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高速列车空气动力学实验的利器(1)
    时间:2015-6-25     点击率:21138

编者按:201467,科技部立项的国家科技支撑计划“中国高速列车关键技术研究及装备研制”(2009-2014)在青岛通过验收。该项目的标志性成果——时速350公里高速动车组CRH380系列已经成为我国高速铁路网的主力装备,安全运营里程已超过4亿公里。作为项目的一个课题,力学所杨国伟研究员牵头开展了“高速列车空气动力学优化设计及评估技术”研究,通过参研人员5年多的共同努力,在CRH380系列气动定型设计和高速列车空气动力学实验平台建设两个方面取得重要进展。我们将分两期介绍用于高速列车空气动力学实验的动模型实验平台的研制情况。 

高速列车空气动力学实验的利器1

世界上独一无二的高速列车动模型实验平台研制成功

2014年收官之前,中国在一天之内开通了贵广、兰新和南广三条高铁,使全国高铁的总里程达到1.6万公里,已在全国基本形成了“四纵四横”的框架。高铁的迅猛发展,令国人十分振奋,也赢得了世界目光。使从事高速列车技术和装备的科技工作者倍感欣慰。特别是,随着一带一路”构想的实施,高铁出海、出国的前景广阔。目前,中国高铁里程已超过世界高铁运营里程的一半,是当之无愧的“世界第一”。此外,它还创造了若干个“世界第一”。例如,运营时速最高。 2010年12月3,在京沪高铁枣庄至蚌埠试验段,CRH380AL新一代高速动车组创造了时速486.1公里/小时的世界铁路运营第一速。这可是喷气飞机低速巡航的速度啦!又如,轮轨试验时速最高。201112月,中国南车研制的试验列车(又称500公里试验列车)落成,设计速度500公里/小时,在高速列车国家工程实验室中创造了605公里/小时的最高轮轨试验速度。再上一层楼!目前,中国已经构成了谱系最全的动车组“大家庭”,拥有从200公里/小时-500公里/小时各种时速等级的动车组。让我们来看这个“大家庭”的成员吧:初期引进的CRH1CRH2CRH3CRH5,时速为200-300公里/小时不等,引进后提升到350公里/小时;后面自主研发的有CRH380系列,时速可达380公里/小时。之后还有CRH380AM时速500公里试验车和为城际铁路研发的CRH6系列动车组。“和谐号”速度达到了350公里/小时, 是目前世界运营铁路的最高时速。

力学所杨国伟研究员率领的研究团队,针对国家任务需求,开展了多种头型方案在无横风以及不同强度横风运行场景下的气动性能和气动噪声评估研究,完成了单车隧道通过、明线及隧道会车场景下的压力波分析。通过综合性能比较,筛选出5种性能优良的高速列车头型,进行风洞实验,最终选定出CRH380A高速列车头型。通过近几年运营检验,CRH380A高速列车气动性能优良,被国际相关组织评为世界上目前设计最好的十种高速列车之首,已成为我国高端制造装备的名片。他们还针对CRH380B研制,在分析原型车CRH3的气动阻力源的基础上,完成了风挡、空调整流罩、裙板、受电弓整流罩等结构部件的多方案气动性能比较,确定了改进方案并通过了风洞实验验证,又通过线路试验验证了改进方案的有效性。CRH380B型高速列车总阻力比CRH3型车减小8%左右。

气动力学的知识告诉我们,对于时速350公里/小时运行的高速列车,气动阻力占总阻力的85%以上,所以研究高速列车的气动特性是关系到高铁运营中节能和降噪的关键。高速列车的气动性能,和飞行器、汽车等运输工具一样,要通过理论分析、数值计算与仿真以及实验验证等途径获取。试验验证包括模型实验和线路试验。如何进行模型实验呢?目前高速列车气动性能只能在低速风洞中进行实验。

人们发展风洞的历史有150余年了,开始是因为研制飞行器的需求,现在风洞实验已经是飞行器研制工作中的一个不可缺少的重要组成部分(参见图1)。目前,风洞不仅在航空和航天工程的研究和发展中起着重要作用,随着工业空气动力学的发展,在交通运输、房屋建筑、风能利用和环境保护等部门中也得到越来越广泛的应用。例如,所谓的“汽车风洞”(参见图2)就是研究各类汽车的气动性能。

1  研究飞机气动性能的航空风洞 

2  研究汽车气动性能的汽车风洞 

利用风洞作实验的依据是运动的相对性原理。在实际情况中,物体(飞行器、汽车、高速列车等)一般是在静止的空气中运动。但在风洞实验中,则是实验气体在静止的物体模型(固定在风洞实验段内)周围流动。这种实验方法,流动条件容易控制,可以重复地、经济地取得实验数据。为使实验结果准确,实验中的流动状态必须与实际流动状态相似,即必须满足“相似律”的要求。要搞清楚相似律的全部问题,大概需要写一部专著,不是我们这篇短文可以囊括的。但是,有一条基本的相似条件并不是难以理解的,那就是“几何相似”,或者说模型和实物必须按比例缩小(或放大)。例如,在力学所实验平台中,高速列车模型外形尺寸的缩比为1:8。如果我们要实测高速列车结构的气动特性,车顶上受电弓架等细致结构也都应当在模型中体现出来,才能满足几何相似条件。此外,“动力学相似”条件则会对实验气流的速度提出要求。

然而,汽车风洞存在来流速度偏低的缺点,因为实际汽车的时速一般不会高于200公里/小时,所以汽车风洞实验气流的速度大多不能满足模拟时速350公里/小时高速列车的要求。尽管航空风洞可以满足模拟速度的要求,但是难以模拟高速列车特别关注的地面效应、明线交会、隧道通过和隧道会车等运行场景。为了克服常规风洞的缺点,力学所决定针对高速列车研制的需求,发展大型双向动模型空气动力学实验平台。杨国伟研究团队提出了利用高压空气驱动高速列车模型的创新思路;通过关于动模型加速、减速原理的多方案验证,确定了动模型实验的实施方案;并于2013年底,在北京怀柔力学所钱学森工程科学实验基地,建成了拥有完全自主知识产权的大型动模型实验平台(参见图3)。该平台的最高实验速度可达500公里/小时,模型缩比为18,模型质量可达100千克以上,具有双向对开运行模式,而且可以安装隧道模型(参见图4)。由于列车模型在轨道上按照实际的时速来运动,所以“地面效应”便可以模拟研究了。由于有两条对称设置的轨道,每次试验中可以使两个列车模型在相反方向上相对运动,从而实现了“明线交会”场景的模拟。由于可以按要求设置隧道模型也是满足1:8缩比的几何相似要求,采取了分段制作的方式,各段之间使用螺栓(Bolt)连接,端面贴有胶带以保证段间密封不漏气的要求,这样就可以模拟“隧道通过”和“隧道会车”等场景。当然,对于“隧道通过”场景的模拟,如果只需考虑单轨单列的情况,也可以在该实验室的单轨单车的小型动模型装置上进行,那里所使用的隧道模型的截面尺寸会相应缩小的。

3  力学所钱学森工程科学实验基地的高速列车动模型实验平台

4 安装有隧道模型的大型双向对开动模型实验平台

从图3照片中,不难发现,这个大型实验平台的动模型是一个实际运行列车组的缩比模型。按照高速列车基础研究的惯例要求,这是一个“三车编组”的模型。图5给出了实物照片,它包括一个头车(Leading car)和一个尾车(Trailing car),以及一节中间车厢(Middle car),在头车模型的下方还装有转向架(Bogie)模型,整体地放置在轨道(Track)上。目前,杨国伟研究团队正在探讨“四车编组”模型的实验方案。

5  三车编组的动模型

总之,我们可以十分自豪地告诉大家:这个实验平台是世界上独一无二的高速列车动模型实验装置。它的研制成功,为我国高速列车空气动力学的基础研究和未来高速列车的研制奠定了必要的基础。  

                                                                     (王柏懿撰文)