第六章 动车组设计 高速列车空气动力学

第六章
高速列车空气动力学与车体外型设计
第一节 列车空气动力学 六、通过隧道时的列车表面压力
两列车在隧道内高速会车时车体所受到的压力变化载荷更为
严重，此时压力波与堵塞系数的2.16±0.06次方成正比，并 且两列车进入隧道之间的时差对压力变化有极大的影响，当 形成波形叠加时将引起很高的压力幅值和变化率，此时车体 表面的瞬时压力可在正负数千帕之间变化;
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第一节 列车空气动力学 四、会车时列车表面压力
在两列车会车时，由于相对运动的列车车头对空气的挤压，
在列车间的侧墙上空气压力产生很大的波动，称为压力波；
随着会车列车速度的大幅度提高，会车压力波的强度将急剧
增大； 会车压力波幅值随着 头部长细比的增大而 近似线性地显著减小；
列车内侧距、即适当增大高速铁路的线间距； 1 经验计算公式表明，会车压力波近似地与 (u u ) 2 1 2 8 成正比(u1通过车速度，u2观测车速度)；
所以高中速列车会车时，中速车的压力波的幅值远大于 高速车(一般高1.8倍以上)。这是由于会车压力波的主要 影响因素是通过车的速度；
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第一节 列车空气动力学 五、空气阻力 空气阻力主要由以下三个部分构成： 压差阻力—头部及尾部压力差所引起的阻力； 摩擦阻力—空气粘性而引起的、作用于车体表面的剪切 应力所造成的阻力； 干扰阻力—车辆表面的突出物(如门窗、风挡、车顶设备 等)所引起的阻力；
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第二节 列车头型设计及外型设计 一、头型设计的基本原则 尽量减小列车交会压力波 列车头尾端采用扁梭形，侧墙不垂直于底架和加大头车 长细比都将有利于降低列车交会压力波； 此外，为了减小车底部扰流的影响，将底部除转向架外 用封闭外罩全部包起来；车体表面应尽可能光滑平整； 高速列车运行稳定性问题 列车高速运行时，作用在列车的气动力对列车的运行平 稳性和稳定性有较大影响； 减小这些气动力，除了注意头部外形设计外，车身横截 面形状的设计十分关键。侧墙上下应向车体内倾，与车顶和 车底部的连接应用大园弧过渡，即成为鼓形断面，还应注意 头部下方的导流板设计；
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第二节 列车头型设计及外型设计 二、列车头部流线化形状设计 1、流线化外形设计基本方法 流线型外形为自由曲面,用薄板加工成蒙皮,固接在多根 曲梁组成的支撑结构上,该支撑结构的每根曲梁均有一条 与蒙皮内表面密贴的棱边.具有这种特点的结构称之为 “流线型结构”或“自由曲面结构”； 在流线型结构设计过程中,受到各种因素的影响和制约, 需要对外形和结构进行多次变动与修改；流线型结构设 计多采用实体造型方法,由人工依次输入生成每根梁实体 所需参数,再由结构设计软件生成梁实体,重复这一步骤, 直至流线型结构所有梁实体全部生成为止；
第一节 列车空气动力学 七、隧道微气压波 减小压力波梯度可以减少微气压力波；采取的措施：在设计上减 小列车横断面积和流线型车头等； 列车在进出隧道时引起车内的较大压力变化，造成乘客耳膜的疼 痛不适，因此，必须采用一定的标准，保证列车在进入隧道时车 厢内压力的变化不能超过一定的限度；
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第一节 列车空气动力学 二、主要研究内容及方法
列车空气动力学研究的目的主要是减小气动阻力，改善操纵
稳定性，提高安全舒适性及减小其对环境的影响。列车空气 动力学的研究内容可以归纳如下几个方面： （1）明线(非隧道)上列车运行时的表面压力波； （2）会车时列车表面压力波； （3）列车通过隧道时列车表面压力波动和微气压波； （4）列车气动阻力及其对车厢内人员舒适性的影响；
隧道中的会车压力波
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第一节 列车空气动力学 七、隧道微气压波 高速列车驶入隧道产生的压力波在隧道内以声速传播到达隧 道口时，一部分压力波以脉冲波的形式向外放射，同时产生 爆破声，造成了隧道口附近的环境问题，这种波称为隧道微 气压波；
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第二节 列车头型设计及外型设计 二、列车头部流线化形状设计 1、流线化外形设计基本方法（示例）
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第二节 列车头型设计及外型设计 二、列车头部流线化形状设计 2、流线型头部外形要求 最大纵向轮廓线为外凸流线形状，简称一拱； 最大纵向轮廓线为外凸和内凹结合的双折流线形状，简称二 拱；
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第一节 列车空气动力学 五、空气阻力 列车的空气阻力是高速运行的最大障碍
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第一节 列车空气动力学 五、空气阻力 空气阻力可以简略地用下面公式表示
2 R Cx V A 2
式中 R——空气阻力 Cx——空气阻力系数 ρ ——空气密度 V——列车速度 A——列车横截面积
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第二节 列车头型设计及外型设计 三、列车外型设计 在设计车身横截面形状时应作如下考虑：
车辆底部形状对空气阻力的影响很大，为避免地板下部 机器部件的外露，应采用车底封闭外罩；
车辆底面离地面越近空气阻力越小；
第一节 列车空气动力学 七、隧道微气压波 车辆密封性对缓解压力波动程度的作用可以归为“滞后”和“衰 减”；采用不密封的“标准”车辆，车内压力的变化情况同车外 基本一致，而采用密封车辆后车内压力的峰值减小且滞后；
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第一节 列车空气动力学 八、列车风对人和建（构）筑物的影响 动车组以时速200公里甚至250公里高速运行时，列车通 过时能掀起每秒20米左右的8级以上大风，车头位置甚 至能达到每秒40米左右，所以旅客应在站台边沿2米以 外的安全距离内候车，路旁行人应在离轨道3米以外或 隔离墙以外行走。
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第一节 列车空气动力学 三、明线运行时列车表面压力 从风洞试验结果来看列车表面压力概述为三个区域： 头车鼻尖部位正对来流方向为正压区； 车头部附近的高负压区：从鼻尖向上及向两侧，正压逐渐减 小变为负压，到接近与车身连接处的顶部与侧面，负压达到 最大值； 头车车身、 拖车和 尾车车身 低负压区；
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第一节 列车空气动力学 六、通过隧道时的列车表面压力
列车在隧道中运行时，引起隧道内空气压力急剧波动， 因此列车表面上各处的压力也呈快速大幅度变动状况， 完全不同于在明线上的表面压力分布; 试验研究表明压力幅值的变动与列车速度，列车长度， 堵塞系数(列车与隧道横截面积的比值)、头型系数以及 列车侧面和隧道侧面的摩擦系数等因素有关，这其中以 堵塞系数和列车速度为重要的参数。
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第二节 列车头型设计及外型设计 一、头型设计的基本原则 头型系数(长细比：车头前端鼻形部位长度与车头后部园柱 部分断面半径之比) 头、尾车阻力系数与 流线化头部长细比直接有关， 高速列车的长细比一般要求 达到3左右，或更大；细尖的 车头头型不仅可减小阻力， 还有利于减小会车时的 压力波；
列车空气动力学的研究方法主要有模型模拟试验（风洞、动
模型）、数值模拟计算、实车路试三种。
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第一节 列车空气动力学 二、主要研究内容及方法
数值模拟计算是近年来随着计算机技术和计算流体力学发展而逐
渐开展起来的一种研究方法，现已有多种用于列车空气动力学数 值模拟计算的商用软件，诸如CFX、STAR－CD、Fluent等，在计 算机容量能满足需要的情况下，计算结果基本上能满足工程计算 精度的要求； 一般情况下，轮轨系统列车由于转向架、受电弓部位需生成大量 计算网格（磁悬浮列车无此问题），难以办到，导致气动阻力、 升力的计算结果有较大偏差外，其它计算仍能有好的结果。因此， 数值模拟计算已从最初用于列车初步设计时的外形选型，发展成 为研究列车空气动力性能的一种重要手段。 实车路试是对列车综合性能的考核，它可以获得最接近于实际 的性能参数，并用于校核各种模拟试验和数值模拟计算的结果， 但需要候列车产品竣工出厂以后才能进行，故一般都用于新产品 的验收，很少用于研究性试验，其试验结果对进一步完善列车的 空气动力性能有重要作用。
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第一节 列车空气动力学 一、问题的提出 1814年，英国人发明了世界上第一台沿轨道运行的 蒸汽机车，开始建造铁路，并形成由机车牵引车辆、组 成列车从事运输的铁路运输业。自铁路运输问世以来， 提高列车运行速度成为铁路工作者一直不断追求的目标， 列车由蒸汽机车牵引逐步发展到内燃、电力机车牵引， 其运行速度也随着提高。
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第一节 列车空气动力学 五、空气阻力 列车的运行阻力包括空气阻力和机械阻力，空气阻力和 速度的平方成正比，机械阻力则和速度成正比； 速度为100km/h时，空气阻力和机械阻力各占约一半； 速度为200km/h时，空气阻力占约70%，机械阻力只占 约30%； 速度为250km/h时，空气阻力约占列车总阻力的80%— 90%以上；
二拱方案
一拱方案
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第二节 列车头型设计及外型设计 二、列车头部流线化形状设计 2、流线型头部外形要求 纵向对称面上的外形轮廓线，要满足司机室净空高、前窗几 何尺寸和玻璃形状，以及瞭望条件；在此基础上，尽可能降 低该轮廓线的垂向高度，使头部趋于扁形，这样可以减小压 力冲击波，并改善尾部涡流影响；同时，将端部鼻锥部分设 计成椭园形状，可以减少列车运行时的空气阻力； 俯视图最大轮廓线形在设计时，首先要满足司机室的宽度要 求，然后再将鼻锥部分设计为带锥度的椭圆形状；这样既考 虑了有利于减小列车交会压力波和改善尾部涡流影响的梭形， 又兼顾到有利于降低空气阻力的椭球面形状；
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一、问题的益突出
虽然列车和汽车都是在地面上运行的交通工具，但列车和汽车不 同，列车由动车和多节呈长方体的车厢串联组成，外形细长，载 重量大，运行速度高于汽车，而且列车是在固定轨道上高速运行， 当复线上两相对运行列车交会及列车过隧道所引起的空气动力问 题，如果处理不当，将影响行车安全和旅客的舒适性并制约列车 运行速度的提高。 日本是最早开行高速列车的国家，正是因为其复线间距和隧道断 面积偏小，至今列车的营运速度都未能超过300km/h；德国的常 导高速磁悬浮列车，由于对列车交会问题未作深入的研究，在上 海浦东两列车高速交会时，车体侧壁产生较大的弹性变形并伴有 爆破声，严重影响旅客的舒适性。 因此，列车有其自身的空气动力学问题，特别是高速轮轨和磁悬 浮列车的发展，使列车空气动力学成为风工程与工业空气动力学 研究领域中的一个重要分支。
会车压力波幅值与速度的关系曲线
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第一节 列车空气动力学 四、会车时列车表面压力
为有效地减小高速列车会车引起的压力波的强度，应将
高速列车的头部设计成细长而且呈流线型；
会车压力波幅值随会车列车内侧墙间距增大而显著减小， 为减少高速列车会车压力波及其影响，应适当增大会车
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第一节 列车空气动力学 三、明线运行时列车表面压力 在动车(头车)上布置空调装置及冷却系统进风口时，应布置 在靠近鼻尖的区域内，此处正压较大，进风容易；而排风口 则应布置在负压较大的顶部与侧面；
在有侧向风作用下，列车表面压力分布发生很大变化，对车
顶的压力有很大影响，尤其对车顶小圆弧部位的影响最大； 当列车在曲线上运行 时遇到强侧风还会 影响到列车的倾覆 安全性；