列车空气动力学

五、国内研究团队
2.西南大学
● 研究状况
http://www.tplswjtu.com/index.php/home/read/55
● 研究条件
工业风洞 高速列车隧道压力波浅水试验台
高速列车动模型试验台
五、国内研究团队
3.华东交通大学
● 研究状况
* 列车外形谱系化设计（MDO）
* 边界层控制技术
引言
生活中的空气
700万 40亿
高尔夫表面粗糙、光滑（5） 火车、机翼受力问题？ 鸟类迁徙队形？ ……
引言
引言
生活中的空气
时速30英里时， 阻力削减1%，就能 每英里领先5英尺。
引言
生活中的空气
扩展阅读 http://www.guokr.com/article/64728/
引言
空气动力学
空气动力学是（流体）力学的一个分支，它主要研究物 体在同气体作相对运动情况下的受力特性、气体流动规律和 伴随发生的物理、化学变化。它是在流体力学的基础上，随 着航空工业和喷气推进技术的发展而成长起来的一个学科。
3.华东交通大学
● 极端气候下的列车空气动力学
五、国内研究团队
3.华东交通大学
● 列车外形多学科设计优化(MDO)
学科间相互影响加剧，如何考虑？
系统复杂，如何实施？
See also
书籍资料
田红旗 **** 网络资源 《列车空气动力学》 Railway Train Aerodynamic
列车空气动力学（一、二） http://www.docin.com/p-395691291.html An illustrated History of Automotive aerodynamics http://www.curbsideclassic.com/automotive-histories/automotive-history-an-illustratedhistory-of-automotive-aerodynamics-part-1-1899-1939/ http://www.curbsideclassic.com/automotive-histories/an-illustrated-history-ofautomotive-aerodynamics-part-2-1940-1959/
横风情况下这些公式可以统一表示为： R—列车运行总阻力
2 R A B1VG B2VA CVA
A —机械滚动阻力， B1 —单位速度其它机械阻力 B2 —内部气流所气动阻力， VA 、VG —相对空、地速度
CRH动车组单位阻力：
wCRH 2 0.88 0.0074v 0.000114v2 wCRH 3 0.79 0.0064v 0.000115v2
有效风速时数在2000～4000ｈ、
年3～20m／s风速时数在500～1500h 时，该地域即具备安装风力发电机的
CRH2C-1
CRH2C-2 CRH380A
6M2T
6M2T 6M2T
7200KW
8760KW 9600KW
275 km/h
300 km/h 350 km/h
资源条件。
五、国内研究团队
四、列车外形设计
1.列车外形设计内容
1 3 2 3 3
色彩设计
材质设计 轮廓设计 色彩设计
四、列车外形设计
1.列车外形设计内容
1 3 2 3 3
色彩设计
材质设计
轮廓设计
四、列车外形设计
1.列车外形设计内容
1 3 2 3 3
色彩设计
材质设计
轮廓设计
四、列车外形设计介绍
2.列车外形设计的流程
列车外形设计过程
压差阻力—流线型 黏着阻力—？ 效果：3%~10%
0.5mm
五、国内研究团队
3.华东交通大学
● 边界层控制技术
五、国内研究团队
3.华东交通大学
● 风阻制动技术
现有技术：增加迎风面积 其它途径：？
五、国内研究团队
3.华东交通大学
● 列车风场建模及应用
车型 CRH2A 编组 4M4T 牵引功率 4800KW 运营时速 200km/h
三、列车空气动力学研究方法
2.模型实验
西南交大、力学所
中南大学
三、列车空气动力学研究方法
三、列车空气动力学研究方法
2.模型实验
● 优缺点
* 费用十分昂贵 * 相似性准则 * 受风洞条件限制测量结果往往需要修正 * 测点数目有限 * 对于有相对移动的物体模拟困难
三、列车空气动力学研究方法
3.CFD
* 列车流线型程度
* 建筑的形状，人的朝向
* 列车运行速度 * 与列车侧壁间的距离
二、列车空气动力学问题
7.列车内流场问题
* 空调客车内流场问题
流速分布均匀且流速小于0.35m/s,温度、压力分布均匀
* 机车内流场问题 进气口与排气口的布置 发热设备的散热
二、列车空气动力学问题
7.列车内流场问题
气动阻力与速度关系
二、列车空气动力学问题
1.列车气动阻力问题
● 影响气动阻力的因素 * 外部气流地速度和方向（风速和风向）
* 列车车体流线型程度
* 受电弓结构
* 转向架与车底包覆情况 * 车体表明凸起物 * 车辆连接部位
二、列车空气动力学问题
2.列车横风安全性问题
横风环境下列车受力示意图
二、列车空气动力学问题
四、列车外形设计介绍
3.列车外形设计方法
● 基于实验的设计方法
四、列车外形设计介绍
3.列车外形设计方法
● 仿生学设计方法
四、列车外形设计介绍
● 仿生学设计方法
四、列车外形设计介绍
● 仿生学设计方法
四、列车外形设计介绍
● 仿生学设计方法
运行阻力 气动阻力
实验设计方法不足？
３００系 ５００系
７５ ７０
三、列车空气动力学研究方法
* 列车线路实测
* 模型实验
* CFD仿真
二、列车空气动力学研究方法
1.线路实测
优缺点？
二、列车空气动力学研究方法
1.线路实测
● 优缺点
* 列费用十分昂贵 * 建协调困难 * 环境风不好控制 * 受线路环境和列车运营条件限制 * 测点数目有限
* 新的列车或者线路无法实施
二、列车空气动力学问题
二、列车空气动力学问题
二、列车空气动力学问题
2.列车横风安全性问题
● 影响横风安全性的因素
* 风速和风向 * 列车横截面形状 * 侧列车侧面投影面积（列车高度） * 列车重量 * 路基形状和高度 * 挡风墙（形状、高度、透风率） * 线路弯道半径、超高
二、列车空气动力学问题
论文与讲座：
肖京平.高速列车空气动力学研究综述.力学与实践，2013
Alexander orellano. aerodynamic of high speed trains, 2010
二、列车空气动力学问题
6.列车与路旁物体气动效应问题
● 列车风
车头通过时列车风
二、列车空气动力学问题
6.列车与路旁物体气动效应问题
● 气体压力脉冲
车头通过时气动力
注：人距车1.5m
二、列车空气动力学问题
6.列车与路旁物体气动效应问题
二、列车空气动力学问题
6.列车与路旁物体气动效应问题
● 影响因素
两列车交会时每列车的车头车尾都会在对方列车上产
生压力脉冲。德国ICE列车压力实测结果如下图
二、列车空气动力学问题
4.列车Hale Waihona Puke Baidu会气动效应问题
● 影响会车压力波的因素
* 列车速度 * 车辆细长比 * 列车流线型程度 * 线间距 * 列车速度（绝对与相对） * 隧环境风速和风向
二、列车空气动力学问题
5.列车气动噪音问题
3.过隧道气动效应问题
列车过隧道示意图
二、列车空气动力学问题
3.过隧道气动效应问题
二、列车空气动力学问题
3.过隧道气动效应问题
● 气动阻力问题
* 阻塞比 * 隧道和列车长度 * 列车流线型程度 * 隧道断面形式 * 是否有缓冲段 * 隧道横向连接及内部结构
二、列车空气动力学问题
3.过隧道气动效应问题
列车空气动力学？
提纲
● 基础知识 ● 列车空气动力学问题
● 列车空气动力学研究方法
● 列车外形设计介绍 ● 国内相关研究团队介绍
一、基础知识
1.空气基本属性
物理性质包括空气的温度、压强（也常称为压力）、密度 （或比重）、音速、黏性和压缩性等方面。 黏性
黏性是空气自身相互黏滞或牵扯的特性。从本质上讲，
一、基础知识
名 称 代 号
3.气动六分力与坐标系
Z Y
气动阻力 Drag 侧向力 Side force
FX(CX) FY(CY)
Z Y X
升力 Lift
侧倾力矩 Rolling moment 俯仰力矩 Pitching moment 横摆力矩 Yawing moment
FZ(CZ)
MX(CMX) MY(CMY) MZ(CMZ)
黏性是流体内相邻两层间的内摩擦。 压缩性 压缩性是指在压强（压力）的作用下或温度改变的情况
下，空气改变自己的密度和体积的一种特性。 Pv RT
一、基础知识
2.相对性原理
当物体以某一速度在静止空气中运动时，物体与空气的 相对运动规律和相互作用力，与物体固定不动而让空气以同
样大小和相反方向的速度流过物体的情况是等效的。
* 列车噪音（内、外）是重要的环境问题
* 车列车进、出隧道（膨胀波、压缩波）
* 列车驶过路旁建筑或其它列车（压力脉冲） * *
气动噪音强度随车速的6次方函数增加，因此列车速度
达到300km/h以上
二、列车空气动力学问题
5.列车气动噪音问题
● 影响列车气动噪音的因素
* 列车外形形状 * 列车表面光洁度 * 受电弓结构形式 * 路基状况 * 会车线间距 * 线路隔音降噪措施
* 列车风建模及应用 * 极端条件下列车空气动力学
五、国内研究团队
3.华东交通大学
● 外形谱系化设计
武广线共有隧道226座，占近70%,对外形要求？
京津线只有1座隧道，对外形要求？ 沿海与西部大风区，对外形要求？ “十二五”科学和技术发展规划
五、国内研究团队
3.华东交通大学
● 边界层控制技术
列车减阻与降噪
● 隧道内压波问题
* 乘客舒适性问题（4~10秒内，变化1~4kPa） * 列车强度问题 ● 影响隧道内压力波的因素 +*）车辆的整体密封性
二、列车空气动力学问题
3.过隧道气动效应问题
● 隧道口微气压波问题
二、列车空气动力学问题
4.列车交会气动效应问题
二、列车空气动力学问题
4.列车交会气动效应问题
优化计算
收敛？
N
Y
结束
五、国内研究团队
五、国内研究团队
1.中南大学
● 研究状况
《列车空气动力学》 http://acceer.eng.monash.edu.au/acceer/news/highspeed-train.html 田红旗.中国列车空气动力学研究进展[J].交通运输工程学报
● 研究条件
２４８ ２４８
四、列车外形设计介绍
3.列车外形设计方法
● 数值设计方法
开始
瑞典庞巴迪公司
参数化建模 优化算法 CFD
|Δvalue|<Ɛ
N
Y
结束
四、列车外形设计介绍
● 数值设计方法 ● 数值设计方法
四、列车外形设计介绍
3.列车外形设计方法
● 数值设计方法
列车庞大，……
空气动力为非线性，……
优化需要迭代，……
四、列车外形设计介绍
● 数值设计方法
参数化建模
● 数值设计方法
DOE
CFD 优化算法 近似模型
优化计算 Hyeok-bin KWON
收敛？ Y
结束
N
四、列车外形设计介绍
3.列车外形设计方法
● 数值设计方法
* 参数化建模方法 * DOE * 近似模型 * 优化算法
参数化 DOE CFD 优化算法 近似模型
X
二、列车空气动力学问题
● 列车气动阻力问题 ● 横风安全性问题 ● 列车过隧道的气动效应问题 ● 列车交会压力波问题 ● 列车气动噪音问题 ● 列车与路旁物体气动力问题 ● 列车内流场问题
有哪些气动力学问题？
二、列车空气动力学问题
1.列车气动阻力问题
二、列车空气动力学问题
1.列车气动阻力问题
2.列车横风安全性问题
● 横风对列车的影响
* 对气动阻力的影响（偏航角） Cd Cd 01 0.02 * 对升力的影响，将导致受电弓故障率增加 * 侧向力和侧翻力矩，影响列车稳定性 * 兰新铁路1960~1993年大风吹翻列车13起，多棚车和空车； 2007年吹翻一旅客列车造成人员伤亡（3,34） * 日本100多年的统计截止1986年发生事故28起 扩展阅读： http://news.qq.com/zt/2007/xjlc/
Railway Train Aerodynamic
（列车空气动力学）
Stone. Zhao
Railway Transportation School，ECJTU
Email：shiren77@gmail.com
CRH China Railway High-speed
交融思想,启迪智慧
CRH China Railway High-speed