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漫谈高速列车的空气动力学问题(4)
    时间:2010-12-1     点击率:31636

编者按:2009年5月20日,中国科学院先进轨道交通力学研究中心成立大会暨揭牌仪式在中国科学院力学研究所隆重举行。这是根据科技部和铁道部的《中国高速列车自主创新联合行动计划》的需求,由中国科学院和铁道部联合成立的一个轨道交通力学基地,将重点开展轨道交通力学的战略规划、基础理论和先端技术的研究。力学所所长樊菁研究员任中心主任,铁道部张曙光副总工程师任中心科技委主任,力学所杨国伟研究员任中心的总工程师。我们将陆续介绍力学所在高速列车空气动力学方面的研究进展。

 高速列车的安全运行问题

  不言而喻,确保载人高速运输工具的安全是十分重要的任务,现在报刊、网络经常提到的空难问题便是一个例子。高速列车虽然没有客机飞得那么快,但是它在地面轨道上行进,也伴随着一些特有的问题。例如,关于高速列车自身的运行安全问题,包括列车交会、隧道行车、横风效应等等;而关于高速列车运行对周围环境安全的影响问题,则包括列车通过站台时对站台人员和车站建筑物的影响、隧道交会对隧道的影响、列车风对道旁建筑物和周围环境的影响等等。大家不难看到,这些问题对于在辽阔无垠空中航行的飞机是不存在的。显然,只有对这些问题开展系统深入的研究,才能确定站台和道旁建筑物及人员安全的退避距离,提出列车在各种复杂环境下的安全运行速度限制值,充分保证高速列车的安全运行和将列车运行对周围环境的影响降到最低程度。此外,还需要研究列车空调装置、电机电器冷却系统及换气系统的合理安装位置;受电弓及其关键部件的流/固耦合干扰;在风、雪、雨、沙尘等恶劣气候条件下使列车安全运行及其高速列车和桥梁耦合等一系列相关的空气动力学问题。
  让我们先来看看,力学家是如何处理这么复杂困难的问题吧。对于每个方面,他们要找出关键的科学问题、寻求恰当的研究途径、确定主控的产生机制、选择最优的解决方法。例如,(1)列车交会时侧窗会感受瞬态压力波,而且对头、尾车的司机室影响最大,这是影响列车安全运行的关键部件。考虑列车交会问题,就要考虑空气压力波,研究它们与运行速度、线间距、车体宽度和与列车编组关系;(2)列车隧道行车时,会出现很强的压缩波和膨胀波,产生瞬态冲击压力,甚至会形成声爆(即剧烈的噪声),此外在隧道口还会形成微气压波,严重地影响行车安全、旅客的舒适性。对于隧道效应问题,就要考虑高速列车在进入、通过、驶出隧道过程中所产生的空气动力学现象,特别是研究非定常的空气流场与压力波的变化特性,研究隧道进出口形状与隧道压力波的相关性;(3)高速列车运行中遇到从侧面吹来的横向风时,对运行平稳性(包括垂向和横向振动)、稳定性(横向)和曲线通过性能等动力学性能都会有所影响,强侧风甚至可能导致脱轨、倾覆等严重事故。对于横风效应问题,就要考虑研究横风下高速列车表面压力、空气阻力、升力、横向力及力矩的变化规律,研究横风对轮轨关系的影响、系统的脱轨系数、轮重减载率、倾覆系数以及车辆动态限界等指标。(4) 由于列车高速运动及空气的粘性作用,在列车侧面、底部和尾部的周围空气会形成一种特殊的非定常流动,称为列车风。它对轨道两旁的人员及建筑物均的安全有很大的影响。对于列车风问题,要通过空气动力学研究,给出影响作用力与人员或物体距列车距离和车速的关系等。
  但是,如何研究这类问题呢?纯粹的理论分析是困难的,因为高速列车的运行场景太复杂了。利用数值仿真来模拟列车交会压力、隧道行车、横风效应、列车风及其对环境的影响,涉及到动网格技术和大分离非定常流动,是目前列车空气动力学的难点问题,但我们必须知难而进。不过,数值计算要有实验数据来验证,有些现象的机理要靠实验来揭示。然而,不幸的是,目前的风洞试验装置还不能模拟诸如列车交会、隧道行车、大偏角侧风效应等问题,必须依靠一种“动模型试验装置”来模拟这些问题。可是,我国还没有能模拟速度350公里以上的动模型试验装置。目前,力学所的科学家正在采用气动加减速方法,着手建设世界上首台最高速度达到500公里/小时的高速列车动模型实验装置,以期模拟高速列车的复杂运行场景,为安全行车提供判据,为数值仿真提供对比数据。
  应当说明的是,想要在这篇短文中把上面提到的各种问题都解释清楚,是不可能的。下面只选择“横风效应”一个问题做一个浅显的说明,使大家对高速列车安全问题的研究有一个粗略的概念。图1、图2给出了列车速度为350km/h,横风速度为25m/s条件下高速列车尾车某一个横断面处的外流场、列车表面压力分布规律,这里风向从左向右,风向角为30-90°,横风剖面有指数型和均匀型两种。可以看到,在列车背风侧出现了大尺度涡,这样列车所承受的阻力、升力都发生了变化,还出现了侧向力和倾覆力矩。


(a) 指数风,风向角30°        (a1) 均匀风,风向角30°

(b) 指数风,风向角60°        (b1) 均匀风,风向角60°

(c) 指数风,风向角90°        (c1) 均匀风,风向角90°
    图1 列车尾车在横风场中的流线图


(a)指数风,风向角30°        (a1)均匀风,风向角30°

(b)指数风,风向角60°        (b1)均匀风,风向角60°

(c)指数风,风向角90°        (c1)均匀风,风向角90°
图2 列车尾车在横风场中的压力云图

  如上图所示,在横风作用下,列车表面的压力分布发生了变化。无横风作用时,列车侧面的压力分布几乎完全相同;而在较大风向角的横风的作用下,在列车的迎风侧形成了正压区,而在列车的背风侧形成了负压区。图3是力学所科学家计算出来的全车车体表面的压力云图,其中车速为97.22m/s,横风为15m/s,风向角为90°。可以看到:最大正压区位于头车鼻尖处,车身大部分区域为正压,压力值沿着列车的高度方向逐渐减小,并在尾车处出现负压;在列车的背风侧,头车出现大面积的负压区,车身基本为负压,压力值沿着列车的高度方向变化不大,仅在尾车处出现正压。尾车正压和负压的数值均小于头车,且尾车背风侧的正压绝对值小于迎风侧的负压绝对值。
 


头车迎风侧


俯视图


头车鼻锥处俯视图


尾车鼻锥处俯视图


车底部
图3 典型条件下高速列车全车车体表面的压力云图

  其实,上面只介绍了高速列车安全运行中遇到的一个“小”问题,还有许多方面需要工程师和科学家研究的。特别是,时速350公里以上的高速列车将是世界上运营速度最快的高速列车,还会出现许多目前还难以想到行车安全问题,这是我们中国人在自主研发过程中遇到的挑战,需要运用理论分析、数值仿真、风洞试验、动模型实验和在线实验相结合的综合研究手段,在高速列车试运行过程中不断研究和解决。所以,还是那句话:任何一项高技术的开发与应用,都包含着研发工程师和科学家的辛劳和智慧。
                                         (王柏懿撰文)