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（0.310）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