高速列车空气阻力1

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1、高速列车空气阻力1一、高速列车空气阻力随着列车运行速度的提高，列车受到的阻力不断增大，其中空气阻力占的比例 越来越大。国外测定列车空气但力的方法及减少空气阻力的措施。列车在平直线路 上走行时受到的阻力称为基本阻力，它由机械阻力和空气阻力两部分组成。随着列 车运行速度的提高，阻力不断增大，其中空气阻力占的比例越来越大。日本、法 国、德国在开发高速铁路、研制高速列车的过程中，对测定列车空气阻力的方 法 及减小空气阻力的措施进行了大量的研究，使得相同速度下高速列车的空气阻以上。 力比传统列车减少了60%1、高速列车的空气阻力列车的基本阻力计算式(Davis公式)为：2Wo二A+BV+CV式中V为列车

2、行驶速度，A、B、C为由实际列车走行试验确定的系数。通常认 为2A+BV为机械阻力，CV为空气阻力即机械阻力与列车速度一次方成正比，空气 阻力与列车速度的平方成正比。因此，随着车速的提高，空气阻力在总阻力中占的 比重将越来越大。近年来，国外高速列车最大营运速度已达到300km/h，此时列车 基本阻力中空气阻力占了 80%。以德国ICE/V列车阻力公式为例： 2R=11.4M+(0.025M+17.86P)V+(0.17+0.0428N)PV，M为列车质量(t)，P为空气密度(kg/m3)，N为中间车辆数，V式中R为阻力 (N)为列车速度(km/h)。若取列车质量为8001，中间车辆数为14，按

3、(2)式计算出 各种速度下的列车总阻力、机械阻力、空气阻力见表1。表1还列出了不同速度下 基本阻力中空气阻力所占百分比。表1 ICE/V列车机械阻力、空气阻力及总阻力因为实际列车的走行试验受各种因素的影响，要精确地测定(1)式中各项系2 数的数值，还需要在走行试验之外辅以其它的测量及理论推导，其中空阻力项 CV,主要通过模型风洞试验和空气动力学实车试验确定。物体运动时受到的空气阻力不但与运动速度有关，还与物体的外形关系极大。 由于种种原因,在运动物体上直接测量空气阻力较困难。根据流体力学 相似理 论,可采用外形与实物几何相似的模型在风洞中进行试验,测得一定风速IV下作用在模型上的空气阻力R,将

4、二R除以动压头PV及模型迎风面积S,得 mmmm2到一无因次系数:RmC,lx2 pVSmm2式中C称为物体的空气阻力系数，它只取决于物体的外形，而与物体的大小及X运动速度无关。用风洞试验方法测定出模型C之后，在空气绕实际物体流动与 X绕模型流动力学相似的情况下，只要给出实际物体的运动速度V和迎风面积S, , X即可计算出该物体受到的空气阻力12 R=C? pVS NX.mN22确定列车空气阻力的方法 对飞机、汽车等物体而言，利用模型风洞试验确定定空气阻力非常方便，而高 速列车形状特别细长，要在风洞中测量出整列列车模型的空气阻力非常困难。国外 在研究过程中采用了不同的方法。2. 1日本采用的研

5、究方法日本60年代初开发新干线。系列车时，对测定列车空气阻力的方法进行了研究。他们根据物体运动时受到的空气阻力由物体表面空气压力分布引起的压差阻力 和由流过物体表面的空气与物体表面之间的摩擦力两部分组成的机理，将高速列车空气阻力分成两部分:一部分是由列车头尾形状造成的与列车长度无关的压差阻力; 另一部分是与列车长度有关的广义的表面摩擦阻力。之所以称为广义的表面摩擦阻 力，是因为除车身表面摩擦力之外，转向架、受电弓、车辆连接部、车底车顶设备 造成的阻力也包括在其中。压差阻力由短编成的车辆模型风洞试验测定，而广义的 表面摩擦阻力则是通过实际列车进入隧道时，由于活塞效应造成列车头部空气压力 上升，测

6、定列车头部滞止点及车体侧墙上测压点压力上升值，然后推导出压力上升值与列车表面摩擦系数入之间的关系而计算出c3。于是整列列车空气阻力系数表达式为:L CC+入 X=PD式中C,为压差阻力系数，L为列车长度，D为列车当量水力直径。P80年代初，日本东北、上越新干线开通，同时开 之出200系、100系新干线 100系列车性能试验和0系列车提速试验时，采用以上方列车。在进行200系、法测定了它们的空气阻力和基本阻力3。图1表示的是试验得到的长度都为400 m的3种类型列车200 km/h时的压差阻力和表面摩擦阻力在空气阻力中所占 比例。由图可知，表面摩擦阻力占空气阻力的90%左右。表2是3种列车与空气

7、阻 力测定有关的参数，表3是速度为200 km/h时3种列车单位质量的总阻力、空气 阻力及机械阻力。由表3可知，200系和100系列车空气阻力和机械阻力都比0系 列车小。BOLOU1111酬IN令而is幕咀口kN血皿Ji苣牡勺80.图1新干线列车200 km/h时空气阻力（列车长400 m）表2新干线列车与空气阻力测定有关的参数列车类别S D入Cp0系 12.6 3054 0.017 0.20200系 13.3 3.64 0.016 0.20100系 12.6 3.54 0.016 0.15表3新干线列车200km/h单位质量的阻力Kn阻力 0系 200系 100系空气阻力 0.0566 0.

8、0517 0.0544机械阻力 0.0428 0.0202 0.0193总阻力 0.0993 0.0714 0.073340多年来，日本在减少空气阻力及改善列车其它各项气动性能方面始终不渝地 进行研究，近年来，开发出Star21, 300X, WIN350, 500系等最大运行速度均在 300 km/h以上的新型列车。为减小列车迎风面积，大幅度地降低了车顶高度，并 在受电弓周围加装了导流罩以改善受流性能。对于这种外形的列车，受电弓导流罩 的压差阻力在整列车空气阻力中占的比例增大，应将它从表面摩擦阻力中分离出来2. 2法国、德国采用的研究方法法国从70年代开始着手开发巴黎一里昂的高速铁路，最初是

9、用燃气轮机作动 力，称为TGVOO1型列车。为降低能耗，要求该列车以260km/h运行时的基本阻力 小于（最多等于）一般列车200km/h时的基本阻力。这就要求列车外形一定要流线 化，以减小高速时的空气阻力。为了在列车设计时就能较准确地计算出整列列车的 空气阻力，除利用航空风洞、汽车风洞进行试验研究之外，法国国营铁路公司出 资，在Saint一cyr航空力学研究所建设了一座能容纳1:20缩小比例10节车辆编成的列车模型的铁路专用的长大风洞（试验段长 宽高为巧15mx2.2mXl.75m,并设置了能模拟地面和轨道且能消除附面层影响的活 动地板）。从1972年开始，在该风洞中测量了不同长度编成的TG

10、Vo01列车模型（分 别、3、5、7、10节车）的空气阻力，并与实车走行试验结果进行了比较，找到为2了风洞试验和实车试验之间的换算关系，见图2。同时通过对编成长度不同的 列车模型以及对列车各个组成部分（车身、转向架、车辆连接处、受电弓及车顶设备等）的模型进行种种试验，测得了列车各部分 对阻2力的贡献，得到了（1）式中CV项系数的表达式为：C=KS+KPL+?C 12式中Kl为表征列车头尾形状压差阻力的系数，S为列车横截面面积，KZ为表 征列车车身表面摩擦阻力（不包括转向架、车辆连接处、受电弓及车顶设备等）的系 数，尸为列车横截面周长（从轨道上表面开始计算），L为列车总长，艺?C中至少有 3项，

11、分别为表征单个转向架、车辆连接处、受电弓及车顶设备等空气阻力系数乘 上整列车该设备数量。随后几年，在研究TGV 一 PSE列车编成方式以及在该列车设 计过程中，采用这一方法仔细估算了10节车辆编成的铰接式列车的空气阻力和基 本阻力，与列车研制出来后的实车走行试验得到的结果完全一致。与日本采用的研究方法不同的是，空气阻力系数完全由风洞试验得到（最初需 要与实车试验进行比较研究），为新型列车的开发研制带来极大的方便。更为重要 的是，利用风洞试验仔细研究列车各部分对阻力的贡献并采取种种修型措施，对症 下药地减小它们的阻力，最后达到尽可能地降低整列列车空气阻力的目的德国自1972年起，联邦技术研究部对

12、列车空气阻力的研究也采取了以风洞试 验研究为主的方法。为减小头尾部的压差阻力和列车交会空气压力波，德国航空航 天研究所设计了 25种头型，并将其中8种制成1:12的模型在3mx3mx6m风洞中进行了试验。为研究整列列车的空气阻力，制作了1:10缩小比例8辆编成的RSVD列车（即后来的试验型ICE列车）模型，在法国Saintcyr航空力学研究所的铁路专用风洞中进行了仔细的研究。通过米取各种减阻措施，RSVD列车空气阻力大幅度减低O* 盘車述區就 一rA：TGV ODJ石雲宙孚业踊实.离H C = 0.0?5FD.0B3 O O.图2不同长度的TGV 001列车空气阻力系数图3德国IC列车与RS-

13、VD列车克服运行阻力所需功率3减少列车空气阻力的正确途径从(4)式可知，高速列车空气阻力与p、v、S、Cx有关，其中空气密度p为常 数，列车速度v是人们希望不断提高的量，因此，要减小空气阻力，只有减小列车 横截面积S及空气阻力系数CX减小列车高度及宽度都可以使横截面积变小，但列车宽度过小将使客室座席宽度变小而造成定员减小或舒适度变差，所以高速列车车体最大宽度一般与传统列车 差别不大，而采取将车体侧墙上部和下部向内倾斜并以大圆弧过渡到车顶和车底的 造型。降低列车高度对减小空气阻力非常有利，故高速列车的车高明显低于传统列 车，且随着列车最大速度不断提高，列车高度越来越低。降低列车高度是通过减小 车

14、顶内部设备高度和适当降低地板高度来实现的，并不影响客室内部的高度，因而不会影响乘坐的舒适度。然而列车横截面积的降低毕竟有限，减小列车空气阻力的主要途径是减小空气 阻力系数。由(6)式可知，列车空气阻力系数由许多项叠加而成，应该针对式中每 一项逐一进行研究，尽量使各项都减到最小。国外为此进行了以风洞试验为主的大 量试验研究，研究成果可概括为以下几方面。3.1列车头尾流线化，减小压差阻力 传统列车头尾部皆为钝头形状，压差阻力系数分别在0. 6以上，压差阻力占了列车空气阻力的29%。所以，高速列车最先采取的减阻措施就是头尾流线化，将传统列车头尾部几乎为一垂直面的端面改变为具有一定长度、越往前横截面面

15、积越 小、表面光滑的几何体，并定义为车头长细比。LmP=S/,式中L。为车头断面变化部分的长度，s为车身横截面面积。研究表明，车头 长细比越大，压差阻力越小。同时，头尾流线化还可以减小列车交会及进入隧道时 产生的空气压力波并降低空气噪声（列车最高速度超过300 km/h时，头尾部外形设 计主要考虑这两项性能指标）。故日本、法国、德国一直将头尾部外形作为重点进 行过仔细的研究，使头（尾）车空气阻力系数分别降到0. 2左右，压差阻力只占列 车空气阻力的7%。3.2优化列车底部、转向架的外形，减小底部的空气阻力传统列车车底部形状非常复杂，除转向架之外，还有许多外挂设备，使车底部 分的阻力占总的空气阻力40肠。将列车底部、转向架外形进行优化，效果非常显 著。采用在车体侧墙下方安装裙板的方法阻挡列车两侧的气流流向车底，可使中间 车辆阻力减小20写，头部动车阻力减小7%。更有效的方法是采用外形合理的车底 外罩将除转向架之外的整个车底部分全部封罩，可使中间车辆阻力减小3000，头 部动车阻力减小13000 如果中间车辆采用铰接式，转向架数量减少一半，中间车 辆阻力可降低25。风洞试验还表明，安装转向架裙板，可进一步减小阻力，但实 际应用时给列车运行与维护保养带来不便，故只是在列车最高速度超过300 km/h 时才考虑采用。3.3优化列车顶部及受电弓的外形，减小空气阻力高