高速列车空气动力学动模型试验

高速列车空气动力学动模型试验

T约翰逊

摘要

AEA技术轨道动模型试验台是一个用来研究与评价高速列车在明线和隧道通过发射方式使列车模型沿150m长的测试轨道运行的装置，最高速度为305km/h。两平行轨道允许两列列车模型同时相向发射，以此来模拟列车交会效应。该装置适用于明线上的空气压力、隧道压力波，以及轨道间和平台上滑流空气速度的测量。

本文简要介绍了建造该试验台的原因，以及为了确保模型测试结果能够代表实车情况所需的技术要求，描述了该试验装置的工作原理，并且提供一些以前用该装置已经完成的研究案例插图。概述了该试验平台被引入研究铁路新的空气动力学要求的实用性。最后，介绍了该试验台未来在加快高速列车空气动力学领域发展的能力。

关键词：空气动力学，建模，测试，高速列车，压力，空气速度，隧道

引言

在20世纪80年代初，英国铁路研究组织认为需要一个移动的模型试验装置来研究铁路隧道空气动力学。原因是实车测试花费很大（现在依然是），需要复杂的规划，并且测试周期很长，属于劳动力密集型。此外，环境条件是不可控的，比如在恶劣的天气条件下，往往会使一天的测试失效，或者至少会对分析结果增加不确定性。最后，对于已经造好的列车和建好的基础设施的测试是有限的，限制了研究“可能性”设计潜力。尽管英国铁路组织在列车空气动力学方面所做的研究成果正在快速增加，但是完全排除实车测试的必要性只依靠理论研究和数值计算依然不能够充分研究空气动力学问题。

建立铁路空气动力学模型试验的技术要求：模型试验的雷诺数和马赫数必须足够的接近实车标准，以确保模型试验结果能代表实车情况。雷诺数确保了比例效应不重要，当列车进入隧道时，马赫数确保了压力波，表现在同一阶段作为其全尺寸当量。根据英国铁路研究人员丰富的风洞试验经验，众所周知，如果模型比例大于1/30时，雷诺数的影响将是很小的。列车马赫数，（即列车速度除以在空气中的声速），如果模型使用实车速度，那么其马赫数和实车也是相符合的（忽略外界对声速的影响）。最后，该试验装置列车模型比例为1/25（如果需要，可以更大），行驶速度为200km/h。最初的试验台是1988年建立的一个单一的发射轨道。

动模型（MMR）的发展始于1991年，最初欧洲和英国都是通过提高列车速度来推动其发展。MMR一个主要的扩展能力1992年完成的可以研究列车通过2个不同的分离轨道的二次发射轨道。达利和约翰逊在1999年对MMR未来的发展进行了详细的报道。

虽然日本和荷兰（达利和约翰逊，1999）在铁路隧道空气动力学研究上有其它动模型，但MMR动模型在一些方面的作用却是不可替代的。一些试验装置使用轴对称的列车模型，正确地代表了正在研究的列车空气断流面的变化，这些列车被沿代表典型隧道的管道中心线发射。该试验装置被用来研究铁路隧道内的压力波现象。通过比较，MMR 已经真实详细地模拟了列车模型在隧道底部安装的轨道上运行情况，如同真的一样。这使得可以准确地捕捉列车设计细节的效果，同时还可以模拟列车和地面之间的正确关系。此外，MMR实验装置不仅可以用于铁路隧道空气动力学的研究，也可用于列车在明线运行时所产生的空气动力现象的研究。

MMR结构

概述

MMR由两个总长度150m的平行轨道发射轨道组成。在建立了一条轨道间距更宽的第三条轨道后，就可以允许配置模型沿它发射。有一个长度50m的中心试验段，试验段的一端有一个加速段和一个制动段，每个约50m长。如果列车交会效应是强烈的，允许从相反的方向在平行轨道发射模型。

中心试验段隧道模型有一个内置的地板，可以用于隧道空气动力学测试。在比例为1/25时，可以模拟实际长1250m的隧道。这样，需要小心地将压力密封到试验段隧道，以确保列车在测试过程中产生的压力不会泄漏到周围环境中。

一旦该模型已启动，如果在试验段上没有进入隧道模型，它将以恒定的速度行驶。进入隧道模型后，由于隧道中增加的空气阻力，列车速度将会降低1-2m/s。

在MMR测试的逼真列车模型，比例通常为1/25。他们通常是由4辆列车组成，总长4m，一般情况下为了限制列车重量，此模型对列车空气动力学已经足够。这些模型本身是用发泡塑料使用精密模具制造的，质量很小。实际上模型由一个铝底盘被连接到车轮上来运行。木质的列车转向架和车轮被连接到列车模型上。以前的模型用其他材料来制成。在综合考虑模型列车长度以及重量问题后，泡沫塑料是一个很好地选择，并且更换更加方便。典型的模型重量为3-8kg之间。MMR中的列车模型如图1所示。

图1德比MMR中的列车模型

由于列车模型很逼真，已发现在MMR进行的气动测量和实车测量一样非常准确，

在本文后面将介绍一些简洁的并具有代表性的研究案例。只有列车底部区域，铁轨之间，列车模型的周围的空气流动不能代表实车测试结果。这是由于是模型的轨道，而不真正的轨道，并要求在加速过程中防止轨道和底盘车轮抬起。

加速段

列车模型的动力，实际上是一个橡胶弹射橡皮筋。使用电动绞盘将几个大的弹性橡皮筋拉在一起来推出模型。，橡皮筋的载重取决于模型的重量和模型运行所需的速度，典型的为7-11KN。当释放橡皮筋时，储存在橡皮筋上的能量通过发射线上的带轮传动系统传送给模型，从而在加速段加速。由于列车模型沿加速段运行时到达一确定的点(连接到模型下的一个拐弯点)，模型速度下降并沿测试段部分轨道向滑坡前进。

为了控制能量被传输到模型时产生的速度，需要进行带轮齿轮传动系统的控制，否则过高的加速度将损坏模型。实车在试验段的最高速度是305km/h。

MMR的示意图如图2所示，详细说明了加速段及其结构。

图2动模型实验台示意图，显示了加速和制动系统

制动段

一旦模型通过测试部分，进入制动段。列车模型下面的转弯用绳索通过一个二次滑轮系统连接到一个活塞上。移动模型驱使活塞产生变形，变形能使模型减速并最终停下来。同样，一个滑轮传动系统是必要的，以降低制动速度，并尽量减少对列车模型的损坏。图2详细说明了制动段及其结构。

仪器仪表

MMR的测量通常采用地面仪器，安装在轨道间或模型隧道上14通道的测量数据可以同时记录。压力传感器用于测量压力，8通道的热线风速仪也可用于测量空气流速。使用激光在测试段起始部分测量列车的位置和速度。高的数据采样率所需的，正如比一个比例为1/25的现实生活中的25倍更快。

特定的软件控制张紧的橡皮筋，模型发射，安全和数据采集。每次运行后，所有的信号使用相同的系统来数字化并记录。，使该系统测量数据直接可视化，已达到检查的目的。

还有一种允许安装在动模型上进行测量的6通道数据记录器。由于要求极轻的重量并且能抵抗瞬时快速加减速，这样的记录已经很难实现。

案例研究

下面的案例研究证明MMR适用于进行一系列的铁路空气动力学研究。

海峡隧道示范研究

在海峡隧道设计的发展过程中，有人担心，在一定的组合下列车运行，连接两根隧道的泄压管中会产生非常高的空气速度。这些空气的速度会在顶部和侧面影响过往列车并且会使一些潜在的危害暴露出来，因此一个示范是探讨MMR研究该问题的潜力（教皇，1991）。

一个模型是一个将泄压管和模型隧道连接到一起。泄压管中的空气速度由风机产生。在短列车模型上利用Endevco压差传感器测量压力的目的是估计泄压管中的空气射流在列车上所产生的力。

海峡隧道首都列车前端设计

隧道运营的早期计划之一，首都列车分为国王十字和运行到伦敦北部的站。为了适应走廊连接，这需要重新设计一个配置领先的驾驶拖车，但仍保留司机的视线（教皇和理查兹，1989）。

值得关注的是经过明线上一辆固定列车的交会压力峰值被限制在1.44 kPa，挂车驾驶室头部必须要比标准首都列车的头部短得多。众所周知，较短的头部与标准的头部相