列车气动阻力问题的实验研究

　　1　引　言

　　列车运行速度愈高,空气阻力愈大.国外的试验表明,空气阻力与速度的平方成正比.日本新干线电动车组的行车速度超过200 km/h时,空气阻力占总阻力的一半以上.德国资料介绍,在列车时速达300 km/h时,空气阻力占总阻力的90%至95%.因此,如何改善高速列车的体型以减少空气阻力,是减小牵引功率,降低能耗的一个关键问题.故此,研究高速列车空气动力特性,选择列车最佳外形势在必行.

　　2　关于实验的模拟问题及实验的基本情况

　　考虑到列车十分细长,而国内高速风洞的试验段一般都不长,要实现多节车厢的模拟,只能改在试验段较长的水槽中进行,即以水代气进行模拟.本文为确定在水中试验的可行性〔1〕,特安排了风洞常用的组合式模型实验.实验结果满足王勋村对Bernard的修正公式,即CDt=0.86(CDd+nCDs)[注:CDt—列车气动阻力系数;CDd—双头车阻力系数;n—车厢节数(不含头车和尾车);CDs—中间单节车厢阻力系数],通过实验测出CDt、CDd、CDs值,然后由上述公式求出CDt,再求实验CDt与计算CDt的相对偏差,结果仅为5.8%.

　　实验在武汉交通科技大学流体力学实验室卧式循环水槽中进行.试验段长为6 m,宽为1.8 m,高为1.45 m,水深0.9 m.经测定,流场特性基本满足模拟条件.阻力测试采用电阻应变式测力天平,测力元件线性良好,数据采集用静态电阻应变仪.

　　本文选取我国客车的基本尺寸作为设计模型的标准.模型缩尺为1¨30,实验模型分为两类,每类各六节(见图1示意图):

　　(1)标准型:采用我国正在营运的客车车型.主要构造有车体、轮对和相当于转向架的类似物.车模由车头和5节车厢组成,外形类似于“方盒子”形.

　　(2)流线型:外形是参照英国APT电动车组以及前苏联“俄罗斯三套马车号”高速列车的技术特点而设计的.其特点为头车和尾车形状呈三维的流线形,车体侧墙沿铅垂面向内倾斜2°,车体中部下面有导流作用的裙板.主要构件有车体、大风挡以及轮对和大裙板.车模包括头尾车和4节车厢.

　　实验时,模型由横梁、支杆悬于水槽水面下0.5 m处,车底面垂直朝向水槽侧壁,并以该侧壁平板来模拟开阔平坦的地面,并考虑了车模底部与地面距离的比例模拟,其实验安装情形见图2所示.经测定,在天平主支杆附近,地板速度附面层厚约50 mm,地板对主流速度的影响小于4.0%.

　　在实验流速(0.17～0.18 m/s)范围内,以模型长度l为特征长度的Rl=1.7×106～9.72×106,比相应的实车雷诺数小一个数量级.但结果表明,列车各中间车辆的阻力系数基本为常数,这与前人研究结果一致(注:阻力系数定义为CD= 2D/ρv0S,其中D—总阻力、v0—来流速度、S—车模横截面积).