高速列空气阻力

高速列车空气阻力

[1]秦淼.高速列车空气动力学性能的研究[硕士论文].北京交通大学，2011,6

列车空气动力学性能

（1）气动阻力

列车运行时的表面压力和切应力沿列车运动反方向形成的合力，即列车空气压差阻力和列车空气摩擦阻力之和，称之为列车空气阻力F。也就是说列车空气阻力由列车空气摩擦阻力F shear 和列车气压差阻力F pressur 两部分组成，即：

F=F shear +F pressur

当空气沿列车表面流动时，由于空气的粘性，在列车壁面将形成一层由流速为零并且沿着壁面法线迅速升高到与来流速度基本一致的流体层，称之为边界层，其厚度在驻点处为零，然后逐渐向下游增加。边界层内的气流，因眼厚度方向位置不同，其流速也迅速变化，各不同速度层间将产生切向力，从而形成列车表面的粘性切应力。列车运行时的粘性切应力沿列车运动反方向形成的合理，是阻挡列车运行的阻力，被称为列车空气摩擦阻力。

列车表面压力沿列车运动反方向形成的合力，也是阻挡列车运行的阻力，该阻力是由于各组成列车的车辆前后部压力差引起，被称为列车空气气压差阻力。

随着高速列车运行速度的提高，空气阻力越来越显著，研究结果表明，列车运行的空气阻力与运行速度的平方成正比，当传统列车速度为120km/h时，空气阻力约占总阻力的40％；当其速度为300km/h时，空气阻力可以达到总阻力的80%；当其速度为350km/h时，空气阻力可以达到总阻力的90%。

1、列车阻力计算公式

[1]姚拴宝，郭迪龙.高速列车气动阻力分布特性研究[J].铁道科学，2012,34（7）

对于列车阻力的研究，一直以来人们都沿用1926年发表的Dvise公式及后来的修正形式。这些公式的统一形式为

R=A+(B 1+B 2)V+CV 2

式中：

R —为列车运动总阻力；

V —为列车相对于静止空气的速度；

A —为滚动机械阻力；

B 1—为其他机械阻力，包括传递损耗和制动阻力；

B 2—为空气动量阻力；

CV 2代表的是空气阻力，与列车速度的平方成正比，系数C 可表达为：

2

1)(321S C C C C ρ++=式中：

C 1—首车的空气动力学阻力系数；

C 2—除了首车和尾车之外的列车的空气动力学阻力系数；

C 3—尾车的空气动力学阻力系数；

S —列车横截面面积，m 2；

ρ—空气密度，kg/m 3。

3、试验模型

型动车组为样板，对速度为350km/h,由8辆车组成、实车为此，本文以CRH

3

大小及外形的动车组模型进行数值模拟，并分析各部分的气动阻力分布及其在列车总气动阻力中所占的比例。

从图1可见，头车和尾车气动阻力对列车总的气动阻力贡献很大，占列车总气动阻力的31.5％，主要表现为压差阻力。

图1各辆车的气动阻力占列车总气动阻力的百分比例

由8辆CRH3型车组成的动车组在明线、无侧风、车速为350km/h的运行条件下，列车压差阻力和气动摩擦阻力分别占列车总气动阻力的75.3％和24.7％，头车气动阻力占列车总气动阻力的16.1％，尾车的气动阻力占列车总气动阻力的15.4％。列车气动阻力的优化应从减小列车压差阻力入手，头车和尾车需要进行重点优化设计。

注解：随着列车速度的增加，列车气动摩擦阻力增加比较小，但是列车压差阻力增加比较大，头车和尾车占了绝大多数的压差阻力，中间车的凸起构建也占有很大部分的压差阻力。

风阻力的计算

研究高速列车的空气阻力问题，目前主要采用的研究手段有模型风洞试验、数值模拟计算和实车路试。其中，风洞试验是当前研究高速列车空气阻力问题的主要手段。它为数值模拟计算提供验证依据，也因易

1、方法一：数值模拟

[1].毛军，郗艳红，杨过伟.列车编成辆数对高速列车横风气动特性影响的数值分析[J].中国铁道科学，2012,33（1）：78-85.

根据CHR

型高速列车的真实外形建立了3-8辆编组列车和计算域的几何模

3

型。

对3-8辆编组列车以350km/h速度运行时，不同速度横风作用下的气动特性进行仿真研究，列车的阻力系数与列车编组辆数之间的关系如下所示：

通过数据转化抵消掉横风的影响，计算出不同数目的编组的列车的阻力系数：

编组数阻力系数总的列车阻力（N）各个车厢的平均阻力N

3辆0.56F=½ρV2SC=4345814486

4辆0.574423411058

5辆0.675199410399

6辆0.826363510606

7辆0.88682919756

8辆0.98768289603

其中：

空气密度：ρ=1.293kg/m3

列车运行速度：V=350km/h=97.22m/s

列车截面积：S=3.265×3.89=12.7m2

CRH3动车组一般编组数为8辆，因此，在350km/h的速度运行下，每辆车的平均风阻力为9603

2、方法二：公式推导

[1].康熊，曾宇清，张波.高速列车空气阻力测量分析方法[J].中国铁道科学，2012,33（5）：54-58.

型动车组空气阻力分析:

CRH

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空气阻力随速度的变化可由简化方程求得：

F

（v）=6.8676v2

a

可以求得在时速为300km/h=83.33m/s350km/h=97.22m/s下：

CRH3（8节车厢）的风阻力

速度总的阻力N各个车厢的平均阻力N

300km/h476885960

350km/h649108113

3、方法三：

[1].钱立心.世界高速列车技术的最新进展[J].中国铁道科学，2012,24（4）：1-13.

ICE350E型高速列车（八辆车）最高运行速度按西班牙国铁要求提高了10%，达到了350km/h，在350km/h时还有90KN的牵引力，足以克服75KN的列车阻力。

平均每节列车的阻力为：F=75000÷8=9375N

准确的说按照空气阻力占90%计算，风阻力为：9375×0.9=8438N

结果为：8438N