高速列车空气阻力1

高速列车空气阻力1 一、高速列车空气阻力 随着列车运行速度的提高，列车受到的阻力不断增大，其中空气阻力占的比例越来越大。国外测定列车空气但力的方法及减少空气阻力的措施。列车在平直线路上走行时受到的阻力称为基本阻力，它由机械阻力和空气阻力两部分组成。随着列车运行速度的提高，阻力不断增大，其中空气阻力占的比例越来越大。日本、法国、德国在开发高速铁路、研制高速列车的过程中，对测定列车空气阻力的方 法及减小空气阻力的措施进行了大量的研究，使得相同速度下高速列车的空气阻 以上。 力比传统列车减少了60% 1、高速列车的空气阻力 列车的基本阻力计算式(Davis公式)为: 2Wo=A+BV+CV 式中V为列车行驶速度，A、B、C为由实际列车走行试验确定的系数。通常认为2A+BV为机械阻力， CV为空气阻力即机械阻力与列车速度一次方成正比，空气阻力与列车速度的平方成正比。因此，随着车速的提高，空气阻力在总阻力中占的比重将越来越大。近年来，国外高速列车最大营运速度已达到300km/h，此时列车基本阻力中空气阻力占了80%。以德国ICE/V列车阻力公式为例: 2R=11.4M+(0.025M+17.86P)V+(0.17+0.0428N)PV ，M为列车质量(t)，P为空气密度(kg/m3)，N为中间车辆数，V式中R为阻力(N) 为列车速度(km/h)。若取列车质量为800t，中间车辆数为14，按(2)式计算出各种速度下的列车总阻力、机械阻力、空气阻力见 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1。表1还列出了不同速度下基本阻力中空气阻力所占百分比。 表1 ICE/V列车机械阻力、空气阻力及总阻力 因为实际列车的走行试验受各种因素的影响，要精确地测定(1)式中各项系2数的数值，还需要在走行试验之外辅以其它的测量及理论推导，其中空阻力项CV，主要通过模型风洞试验和空气动力学实车试验确定。 物体运动时受到的空气阻力不但与运动速度有关，还与物体的外形关系极大。由于种种原因，在运动物体上直接测量空气阻力较困难。根据流体力学 相似理论，可采用外形与实物几何相似的模型在风洞中进行试验，测得一定风速 1V下作用在模型上的空气阻力R，将二R除以动压头PV及模型迎风面积S，得mmmm2 到一无因次系数: RmC,1x2 ρVSmm2 式中C称为物体的空气阻力系数，它只取决于物体的外形，而与物体的大小及X 运动速度无关。用风洞试验方法测定出模型C之后，在空气绕实际物体流动与X 绕模型流动力学相似的情况下，只要给出实际物体的运动速度V和迎风面积S,，X即可计算出该物体受到的空气阻力 12 R=C? ρVS NX.mN2 2确定列车空气阻力的方法 对飞机、汽车等物体而言，利用模型风洞试验确定定空气阻力非常方便，而高速列车形状特别细长，要在风洞中测量出整列列车模型的空气阻力非常困难。国外在研究过程中采用了不同的方法。 2. 1日本采用的研究方法 日本60年代初开发新干线。系列车时，对测定列车空气阻力的方法进行了研究。他们根据物体运动时受到的空气阻力由物体表面空气压力分布引起的压差阻力和由流过物体表面的空气与物体表面之间的摩擦力两部分组成的机理，将高速列车空气阻力分成两部分:一部分是由列车头尾形状造成的与列车长度无关的压差阻力;另一部分是与列车长度有关的广义的表面摩擦阻力。之所以称为广义的表面摩擦阻力，是因为除车身表面摩擦力之外，转向架、受电弓、车辆连接部、车底车顶设备造成的阻力也包括在其中。压差阻力由短编成的车辆模型风洞试验测定，而广义的表面摩擦阻力则是通过实际列车进入隧道时，由于活塞效应造成列车头部空气压力上升，测定列车头部滞止点及车体侧墙上测压点压力上升值，然后推导出压力上升值与列车表面摩擦系数入之间的关系而计算出}c3]。于是整列列车空 气阻力系数表达式为: L CC+λ X=PD 式中C，为压差阻力系数，L为列车长度，D为列车当量水力直径。 P 80年代初，日本东北、上越新干线开通，同时开 之出200系、100系新干线 100系列车性能试验和0系列车提速试验时，采用以上方列车。在进行200系、 法测定了它们的空气阻力和基本阻力〔3]。图1表示的是试验得到的长度都为400 m的3种类型列车}200 km/h时的压差阻力和表面摩擦阻力在空气阻力中所占比例。由图可知，表面摩擦阻力占空气阻力的90%左右。表2是3种列车与空气阻力测定有关的参数，表3是速度为200 km/h时3种列车单位质量的总阻力、空气阻力及机械阻力。由表3可知，200系和100系列车空气阻力和机械阻力都比0系列车小。 图1 新干线列车200 km/h时空气阻力(列车长400 m) 表2 新干线列车与空气阻力测定有关的参数 列车类别 S D λ Cp 0系 12.6 3054 0.017 0.20 200系 13.3 3.64 0.016 0.20 100系 12.6 3.54 0.016 0.15 表3 新干线列车200km/h单位质量的阻力 Kn 阻力 0系 200系 100系 空气阻力 0.0566 0.0517 0.0544 机械阻力 0.0428 0.0202 0.0193 总阻力 0.0993 0.0714 0.0733 40多年来，日本在减少空气阻力及改善列车其它各项气动性能方面始终不渝地进行研究，近年来，开发出Star21, 300X, WIN350, 500系等最大运行速度均在300 km/h以上的新型列车。为减小列车迎风面积，大幅度地降低了车顶高度，并在受电弓周围加装了导流罩以改善受流性能。对于这种外形的列车，受电弓导流罩的压差阻力在整列车空气阻力中占的比例增大，应将它从表面摩擦阻力中分离出来 2. 2法国、德国采用的研究方法 法国从70年代开始着手开发巴黎一里昂的高速铁路，最初是用燃气轮机作动力，称为TGV001型列车。为降低能耗，要求该列车以260km/h运行时的基本阻力小于(最多等于)一般列车200km/h时的基本阻力。这就要求列车外形一定要流线化，以减小高速时的空气阻力。为了在列车设计时就能较准确地计算出整列列车的空气阻力，除利用航空风洞、汽车风洞进行试验研究之外，法国国营铁路公司出资，在Saint—cyr航空力学研究所建设了一座能容 纳1:20缩小比例10节车辆编成的列车模型的铁路专用的长大风洞(试验段长宽高为巧15mx2.2mXl.75m，并设置了能模拟地面和轨道且能消除附面层影响的活动地板)。从1972年开始，在该风洞中测量了不同长度编成的TGVo01列车模型(分别 、3、5、7、10节车)的空气阻力，并与实车走行试验结果进行了比较，找到为2 了风洞试验和实车试验之间的换算关系，见图2。同时通过对编成长度不同的列车模型以及对列车各个组成部分(车身、转向架、 车辆连接处、受电弓及车顶设备等)的模型进行种种试验，测得了列车各部分对阻2力的贡献，得到了(1)式中CV项系数的表达式为: C=KS+KPL+??C 12 式中Kl为表征列车头尾形状压差阻力的系数，S为列车横截面面积，KZ为表征列车车身表面摩擦阻力(不包括转向架、车辆连接处、受电弓及车顶设备等)的系数，尸为列车横截面周长(从轨道上表面开始计算)，L为列车总长，艺?C中至少有3项，分别为表征单个转向架、车辆连接处、受电弓及车顶设备等空气阻力系数乘上整列车该设备数量。随后几年，在研究TGV一PSE列车编成方式以及在该列车设计过程中，采用这一方法仔细估算了10节车辆编成的铰接式列车的空气阻力和基本阻力，与列车研制出来后的实车走行试验得到的结果完全一致。 与日本采用的研究方法不同的是，空气阻力系数完全由风洞试验得到(最初需要与实车试验进行比较研究)，为新型列车的开发研制带来极大的方便。更为重要的是，利用风洞试验仔细研究列车各部分对阻力的贡献并采取种种修型措施，对症下药地减小它们的阻力，最后达到尽可能地降低整列列车空气阻力的目的 德国自1972年起，联邦技术研究部对列车空气阻力的研究也采取了以风洞试验研究为主的方法。为减小头尾部的压差阻力和列车交会空气压力波，德国航空航天研究所设计了25种头型，并将其中8种制成1:12的模型在3mx3mx6m风 洞中进行了试验。为研究整列列车的空气阻力，制作了1:10缩小比例8辆编成的RS——VD列车(即后来的试验型ICE列车)模型，在法国Saint——cyr航空力学研究所的铁路专用风洞中进行了仔细的研究。 通过采取各种减阻措施，RS——VD列车空气阻力大幅度减低 图2不同长度的TGV 001列车空气阻力系数 图3德国IC列车与RS-VD列车克服运行阻力所需功率 3减少列车空气阻力的正确途径 从(4)式可知，高速列车空气阻力与p、v、S、Cx有关，其中空气密度p为常数，列车速度v是人们希望不断提高的量，因此，要减小空气阻力，只有减小列车横截面积S及空气阻力系数CX 减小列车高度及宽度都可以使横截面积变小，但列车宽度过小将使客室座席宽度变小而造成定员减小或舒适度变差，所以高速列车车体最大宽度一般与传统列车差别不大，而采取将车体侧墙上部和下部向内倾斜并以大圆弧过渡到车顶和车底的造型。降低列车高度对减小空气阻力非常有利，故高速列车的车高明显低于传统列车，且随着列车最大速度不断提高，列车高度越来越低。降低列车高度是通过减小车顶内部设备高度和适当降低地板高度来实现的，并不影响客室内部 的高度，因而不会影响乘坐的舒适度。 然而列车横截面积的降低毕竟有限，减小列车空气阻力的主要途径是减小空气阻力系数。由(6)式可知，列车空气阻力系数由许多项叠加而成，应该针对式中每一项逐一进行研究，尽量使各项都减到最小。国外为此进行了以风洞试验为主的大量试验研究，研究成果可概括为以下几方面。 3.1列车头尾流线化，减小压差阻力 传统列车头尾部皆为钝头形状，压差阻力系数分别在0. 6以上，压差阻力占了列车空气阻力的29% o所以，高速列车最先采取的减阻措施就是头尾流线化，将传统列车头尾部几乎为一垂直面的端面改变为具有一定长度、越往前横截面面积越小、表面光滑的几何体，并定义为车头长细比。 LmP= S/, 式中L。为车头断面变化部分的长度，s为车身横截面面积。研究表明，车头长细比越大，压差阻力越小。同时，头尾流线化还可以减小列车交会及进入隧道时产生的空气压力波并降低空气噪声(列车最高速度超过300 km/h时，头尾部外形设计主要考虑这两项性能指标)。故日本、法国、德国一直将头尾部外形作为重点进行过仔细的研究，使头(尾)车空气阻力系数分别降到0. 2左右，压差阻力只占列车空气阻力的7%。 3.2优化列车底部、转向架的外形，减小底部的空气阻力 传统列车车底部形状非常复杂，除转向架之外，还有许多外挂设备，使车底部分的阻力占总的空气阻力40肠。将列车底部、转向架外形进行优化，效果非常显著。采用在车体侧墙下方安装裙板的方法阻挡列车两侧的气流流向车底，可使中间车辆阻力减小20写，头部动车阻力减小7%。更有效的方法是采用外形合理的车底外罩将除转向架之外的整个车底部分全部封罩，可使中间车辆阻力减小3000，头部动车阻力减小13000 如果中间车辆采用铰接式，转向架数量减少一半，中间车辆阻力可降低25。风洞试验还表明，安装转向架裙板，可进一步减小阻力，但实际应用时给列车运行与维护保养带来不便，故只是在列车最高速度超过300 km/h时才考虑采用。 3.3优化列车顶部及受电弓的外形，减小空气阻力 高速列车车顶部布置有受电弓、高压电缆等电气设备，所造成的阻力可达到总的空气阻力的19%。采用安装受电弓外罩将受电弓及电气设备周围遮盖，可使这部分阻力减小50肠，同时改善受电弓受流性能及减低气动噪声。国外正在开发一种伸缩管式受电弓(日本称为低噪声受电弓，已在500系列车上采用)，阻力和噪声都可以大幅度降低。 3.4提高车体表面平整度和光洁度，减小表面靡擦阻力 传统列车车体表面平整度较低，且车门车窗向内凹进，而扶手、车窗玻璃压条向外突出等，使摩擦阻力加大。提高车体表面平整度和光洁度，将车门车窗表面与车体表面平齐，取消突出在车体表面之外的扶手等细小突出物，可降低表面摩擦阻力。 3.5通过台采用大风档，消除车辆连接处空气阻力 传统列车通过台横截面小于车辆横截面，气流在车辆连接处形成旋涡产生的阻力占总空气阻力的4%左右，高速列车采用橡胶制成的、横截面与车辆相同的大风档，可消除此处的空气阻力。张健 德国用头尾2节动车、中间6节客车的RS一VD列车模型在Saint一cyr风洞中对各项减阻措施的效果进行了仔细的研究，得到的结果见图4、图5。图5中a、。、e、f、h、i、k分别表示采取不同减阻措施的列车组成状态(a为基本状2态)。图中数字表示的是各种状态下列车空气阻力系数CV与列车横截面积 a:基本本状态 c:每节车车底中部加外罩 e:整列车车底加外罩.车辆间加大风档，受电弓加导流罩 f:在e的基础上采用铰接式转向架 h:在e的墓础上加转向架裙板 J:在h的基础上去掉一个受电弓 k:在e的基础础上采用伸缩管式受电弓.加转向架裙板 图4RS_VD列车各种减阻措施及减阻效果 S的乘积，单位为m，;而百分数则表示采取减阻措施后空气阻力系数与基本状态空气阻力系数之比。由图5可知，每项减阻措施都产生了明显的效果，在横截面形状及头型不变的情况下，采取了最完善的减阻措施后，空气阻力仅为原来的49写。图5则表示，采取减阻措施后，列车总的空气阻力系数变小，列车各部分空气阻力在总的空气阻力中占的比例也发生了变化。日本、法国、德国的研究说明了以下几点。 (1)采用以风洞试验为主的方法来测定列车运行时的空气阻力和进行减阻措施的研究是行之有效的，然而由于列车十分细长且贴地运行，需要有能容纳多节车辆模型并带有地面效应模拟装置的长大风洞，才能完成整列列车的空气阻力测定。首先是列车头尾流线化，以减小压差阻力，但最主要的是采取各种减阻措施减小整列列车的摩擦阻力。列车设计的最高速度越大，需要的减阻措施 (2)减小列车空气阻力的正确途径是按照空气动力学性能要求来设计列车的外形。首先是列车头尾流线化，以减小压差阻力，但最主要的是采取各种减阻措施减小整列列车的摩擦阻力。列车设计的最高速度越大，需要的减阻措施越完备越完备。