代列使迎風側(cè)車輪卸載而列車在離開隧道時遇到強風將車來說,在B<30°的情況下,偏航角和阻力系數(shù)之使列車陷入類似的特別惡劣的運行環(huán)境間的簡單相關(guān)關(guān)系由文獻24給出31實驗數(shù)據(jù)CD(6)=CD(0)(1+0.02)Gawthorpe2估計,和列車以時速150km/h在無風中國煤化工尺度實驗得到,盡管這天氣里運行相比,日平均橫風力引起的氣動阻力增加CNMHGHeine和 Matschke(果.圖6給出了在不同列車外形軌道基礎(chǔ)和噪音隔離棚情況下的翻轉(zhuǎn)力道施加的慣性力時存在困難27Baker和 Humpherys曾試圖就各種風洞模擬過程對模型氣動力的影響得出-些結(jié)論,但是他們只研究了具有棱邊形的列車模型.他們首先得到的結(jié)論是:橫風對地面車輛的平均側(cè)向力系數(shù)對風澗模擬的種類并不敏感,而圓角化的車輛將顯示出對Re數(shù)更大的依賴度.另一方面, Baker和 Humpherys發(fā)0040心|■開放式道堤現(xiàn)升力系數(shù)非常依賴于實驗布置和實驗條件,并推薦噪音隔離柵應用高Re數(shù)和移動模型在列車穩(wěn)定性研究中氣動轉(zhuǎn)矩是一個有意義的問題,人們發(fā)現(xiàn)它主要由側(cè)向力引起,而升力的貢獻圖6不同風速和不同道旁布置條件下列車 InterRegio氣很小.對于高速列車的設計,轉(zhuǎn)矩隨偏航角的變化關(guān)動轉(zhuǎn)矩來自于 Heine和 Matschkel20,系由圖7給出,牽引車廂上的壓力分布產(chǎn)生對轉(zhuǎn)矩TRANSs測果協(xié)會授權(quán))的影響比后續(xù)車廂大.在偏航角<45°時,轉(zhuǎn)矩與偏航角呈線性遞增關(guān)系,而偏航角>45°后轉(zhuǎn)矩就為在實驗室內(nèi)試驗,使得特殊運行條件可以重復操一個定值作,易于測量,但也會引起模型尺度和相似條件的嚴風洞實驗結(jié)果可以用來為列車在橫風中運行設重問題例如,在風洞中具有偏航角的長模型引起的定上限82.但Pee2以及 Baker和Hum氣流滯塞作用明顯增大.另外,應用傳送帶技術(shù)模擬 theres③s指出在應用沒有考慮大氣湍流影響的實地面作用,傳送帶是否也象模型那樣需要有一個偏轉(zhuǎn)驗數(shù)據(jù)時要加倍小心角?這些考慮會引起機械裝置的復雜性,而且傳送帶露出的外緣也會帶來干擾.實際上,如要模擬地面的關(guān)于橫風對列車的總體影響研究正在進行,包括問題就來自于軌道基礎(chǔ)和支架列車可能運行在9°橫風影響的各種方法還有通過柵欄來減少影響2,問題是相當復雜的,因為最棘手的橫風作用的橫風中,此時有效偏航角相對運行方向為40°,這橫風的影響并不局限于列車主體的氣動特性.如就要求風洞實驗時模型應有40°的偏航角相隨而來對電動列車來說橫風可能導致車頂導電線路或列車的問題是軌道受90°的橫風干涉,而實驗中卻象列車導電架的故障②.故障的原因通常是橫風施加給縮樣只設了40°的偏航角另一個問題是在實驗室尺放儀的升力增加了,導電架上升從而脫離供電線路度下適當?shù)啬M大氣邊界層在建筑物風載研究中就有人關(guān)注了這一問題, Cooper2也給出了他在做地面車輛實驗時得到的相關(guān)數(shù)據(jù)鑒于這些考慮,風只有牽引車洞實驗趨向2個方面:其一是在風洞中把相對較大尺度并有偏航角的模型放在抬高的周定的底板上,這一方法可以合理模擬雷諾數(shù)Re,但是不能體現(xiàn)移0.3后續(xù)車廂動地面效應和大氣邊界層的作用;其二是把小尺度模型放在固定地板上,使其暴露在精心設計的大氣邊界層內(nèi)對于橫風的關(guān)注和研究主要集中在非穩(wěn)定陣風上, Bearman和 Mullarkey2在風洞實驗中使用襟翼來產(chǎn)生陣風, Dominy和 Docto(在開式風洞( open-throat wind tunnel)中應用橫向噴射器產(chǎn)生陣0102030405060708090風.以上2個研究組都是做公路車輛實驗的偏航角/(°)所有這些考慮引發(fā)了眾多移動模型實驗方案7在橫向風作用下列車的氣動轉(zhuǎn)矩特征(來自于圖1已描述其中一例,也已提及了船模水池中進行Gawthorpe27, Elsevier Science授權(quán))的列車模型實驗.主要想法是在風洞中,把實驗模型沿地面軌道發(fā)射,以便模擬流動的大氣邊界層.地面風洞實驗表明,存在2個偏航角區(qū),可通過列車效應和橫風也可通過移動模型實驗來模擬.當然,這背風面的渦流型來區(qū)分.當偏航角<45°時,就會形些實驗也帶來了新的問題,比如為了保證列車模型成能平穩(wěn)運行就需要實驗軌道足夠光滑、精確安裝.另中國煤化工現(xiàn)的現(xiàn)象相類似的外,模型的載荷平衡間題也使得在區(qū)分氣動載荷與軌后CNMHG地面邊界層脫落,然角大于60°后,背風面的流場就類似于橫風中圓柱體后的流場.如果偏航驗中,把偏航角為60°的模型安裝在地板上,通過油角在45°和60°之間,背風面的流場就在以上兩種流顯示得到了列車背風面的流型,圖8給出了這些模式之間變化7.192年Cin和Sque在風洞實結(jié)果流動方向流動方向開式分離截面IIS一截面II截面Iva)表面流線圖截面I截面Il截面IIl截面IV截面V(b)尾跡的軸向發(fā)展圖8列車在橫向風中的尾跡渦(來自于Chiu和 Squire[37), Elsevier Science授權(quán))32分析計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)比較的詳細資料可見 Copley③8上一節(jié)的式(4)給出一個簡單的典型數(shù)據(jù)關(guān)和Chin的文章系自上一世紀90年代初期以來,基于RANS控制Copley應用面元法( panel method)來分析偏方程和ke湍流模型的現(xiàn)代CFD計算方法已經(jīng)應用航運行的列車模型,并給出了與風洞研究的比較結(jié)到包括橫風的列車氣動問題的研究中.早期二維近似果.在現(xiàn)代設計的具有25°偏航角的車頭附近,三維的研究工作對于較大偏航角的情況比如90°來說面元法可以給出不錯的流場預報,因為此時流動幾乎人們認為有一定的有效性21沒有分離,尾跡流的影響也很弱.對偏航角更大或在基于RANS和重整化群理論kε湍流模型的沿車體更遠的部位,背風面的流動分離現(xiàn)象必須要考 TRANSAERO程序,.包含了風洞實驗和全尺度模慮并加以模擬.對于這些問題模擬計算,應用面元法型實驗數(shù)據(jù),可用來研究列車空氣動力特性,其中包是很困難的,除非通過實驗或邊界層分離計算等方括橫風的影響研究.這一CFD程序應用了近8×10°法得到流場分離的位置并應用到面元法計算中.偏中國煤化工3種方法研究得到的航角很大的情況下,二維模型就可以成功模擬沿車體離開車頭較遠區(qū)域的流場.關(guān)于面元分析法以及人 CNMHG應用移動模型和靜止力損失(△Ps)Now=k(1/2p1.2(APs)Tail=kr(1/2pVaail annulus) (6)a.o00靜態(tài)模型風洞實驗注意對于長列車來說,在車頭和車尾2處,車體與隧梓動型實驗道之問環(huán)面上的速度通常是不同的. hardy446給倉民度實驗出這些系數(shù)的估計值,對于流線化的車頭,kN約FD計算01或小一點,而kr≤R2. Gaillard4認為和運行在露天相比,列車在隧道中運行時表面摩阻系數(shù)因子增長為(1+221R,然而, vardy4.4指出這個因圖9關(guān)于全尺度和亞尺度、行使和靜止的列車側(cè)向力和轉(zhuǎn)矩子很難確定.據(jù) Vardy估計,對于典型情況摩阻和車測量結(jié)果以及雷諾平均NS方程CFD計算結(jié)果的比較(來自于 Matschke等40,鐵道技術(shù)研究所授權(quán))頭車尾壓差阻力的比值約為55Gawthorpe等47利用類似的公式估算了隧道長度、阻塞率和車體形狀對阻力的影響. Sockelllll給出4列車—隧道效應了限于長隧道流線形車體的結(jié)果,但包含了列車加速度和周邊空氣的影響作用.比值T=CD/CD(0)隨高速列車的鐵路涉及到越來越多的隧道,其原因著車長的增加而減小,但在通常的阻塞率R=01有多種其中包括:(1)在人口密度高的區(qū)域有環(huán)境02范圍內(nèi),2與隧道長度和列車速度沒有關(guān)系,方面的考慮;(2)不斷增長的閑置平整地面的匱乏問這與全尺度實驗結(jié)果相吻合2題;(3)高速運行要求車軌更直高速列車在隧道中4,2列車-隧道中的壓力波運行涉及到的空氣動力學問題,體現(xiàn)在2個相互依當列車通過隧道時,將產(chǎn)生一系列的壓縮波和膨賴的現(xiàn)象中,即壓力波的形成和阻力的增加·在長隧脹波,并以近似聲速的速度沿隧道傳播.這些波在隧道中,阻力增加是主要的,而對于較短的隧道,在其道進出口區(qū)域?qū)α熊嚭统丝鸵鹨恍﹩栴}人們認為入口和出口的脈沖壓力則引起了更多問題可以容忍的壓力變化范圍應在(1~4)kPa之間,脈41隧道中的氣動阻力寬為(4~10)s,而現(xiàn)代高速列車運行都通近這些極限(.壓力波增加了列車結(jié)構(gòu)的負載,同時,如前隧道中列車的氣動阻力能相當多地超過同一列文所述,壓力場還會影響氣動阻力車在露天運行時的阻力,這主要依賴于列車在隧道中的阻塞率R( blockage ratio)、隧道和列車的長度、圖10給出的單列ICE列車在雙軌隧道中運行車頭和車尾的形狀、空氣柱的存在、隧道橫向連接結(jié)時的壓力-時間曲線,可以用來分析一些問題.此壓力-時間曲線顯然描述了一個非常復雜的波動過構(gòu)、隧道壁面的粗糙度、列車的粗糙度以及在隧道中程,其中包括了利用圖1所示實驗設備得到的125是否有其它列車同時存在關(guān)于列車在隧道中的空氣模型實驗數(shù)據(jù)和全尺度實驗數(shù)據(jù),而且很容易看到這動力特性的實驗研究,可以在全尺度(Mtuo4和Ⅴardy& Heinkel2)或?qū)嶒炇夷Ｐ统叨葪l件下進行,些結(jié)果吻合得很好(ΔP在6%之內(nèi))圖11給出一典可以應用圖2所示的實驗設備o或較新的移動模型的計算結(jié)果,這將在下文詳細論述,它很有助于理型設備,后者可以以高達500km/h時速發(fā)射實驗模解這類復雜流動的主要特征.圖11a)為xt曲線型圖11(b)為離開車頭20%車長處某點上的超壓-時間曲線(△P-t).首先,當列車駛進隧道時,頭部產(chǎn)與其它車輛類似列車阻力是壓阻和表面摩阻的生一個壓縮波,此壓縮波到達隧道出口時反射回來一合力,但是跟在露天中運行相比,在隧道中運行時這個膨脹波當列車尾部也進入隧道時,產(chǎn)生一個膨脹2類阻力的值會有所改變在隧道的入口和出口產(chǎn)生波,并在出口反射一個壓縮波由圖10可見最大的很強的壓力波,在隧道內(nèi)的水平壓力梯度沿列車發(fā)壓力脈沖發(fā)生在隧道中部(圖中用AB標記,這是由展.列車周圍的流場很明顯地改變了,特別是在車頭于頭部和尾部的反射波之間復雜的相互作用、車頭附下游或尾部的任何分離區(qū)都會受到影響,從而影響頭近壓力變化以及車身周邊摩擦作用等原因形成的隧部和尾部阻力道氣柱可以減小此壓力脈沖的強度0列車在隧道內(nèi)運行的氣動總阻力通常表示為頭現(xiàn)分析一下這些復雜的流動現(xiàn)象此類流動問題部損失系數(shù)kN和尾部損失系數(shù)k的函數(shù)4,其通中kN代表頭部滯止壓力損失,h代表尾部滯止壓煩中國煤化工其分析是很困難和一某些主要特征可以應CNMHG40(1.6)E名區(qū)1275(5.1)215(86)A壓線一)襪型長圖10列車通過隧道過程中壓力歷史的全尺度測量和1:25模型尺度測量的比較(來自于Pope, BHR Group Ltd授權(quán))用理想化模型來預測1.很多學者應用了一維非定A BCD EFGH常等熵流.對隧道入口壓縮波引起的壓升,圖121000.0比較了全尺度測量和理想化模型預測的結(jié)果.日20000下面的分析假設流動是一維、非定常、絕熱、可壓縮流隧道和列車的壁面摩擦作用則根據(jù)準穩(wěn)態(tài)假4000.0設在動量方程中考慮,列車壁面所做的功放在能量方5000.00016.032.048.064080.0960112.0程中由此所得到的雙曲型偏微分方程可以應用特征時間/s線法來求解,文獻(1有更詳細的討論]圖11給(a)車尾軌跡和波的傳播線出應用這一方法得到的結(jié)果在此流動過程的初期,瞬態(tài)壓力通常吻合得非常好,但是隨著時間的延續(xù),這一理論就低估了壓力波的衰減效應,原因可能是非定常摩擦、準穩(wěn)態(tài)邊界條件假設、忽略傳熱、和/或40o假設列車和隧道壁面是多孔的有幾位學者已經(jīng)應用了三維非定常Euer方程30位置,車頭20m后來求解列車/隧道問題25.圖13對CFD計算和0.016.032.048.064.0800960112.0模型實驗得到的壓力系數(shù)-時間曲線作比較是不錯時間/sb)車頭20m后一點的壓力歷史曲線,R=0.363對于隧道中沿高速列車產(chǎn)生的非定常流場,已圖11列車通過隨道過程壓力計算值(來自于 Schulte經(jīng)有幾個大尺度 RANS CFD研究,這類流動會引起Socket4y, Addison Wesley Longman授權(quán))中國煤化工k應用了標記單元方法)、三維非定?？蒀NMH氣列車在隧道和露天運412行時的流動過程.他使用了198×10個網(wǎng)格點和道內(nèi)的流場.圖14給出了沿列車側(cè)面的瞬態(tài)渦量分176×10°萬個網(wǎng)格點分別計算露天部分的流場和隧布圖,可以看出隧道內(nèi)流動的非定常性是很嚴重的5列車型號1(R=01m)TGFo3D/ DEXTOP N. A=0.266運行的壓力系數(shù)比較BA3=30II(R=0.203)口Iv(R=0.159)Tg- tlo 3D:V/kmh-時間/s圖12列車進入隧道后壓升,傘尺度測量和簡單一維非定常計圖13列車通過隧道時的瞬態(tài)壓力,模型尺度測量結(jié)果和三維算結(jié)果比較(來自于 Matsuo等1,BHR集團公司非定常 Euler方程數(shù)值計算結(jié)果的比較(來自于Gre授權(quán))gorie等2),BHR集團公司授權(quán))a)露天運行的列車(b)隧道中運行的列車,從隧道中心君(c)隧道中運行的列車,從隧道側(cè)壁看圖14列車 Shinkansen側(cè)面渦的計算結(jié)果(來自于 Suzuk54, M Suzuki授權(quán))40%555列車與列車之間以及列車與道旁列車行駛引起的滑流( slipstream)風力會引起嚴建筑物的相互作用重的道旁問題,它引起的高度紊流可能危及站臺上的乘客、小貨車、行李及包裹等.在第3節(jié)已經(jīng)討論過,列車誘導的流場的主要特征是背風面的強烈渦當單一列車在空氣中駛過,它會誘導一個復雜的旋環(huán)境風的變化引起的非定常作用會進一步惡化上流場這就意味著道旁建筑物或過行的其它列車上的述高度非均勻的流場現(xiàn)代高速列車設計中比較典型流場對這一列車來說是很重要的,這是不同于其它車的車頭是細長的,它和鈍形車頭相比,可以減輕車頭輛的原因是列車運行時往往和道旁建筑物或其它列引起的陣風和平均滑流( slipstream)速度.然而,車車距離非常近.下文討論這些問題尾的改進設計會使得尾流變窄和集中,從而引起尾流51實驗研究陣風加強.滑流( slipstream)速度直接隨著車速的變車頭和車尾駛過后將依次引起靜壓的擾動壓力化而改變,而很強地依賴列車外形. Penwarden峰值的大小和橫向衰減率是重要的研究對象部分來認為風速大于20m/時會危及人類. Montagne2自于 Tsuzuku等人的全尺度實驗數(shù)據(jù)在圖15中在軌道旁安裝了圓柱體來近似人體,當TGV列車通給出,可以很清楚地看出車頭形狀和橫截面面積的影過時測量發(fā)現(xiàn)在車尾駛過后較大的風力可達到側(cè)向響是很大的.壓力峰值依賴車速的平方.需要重點指距離18m處出的是壓力的改變率是很大的(壓力脈沖的時間尺度其次,列車駛過另一列停站或者同向或逆向行駛按比例取決于車頭通過所需要的時間),這會引起沖的列車時,在行駛中的列車旁測得的壓力脈沖很強地擊載荷,給諸如車囪等物件帶來許多問題.這種壓力依現(xiàn)象使得在道旁架設噪音隔離柵是很必要的,車速在過YH中國煤化工的距離,這和列車駛車駛過速度較慢的450km/h時,這些隔離柵可以把壓力的峰值減小約傳CNMHG慮, RAPIDE計劃正在研究這類情況2綱的壓力系數(shù)給出,這些值兒乎是速度的線性函數(shù)最近 Komatsu和 Yamada給出了關(guān)于高速列因而,壓力脈沖絕對值既是車速平方的函數(shù),也是車車的一套全尺度實驗數(shù)據(jù), Komatsu和 Yamada.應頭形狀的函數(shù).側(cè)向加速度為車速平方的函數(shù),其幅用一輛 Shinkansen系列300列車(見圖15(a),以值是很大的很高的相對速度駛過同類列車和駛過其它高速列車文章中給出的大部分數(shù)據(jù)來自于全尺度實驗,時,測得了壓力瞬態(tài)值和側(cè)向加速度.圖16中給出模型尺度的列車行駛實驗結(jié)果也常見圖1所示了部分結(jié)果壓力峰值的正偏移量和負偏移量以無量備就很適合這種研究,在 Johnson和Dll明的文系列車頭形狀截面圖側(cè)面圖截面積(m2)車頭長度(m)圓形16.0OX尖頭形6.0700流線型109300斜面型11.2300X車速350km/h,其它車速270kn/h2300X(尖頭離開車體側(cè)面的距離/m圖15高速列車通過隧道時引起的壓力彼全尺度測量(來自于 Tsuzuki等5, WCRR'S9提供,鐵道技術(shù)研究所授權(quán)系列1000.15·系列300▲系列100系列700●系列300a300系列7000.00a300X0.15開列車時速/kmh-1(a)壓力峰值-速度cr H中國煤化工度CNMHG章里可以找到利用此設備所做的一些最新研究工時的數(shù)據(jù)吻合得很好. Matschle等指出較長的車頭作和較寬的軌道間距能得到吻合的數(shù)據(jù),因為這種情況現(xiàn)在討論列車同時在隧道中運行時的一些重要可以避免流動分離現(xiàn)象問題.由于隧道中列車之間的相互作用非常依賴于進一步的分析涉及到應用三維 Euler控制方程兩車進入隧道的相對時間,所以這種情形很復雜例組的數(shù)值模擬. Pahlkel的文章給出了相關(guān)數(shù)值如,進入時間改變僅4s就能使最強的壓力變化加倍模擬的一個具有代表性的算例. Pahokee詳細討( Vardy和 Anandarajah).在所有相關(guān)參數(shù)和變量論了列車隧道問題相關(guān)數(shù)值計算的精度要求和應用中,不可能選擇一個有代表性的典型數(shù)據(jù). Johnson問題.例如在露天運行典型的列車駛過問題的算例和 Dalley應用ETR500列車模型所做的模型尺度中,壓力信號變化僅是滯止壓力的±10%左右而跨實驗中,一列列車停在隧道入口附近而另一列列車駛音速飛機的特征壓力變化約為滯止壓力的10%量過,測到的壓力脈沖隨車速的平方、車頭形狀和軌道級.這些問題更加限制了網(wǎng)格要求對于數(shù)值預報和間距變化長車頭設計可以顯著減輕壓力脈沖對軌道全尺度實驗數(shù)據(jù)的吻合水平可以用圖17來說明,在間距的敏感程度在Mani和voi的文章中給露天中,兩列ICE列車以時速250km/h相對行駛的出了兩列高速ETR500列車在隧道內(nèi)并行的全尺度過程中,分別記錄車頭和車尾特殊位置的表面壓力數(shù)據(jù)車頭位置的壓力峰值-時間曲線計算得很準確,而在車尾位置上的計算值過大,有人把這歸因于忽略了沿52分析車體發(fā)展的厚邊界層的影響關(guān)于列車通過問題的早期分析都做了不可壓無基于RANS的CFD數(shù)值方法在高速列車隧道旋流的假設.隨著車速的提高這些假設就有局限性中相對行駛問題的應用也有很少的幾個算例,三維非了. Tolmein2給出了理想化的列車通過隧道的二定常高Re數(shù)湍流的數(shù)值模擬的網(wǎng)格需求量很大,這維勢流解意味著即使應用了高級算法和并行計算機,能用的三維面元法( panel method)也已經(jīng)被用來分析算網(wǎng)格也是很粗糙的.在 Kalro和 Tezduyar4文列車隧道問題. Matschle等4的研究中,全尺度章中也提到了有限元法求解此類問題,計算得到的列和模型尺度的兩列高速列車上分別應用4700個格車尾部壓力降的最大值為12kPa,這和(14~16)kPa子,得到結(jié)果和一列高速列車通過另一列載貨列車實驗測量值很接近Euler模擬Euer模擬·實驗兩列ICE列車在露天軌道上行駛時速250km/h,軌道間距47m5000-730車窗同高面上的壓力7501000030.4050.6圖17兩列城際快車以250km/h駛過時的瞬態(tài)壓力,全尺度測量結(jié)果和三維非定常方程數(shù)值計算結(jié)果的比較(來自于 Pahlkel63, TRANSAERO授權(quán))6氣動噪音進和離開隧道、駛過道旁建筑物和其它列車時引起壓力脈沖會產(chǎn)生噪音.Iida等分析了消除這些不管在列車內(nèi)部還是列車外部噪音都是高速列問是車必須考慮的重要環(huán)境問題.Hard站在乘客的音中國煤化工m/h以上時氣動噪角度上討論了這個問題前文已經(jīng)討論了,當列車駛次力CNMHG強度隨著車速的6于高速列車氣動聲415學的測量技術(shù)、分析方法和硬件研究的聲源,他們認為雙模型鏡象配置法( mirror- ImageTori&zlto6對全尺度 Shinkansen列車的幾 method)比單模型動地板法更實用個聲源進行了氣動噪聲研究.圖18所示的車頭形Talotte等網(wǎng)介紹了他們關(guān)于車體不規(guī)則外形狀的改變會使在離開軌道25m處測量得到的噪音值產(chǎn)生氣動噪音的實驗和數(shù)值計算相結(jié)合的研究,其實減小2dB(A),同樣也減弱了在隧道入口處產(chǎn)生的壓驗研究是在低噪聲風洞中進行的,使用了理想化的不力波.上述車形的改變同時也注意了粗糙度、側(cè)門規(guī)則車體.氣動聲學的計算則應用了非定常湍流大渦的縫隙和把柄,車頭底部也做了氣動處理. Takaishi模擬(LES)和控制噪聲傳播的線性 Euler方程耦合等利用1:125模型的風洞實驗和二維非定常算法RANS CFD程序研究了 Shinkansen列車的氣動噪音關(guān)于轉(zhuǎn)向器對氣動阻力和噪音的影響,正在進行92m6.0mC(a) Shinkansen系列700低噪音系列列車(b) Shinkasen系列300列車700系列長度/(c)橫截面分布圖18車頭形狀研究,減小氣動噪音和隧道中運行時的壓力脈沖(米自于 Torri Itol627,wGRR99,鐵道技術(shù)研究所授權(quán))廣泛研究車阿利用噴氣發(fā)動機來推進和空氣墊作懸浮支撐作為氣動噪音、氣動阻力以及升力等的源點,還有各種建議高速列車在管道中連續(xù)運行網(wǎng),方案導電架也同樣引起關(guān)注86,7,Tori&Ito7對中使用各種推進系統(tǒng),包括簡單的空氣壓差推進技Shinkanson700系列列車和 Shinkanson300系列列術(shù)最近,人們的注意力幾乎全部集中在磁懸浮列車車進行了全尺度測量和比較,得到前者的氣動噪音及其推進系統(tǒng)上因改進導電架而減小了4dB(A), Althammer等[18磁懸浮列車和推進系統(tǒng)的倡導可以追溯到多年的風洞實驗報告指出,改進的導電架可以減小噪音以前.Stix7綜述了20世紀90年代前的相關(guān)主題高達(13~16)dB(A),然而也遇到了較大的升力研究.鑒于很多實際因素,磁懸浮列車系統(tǒng)都運行在Ikeda7介紹了一種低噪音的導電架設計方案,以便高于地面10m的高架軌道上.有2種應用磁力的總克服上述問題方案,相關(guān)的氣動問題也很不同.電磁懸浮(EMS7磁懸浮列車空氣動力特性方案有個T型的軌道,磁懸浮列車的底部包在T型軌道外側(cè)(見圖19(a).引力磁體安裝在軌道底面人們已經(jīng)提出了很多新概念以代替高速列車中中國煤化工列車和軌道底部之間距傳統(tǒng)的車輪/軌道支撐系統(tǒng)和推進系統(tǒng).氣墊列CNMH與懸浮(ED方案列416車騎在軌道上,通常有一個矩形或U型的導向槽,軌漸減小,而后續(xù)車廂上的阻力增大,車頭和車尾上的道和列車底部安裝有互斥的磁體.對于這種結(jié)構(gòu),列阻力變化過程類似而總阻力也隨著偏航角的增大而車和軌道的間隙大的多,約為10cm.目前日本的磁按照線性關(guān)系增大. Peters指出,全尺度磁懸浮懸浮列車系統(tǒng)屬于帶有矩形導向槽的EDS類.如果列車惰力運行實驗得到的阻力和風洞實驗結(jié)果是相應用較窄的U型導向槽,氣動學家就必須特別注意符的升力和側(cè)向力,以保證列車剛好在軌道的正上面.實際上兩類磁懸浮系統(tǒng)都不希望有車體產(chǎn)生的升力,原因是升力隨車速變化很劇烈,設計者更希望全部浮力小火車都由磁體產(chǎn)生電硫懸嚴系統(tǒng)BM3導向帶七磁體圖20電磁懸浮系統(tǒng)類磁懸浮列車1:10模型的阻力系數(shù)隨氣9525m偏航角的變化關(guān)系(來自于 Peters時, ndersocience筆國改計Enterprises Ltd授權(quán))電力懸浮系統(tǒng)RDs圖21給出了側(cè)向力和升力數(shù)據(jù).牽引車廂上的側(cè)向力遠大于后續(xù)車廂,而且大部分側(cè)向力來自于車頭.隨著偏航角的增大,車頭的升力幾乎不變.但是整個列車的升力卻急劇增大.可以在車頭底部安裝整流器來減小車頭的升力停站釣氣霧>101.6mm為了模擬磁懸浮列車在高架軌道上運行,弗以A生吉尼亞工學院和州立大學在他們的1828cm懸浮磁體超導磁182.88cm×731.53cm的風洞里,把一種特殊設備安裝在高速(150m/h)移動的傳送帶上[s. Howell?表明在風洞實驗中,安裝在固定軌道上的列車模型不能精確模擬磁懸浮列車的底部的流場.上述設備圖19磁浮列車EMS和EDS系統(tǒng)示意圖如圖22所示,在風洞中,EMS磁懸浮列車模型安裝在傳送帶上,模型底盤包在傳送帶外.在攴撐和滑71實驗研究輪前有一個巨大的傳送帶驅(qū)動器,驅(qū)動器的外形是Pers3綜述了早期EM列車結(jié)構(gòu)氣動特性的在對傳送帶上部和周圍流場進行精心研究的基礎(chǔ)上洞研究,軌道和轉(zhuǎn)向器之間的區(qū)域需特別關(guān)注,設計的,月的是把高架傳送帶引起的無黏和湍流擾否則轉(zhuǎn)向器上的阻力會達到整個車輪阻力的2/3然動減小到最小,以便得到期望的均勻、無湍流的磁而,通過精心設計轉(zhuǎn)向器及其構(gòu)件可以使列車阻力懸浮列車模型流場以上努力是成功的,得到了相當減咸小2倍.Peer根據(jù)船模水池實驗的結(jié)果,指均勻的流場.傳送帶上沒有模型時的測量數(shù)據(jù)已經(jīng)出軌道和列車底盤之間的問隙可以把此區(qū)域的摩擦由T等5啊詳細描述.利用這套設備已經(jīng)進行阻力減小50%.因為目前的磁懸浮列車設計得比較了多種不同磁懸浮列車的空氣動力學研究(78~80短,所以其總阻力受車頭和車尾的影響比傳統(tǒng)列車 Grumman有2種流線化的EMS設計方案:美國的受的影響更大在車輪/軌道類的列車中,車頭和車磁懸浮技術(shù)中, Lockheed提出的鈍頭EDS設計方尾的外形長細比( (slenderness ratio)為125時可以高案,其懸浮系統(tǒng)的特點是有一個細窄的垂直葉片伸效運行.對磁懸浮列車來說,只要尖角處理得好,這入到列車中;另一個是來自于弗吉尼亞工學院的流值也是可用的.圖20給出了縮比模型的阻力實驗線形設計方案,列車運行在一個很淺的U型導向槽結(jié)果,包括了橫風的影響,如果沒有橫風(偏航角為0),雙車廂列車的阻力幾乎平均分布在牽引車廂和后中國煤化工制在模型的導向淺槽據(jù)包括了力和力矩續(xù)車廂上隨著偏航角的增大,牽引車廂上的阻力逐CNMH利量表面摩阻,平均流速和湍流流速的測量,以及簇叢法(tuts)表面流圖23和圖24分別給出了阻力和升力的比較,其的流場顯示中IGE和OGE分別指考慮地面效應( in-ground圖21 TRSNSRAPID TOG磁懸浮列車牽引車廂的升力和側(cè)力系統(tǒng)隨偏航角的變化關(guān)系(來自于 Peters3圖22架起的移動軌道磁懸浮列車實驗設備,電磁巷浮系Inderscience Enterprises Ltd授權(quán))統(tǒng)(EMS)模型安裝在傳送帶上,Ⅴ irginia理工學院18288mm×18288mm風洞300.05圖23風洞實驗剛力系數(shù),包括 Grumman電磁懸浮系統(tǒng)(EMS)磁懸浮列車、 Lockheed電動懸浮系統(tǒng)(EDS)磁壯浮列車和 virginia理工電動懋浮系統(tǒng)(EDS)磁懸浮列車,軌道運行,即考慮地面交應IGE( (in-ground effects,以及無軌道運行,即沒有地面交應OGE( out-of-ground effec).CD阻力系數(shù),Be為雷諾數(shù)所有數(shù)據(jù)來自于文獻(75,78~80s02°892000004000008000001000000圖24風洞實驗升力系數(shù),包括 Grumman電磁懸浮系統(tǒng)(EMS)磁懸浮列車, Lockheed I電動懸浮系統(tǒng)(EDS)、磁懸浮列車和 irginia理工電動浮系統(tǒng)(EDs)磁懸浮列車,軌道運行,即考慮地面交應 IGE (in-ground effects以及無軌道運行右她面應OGEout-of-ground effects).CL為升力系數(shù);中國煤化工獻8~80])CNMHGeffect)和不考慮地面效應( out-ground effect),即是否的分析方法,后者在22節(jié)中已經(jīng)討論過對于在矩應用了傳送帶首先可以看到,當以車寬為特征長度形導向槽上運行的EDS列車, Barrows等2試圖的Re數(shù)超過約400000后,升力系數(shù)CL對Re數(shù)的模擬渦分離現(xiàn)象的影響,其方法是把流場看作定位在依賴關(guān)系就消失了其次,對于流線化的外形,當列車兩平行平板之間的一個點源,流場中動能就和渦分離靠近軌道運行時阻力會增加,升力也有所改變.對于引起的阻力有關(guān),研究得到一個車頭的優(yōu)化外形鈍頭車形來說,升力會增加而阻力改變很小流線化磁懸浮列車都靠近軌道和地面運行,其中EMS車形阻力水平很適當,而升力水平也可行;而鈍頭車系統(tǒng)最近一般認為列車和軌道之間的黏性影響很形的阻力和升力都偏高,從空氣動力學的角度出發(fā)這是磁懸浮列車設計過程中應當避免的.圖25中給大,因此低精度無黏面元法( inviscid panel method)難以模擬這種重要現(xiàn)象,如當列車運行太靠近地面或出了 Grumman設計方案的尾跡測量數(shù)據(jù)的一個例軌道時可能發(fā)生“舉翻”( ift reversal)另一方面,子,這些數(shù)據(jù)將和下文的CFD計算結(jié)果作一比較為了多學科設計和優(yōu)化(MDO)研究等目的,需要種簡單而耗費不高的分析方法yl等發(fā)現(xiàn)渦面元法 (vortex panel method)雖然精度低,但能夠在一定程度上模擬黏性影響,而且不需要復雜的 RANS CFD模型.圖26給出了渦流圖形,表示 Grumman磁懸浮列車設計時考慮地面影響和不考慮地面影響的差異.圖27給出了應用圖25 Virginia學院設計的 Grumman磁懸浮列車尾跡流OGE橫截面上的速度等值線圖(來自于Tyl等r可,AIAA授權(quán)日本的 Yamanashi磁懸浮列車實驗線測得了大量的有用的全尺度實驗數(shù)據(jù),涵蓋了磁懸浮列車運行的各個方面,包括空氣動力學56.最近的磁懸浮列車設計都是EDS類的,列車運行在矩形導向槽圖26 Grumman磁懸浮列車渦面元法結(jié)果.OGE表示沒上,導向槽的高度達車高的一半.車頭根據(jù)廣泛的有考慮地面影響IGE考忠地面影響(來自Tyd等思CFD研究(下文將介紹)精心設計,以便使列車通過作者授權(quán)隧道時,氣動噪音、阻力和壓力脈沖降到最小目前實驗的車頭有2種形狀,一種很長,車體圓角(稱為氣動圓角)也很小,另一種的外形象鴨嘴(稱為雙尖點).目前許多實驗都集中在列車高速運行時縱向、水平和轉(zhuǎn)動穩(wěn)定性上,包括在曲線軌道上轉(zhuǎn)彎或駛過其它列車.列車實驗速度高達550km/h,而列車對開時的相對速度高達96km/h時速500km/h時的氣動升力約為50kN,露天運行和隧道運行沒有較大差RANSI&異.在直軌和曲軌上運行時速高達500km/h后,橫渦量法向和縱向位移偏度為±10mm.列車駛過其它物體時的側(cè)向力比縱向力大,轉(zhuǎn)矩也是這樣,這些影響作用和傳統(tǒng)列車測量結(jié)果相似. Yoshimura等1的報04告給出了各種氣動剎車系統(tǒng)的實驗結(jié)果,他們發(fā)現(xiàn)這對于高速磁懸浮列車來說,這些系統(tǒng)很管用磁暴浮列車壓力分布, Sinclair等|8272分析中國煤化工解和禍面元法計算結(jié)果早期的磁懸浮列車的氣動分析模仿了傳統(tǒng)列車CNMHG了2種方法得到的同一個二維車體頂部和底部的壓力分布,其一是渦面元法,其二是 Siclari等8的二維 RANS CFD計算方法,它們都考慮了地面的影響,通過比較可以看出2種結(jié)果相當吻合.值得特別說明的是渦面元法得到的列車底部的壓力分布很正確,這是其它無黏低精度方法做不到的根據(jù)這一成功的計算,渦面元法已被應用到磁懸浮列車外形設計的多學科設計和優(yōu)化程序代碼中783.。,這種方法已經(jīng)被證實能夠預測最小阻力外形,和 RANS CFD研究結(jié)果十分接近.實際上,來自多學科的設計和優(yōu)化的程序精確設計了有一個突出的較低的唇沿的車(4)從上前方向看頭外形,這些都被最新的 Shinkansen系列列車所采用.就象上面討論的那樣,磁懸浮列車的車頭外形的選擇是開展廣泛的 RANS CFD研究的主題,當然這些研究要聯(lián)合風洞實驗,有時甚至是全尺度實驗鴨嘴或雙尖點車形以及氣動圓角外形都是通過這些研究得到的6.87.運行在矩形導向槽上的雙尖角設計方案的計算流場由圖28給出scla等849應用 RANS CFD方法得到了EMS磁懸浮列車的設計方案,后來在弗吉尼亞工學院進行了實驗研究.圖29給出的車頭和車尾的流場計算結(jié)果和風洞中測量的結(jié)果相當吻合阿圖29 Grumman磁懸浮列車尾部流場的雷諾平均NS方程CFD數(shù)值解(來自于 Sicklari等,AIAA授權(quán))Klopfer和 Mental應用 ANS CFD技術(shù)得到了EDS磁列車的設計方案,此列車運行在U型導向淺槽上,圖30給出了車體和導向槽上部和周圍的流場,和平頭車尾附近尾跡流中的渦流圖Re-ox to,nMa=1),a)力等值線圖30運行在U-型窄槽上的帶有電動系統(tǒng)的磁懸浮列車,及流場雷諾平均NS方程CFD數(shù)值解(來自于 Klopfer和 Metha,AAA授權(quán))參考文獻1 Muhlenberg J D. 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The coverageincludes experimental techniques and results and analytical and numerical methods, concentrating on the mostrecent information availableKeywords aerodynamics, ground vehicles, Maglev trains中國煤化工CNMHG