采用风洞试验研究高速列车的气动性能简介

列车风洞试验综述1列车风洞模型试验系统1.1风洞的基本类型及基本原理当对列车的空气动力学特性进行试验研究时，直接而真实的方法是在线实车试验，但进行一次试验需要耗费大量的人力、物力、财力，组织一次试验很不容易，得到的数据有限，加之自然条件千变万化，如环境的风速和风向不可控制等，重复性难以保证，而且，实车试验需在列车制造出来后才能进行，用于研制新车代价太高，因此实车试验一般以验证、评估、考核试验为主，兼顾研究性试验。

于是，人们就想用模型试验来代替实车试验。

风洞是能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具。

风洞模型试验是研究列车气动特性中应用最广泛的手段之一。

它具有试验理论和试验手段成熟、测量精密，气流参数如速度、压力等易于控制，并且基本不受天气变化的影响等优点。

为了满足不同类型空气动力试验的要求，现代风洞的种类繁多。

风洞通常按照试验段气流的马赫数来分类，有低速风洞（Ma<0.3）、亚音速风洞（0.3<Ma<0.8）、跨音速风洞（0.8<Ma<1.5）、超音速风洞（1.5<Ma<4.5）、高超音速风洞（4.5<Ma<10）、极高速风洞（Ma>10）等。

列车模型风洞试验一般在低速风洞中进行。

低速风洞按通过试验段气流循环形式来分，有直流式和回流式两种基本类型。

按试验段结构不同，低速风洞又有“开口”和“闭口”之别。

直流式风洞的特点是把通过试验段的气流排在风洞外部，如图1。

回流式风洞的特点是通过试验段的气流经循环系统再返回试验段，如图2。

图1 直流式风洞图2回流式风洞对列车在空气中的等速直线运动，按照运动的相对性原理，在空气动力特性研究中，可以认为列车静止不动，与列车速度大小相同方向相反的空气流过列车，列车上承受的空气动力与类车运动在静止的空气中承受的空气动力完全相同。

列车在空气中运动，由于空气的惯性、黏性、弹性和重力作用而产生作用于列车上的力，称为空气动力，主要有惯性力、黏性力、重力和弹性力。

这些力的比值，可以几个重要的参数即：雷诺数、马赫数、弗雷德数等。

空气动力学理论研究认为，如果列车风洞试验模型和实际列车几何相似，二者具有相同的雷诺数、马赫数、弗雷德数、比热容等，则绕模型和实物的流动完全相似。

按相似准则的要求，两个现象完全相似的条件是单值条件以及所有的相似参数完全相同。

模型试验与实物完全相似称之为完全模拟。

实际上是根本无法做到的。

通常，只要能做到主要相似参数相同，而忽略次要的相似参数。

在列车风洞试验中，由于介质都是空气。

可认为比热比、弗雷德数Fr与实际情况相同。

如果不考虑气体可压缩性对流动的影响，可不考虑马赫数Ma的影响。

但是，要求模拟的一个重要的相似准则是雷诺数，要求试验的雷诺数尽可能接近列车运行的雷诺数。

然而，雷诺数的模拟也不是一件容易的事情。

但根据现象的自模性，试验研究表明，当雷诺数时，气动特性不再随雷诺数变化，雷诺数进入自模拟区。

因而，可以明显的简化模型的试验条件，如减小模型，减小风洞的设计成本。

列车气动特性风洞试验正是根据运动的相对性原理和流动的相似性原理，将列车和线路等物体按几何相似制作成缩比模型，并固定在风洞的试验段，风洞的动力装置产生气流，通过稳定、加速和整流，使之成为具有所需速度、密度和压力的均匀气流，当它流过列车模型，在满足必要的相似条件下，测量列车模型的空气动力特性，就可以得到实际列车的空气动力特性。

1.2低速风洞主要部件及功能直流式低速风洞的主要部件有：整流网、稳定段、收缩段、试验段、扩压段、动力段；回流式低速风洞主要部件有：整流网、稳定段、收缩段、试验段、调压缝、扩压段、拐角与导流片、动力段。

稳定段：改善流动特性，使气流平直、均匀；蜂窝器：将气流中的大旋涡变成小旋涡并对气流进行导向（与风洞轴向一致）。

整流网：降低气流湍流度，使气流均匀。

收缩段：加速气流，达到所需要的均匀气流速度和湍流度。

收缩比n为收缩段进口大截面与出口小截面的面积之比。

收缩比越大，收缩段出口气流的速度分布越均匀，湍流度越低。

能量损失大，造价也越高。

一般低速风洞的收缩比为4~10。

低湍流度风洞一般采用大的收缩比。

收缩段收缩曲线一般采用光滑过渡，主要参考维托辛斯曲线。

试验段：进行模型试验的部位，整个风洞的核心，要求气流稳定、速度大小和方向在空间分布均匀，实验段的截面形状有圆形、方形、长方形、八角形等。

开口实验段：模型安装方便，观测容易。

气流的能量损失大，气流品质较差。

实验段长度为1~1.5R。

闭口实验段：装有透明观察窗，气流均匀区域大，能量损失小。

模型装卸不方便。

实验段长度为2~2.5R。

实验段的气流特性是设计风洞、评价风洞性能的主要指标之一。

实验段气流品质的衡量标准主要有气流稳定性、速度均匀性、方向均匀性、湍流度、轴向静压梯度。

扩压段：将气流的动能转变为压力能，以减少风洞中气流的能量损失，降低风动所需的功率。

扩散角一般<7 ，扩散角过大容易产生流动分离，造成能量损失和气流脉动增大。

动力段：通过调节风扇的转速来调节实验段内的气流速度，可用可控硅整流器提供直流电，直流电动机带动风扇，实现无级调速，转速稳定。

拐角：一般风洞设计中气流要通过四个90　的拐角。

气流经过拐角时容易发生流动分离，产生旋涡，造成流动不均匀和脉动。

能量损失大。

在拐角处需布置导流片，采用大弯度的翼型。

回流段：作为气流的回路，同时起扩压的作用，面积逐渐扩大。

风扇段：使通过风扇的气流恢复平直，风扇后需装置反扭导流片和整流罩等。

2列车风洞测试技术2.1列车风洞测力试验技术风洞中用来测量作用在列车模型上的气动力和力矩的测量仪器是气动天平。

按工作原理，风洞天平可以分为机械天平、应变天平、压电天平、磁悬式天平。

在列车风洞试验中，大多采用应变天平，并尽可能的安装在列车模型的内部。

应变式天平原理是通过测量敏感元件‐电阻应变片的输出电压来测量模型空气动力的一种装置，一般由弹性元件、电阻应变片、测量电路、稳压电源、信号调理放大器等组成，其中，电阻应变片是一种利用金属或半导体材料受拉伸或压缩变形后电阻值可以发生变化的一种敏感元件。

通常制成栅状。

电阻应变片在使用中也存在一些问题。

如：机械滞后：由于敏感栅、基底和粘合剂在承受机械应变以后滞留的残余变形引起的；零漂：应变片内应力的变化，粘合剂和基底内部结构的变化引起的；应变片的电阻值不稳定；最大工作电流：电流比额定小很多时，不灵敏，电流太大会损坏；温度效应：温度影响电阻值的大小，从而造成误差。

另外比较常用的是盒式六分量应变天平，它具有刚度大、机械分解彻底、耦合干扰小等优点。

测力试验的一般要经过试验准备、模型安装、试验运转、报告编写等几个阶段。

2.2列车风洞测压技术测压试验，其目的是测量列车各部分，如车头、车尾、车窗、风挡、转向架、空调、风道口等表面的压力分布，为研究各部分的气动特性和绕模型的流动提供依据。

测量压力分布，需要在模型表面的适当位置布置测压孔并在模型内部留有传压管道布管槽和一定空间，其余要求和测力时基本相同。

测压孔的布置一般不采用均匀分布，在压力变化剧烈的地方，测压孔布置要适当密一些；在压力变化平缓的地方，测压孔的布置要适当稀疏一些。

压力分布测量的主要仪器是压力扫面阀和压力传感器，压力扫描阀分为机械扫面阀和电子扫面阀。

电子压力扫描阀原理是利用多通道的传感器（ZOC）进行多点压力的测量和数据采集，并利用数模转换系统（DSM或DSA模块）和微处理器对数据进行处理。

工作时多通道模块高速扫描，模块间相同通道同步采集。

扫面阀一般尽可能放入模型内部，可以减少管道的长度，节省测量时间，同时也可避免管道对流场的影响。

3地面效应模拟技术在实际中，列车贴地运行，车辆与地面之间非常接近，产生独特的流场特性，即地面效应。

在风洞中，来流在风洞壁面形成的附面层顺着流向不断增厚。

而列车底部与地面的距离又非常小，风洞底部壁面附面层厚度使列车底部的流动与压力发生很大的变化。

消除风洞壁面附面层的方法主要是在距离地面一定高度安装专用地板，将试验模型列车放在专用地板上。

目前，国内外主要有以下方法来解决：固定地板法、移动地面传送带技术、镜像对称双模型技术、屏幕法、抽吸技术、切向吹气技术等。

如下图3~8所示。

图3无抽吸固定地板无抽吸固定地板：中间地板有一快360°的转盘，其余为固定部分。

虽然避免了风洞壁面附面层的影响，但在固定地板上又产生了新的附面层，仍然对列车底部流场有影响。

图4抽吸固定地板抽吸固定地板：地板上表面均匀分布着小孔，通过抽吸来控制附面层的厚度，但必须确保抽吸沿整个地板的均匀性。

具有代表性的是国防科学技术大学的易仕和教授研究设计的，可将附面层厚度由14mm降到5mm。

图5镜像对称的双模型技术图6移动地面传送带技术该方法采用移动地面传送带设备，即地面与列车模型是相对运动的，地面运动速度与空气流速一致，因此可以提供很好的地面效应特性，对于精确模拟列车底部及表面摩擦情况提供较好的模拟环境。

图7屏幕法屏幕法：通过一块将风洞试验段的工作截面分成上下两部分，也就是利用一块静态地板(SGP)将风洞空气来流分成上下两部分气流，对屏幕法与镜像技术下的结果进行过对比，发现两者会使得空气阻力相差2‐3%。

一个突出优点就是简单，易于实现。

图8切向吹气地板技术切向吹气地板技术：与抽吸气地板不同的是，切向吹气地板技术是沿固定地板表面缝隙吹出一股气流，增加固定地板边界层中气体的能量，来尽量减小地板附面层。

该技术与移动带技术相近，且列车空气阻力系数均大于固定地板；随着来流速度增加，切向吹气技术会使得空气阻力系数降低，且趋近固定地板情况。

因此，吹气或吸气，对控制的要求是很高的，否则会带来不利影响。

此外，通常采取几种方式结合的方法来消除地面效应，如移动地板与抽吸技术结合以及屏幕法与切向吹气技术结合。

综合来看，不同消除地面附面层的方法各有优势，也存在相应的缺陷。

4国内低速风洞现状我国风洞建设起步较晚，上世纪80年代，吉林大学傅立敏教授尝试将航空风洞或大气边界层风洞进行改造以进行汽车风洞试验，参与了北京空气动力研究所一座中型单回流闭口低速风洞的改建，使该风洞可以完成1：5比例的汽车风洞试验。

主要改造内容是，研制汽车模型四轮支撑和H梁连接机构，建造基于地板附面层吸除法的地面效应模拟装置和汽车模型天平。

1998年，同济大学将其土木工程防灾国家重点实验室TJ‐2号风洞改建为汽车模型风洞。

以便能够进行汽车风洞试验。

上述两个风洞改建的主要工作，都是对汽车风洞地板边界层进行处理，增建地面效应模拟设备。

傅立敏教授对汽车风洞边界层控制技术进行了研究，并对汽车风洞特点进行了总结。