文章编号:100021506(2003)0420006205新型高速列车隧道空气动力学模型实验系统毛　军,薛　琳,谭忠盛(北方交通大学土木建筑工程学院,北京100044)摘　要:目前高速列车隧道空气动力学模型实验系统主要用于分析隧道内压力波的变化规律,难以对空气动力学效应进行完整的分析.针对这一局限性,从科特流(Couette )理论出发,提出了一种新型实验系统即旋转式高速列车—隧道模型实验系统,介绍了该系统的可行性、结构、实验原理及其特点.分析表明:该新型实验系统结构简单、功能完善、成本低、实验重复性好,适用于进行高速列车通过隧道时产生压力瞬变、微气压波、列车活塞风、行车阻力和气动噪声等一系列空气动力学实验,并能测量隧道内和列车隧道环形空间的气流速度场,对研究高速列车隧道空气动力学问题有重要意义.关键词:高速列车;压力波;空气阻力;模型实验;科特流中图分类号:U238;O357.1 文献标识码:AA N ew Type of Model Experimental System ofAerodynamics E ffects C aused by High 2SpeedT rains Passing Through TunnelM A O J un ,X U E L i n ,TA N Zhong 2sheng(School of Civil Engineering and Architecture ,Northern Jiaotong University ,Beijing 100044,China )Abstract :The applied model experimental system is mainly used to analyze the changing rule ofthe pressure wave in tunnel ,which is one of the aerodynamics effects when high-speed trainspassing through the tunnel.It is difficult for the system to analyze the other aerodynamics ef 2fect s.For this reason ,the paper bases on the Couette flow theory to develop a new type of experi 2mental system ,Which is named the circular model experimental system of aerodynamics effectscaused by high-speed trains passing through tunnel ,and introduces its feasibilities ,structure ,ex 2periment principle and specially characters.It is found that the new circular experimental systemhas a simple structure ,powerful functions ,lower cost and good repetitive performance ,and canbe used for a series of aerodynamics experiments on such as the changing rule of the pressure wavein tunnel ,micro-pressure wave ,piston wind of trains ,resistance on trains and air noise.It canalso measure the airflow velocity field in cylinder tunnel formed by the trains and tunnel.So ,itwill be of great value to the researches of the aerodynamics problems caused by high-speed trainspassing through tunnel.K ey w ords :high-speed train ;pressure wave ;air resistance ;model experiment ;Couette flow1　问题的提出高速列车在通过隧道时将产生压力瞬变、微气压波、列车活塞风、行车阻力和气动噪声等一系列明显收稿日期:2003206217作者简介:毛军(1966—),男,湖北公安人,助理研究员,硕士.em ail :junmao @ 第27卷第4期2003年8月 北　方　交　通　大　学　学　报JOURNAL OF NORTHERN J IAO TON G UN IV ERSIT Y Vol.27No.4Aug.2003的空气动力学效应,对行车安全和乘客舒适性产生显著影响.由于问题的复杂性和客观条件的限制,模型实验成为研究这些效应的有效方法.目前,研究高速列车空气动力学效应的实验方法主要有:(1)水槽法　根据自由表面水波运动的波高与可压缩流体运动压力的相似关系,通过实时检测技术测定列车模型在浅水槽里拖动所激起的水波高度,以求得空气压力变化,从而实现隧道压力波变化规律的模拟.浅水槽试验装置一般由浅水槽、列车模型、轨道、波高实时测试系统等组成[1].(2)小型列车模拟法　英国的Pope 以空气为工作介质,建造了1∶25的大比例列车模型实验装置,模型的车速达到55m/s ,利用该模型对短隧道内压力波的传播和隧道入口微压波等进行了模拟实验.模拟实验结果与实测数据非常吻合,但模拟速度不高,整个系统的建造费用较高[2].(3)发射式高速列车模型实验　包括橡胶弹弓式和压缩空气发射式列车实验系统,二者的动力源虽然不同,但实验原理相同,即均采用小比例模型,将列车模型在炮管内加速到实验要求的速度,模拟列车进出隧道的过程,并使用数据和图像采集系统对列车进出隧道时产生的压力波进行记录.英国的Vardy 和西南交通大学都曾采用类似实验装置进行过压力波的分析,如图1所示[3].在隧道模型上安装有压力传感器.这种装置需要另外测量列车模型通过隧道模型的速度,而且难以精确控制列车运行速度.图1　发射式高速列车模型试验装置示意图以上实验系统各有特点,并以发射式模型实验系统应用较多.但它们均主要用于研究隧道内压力波的传播和变化规律,而对列车运行时的压差阻力、列车内部的压力波和噪声无法检测,因而对乘客舒适度进行分析比较困难.更不能对隧道内的流场进行全面分析.而对流场的分析,直接关系到列车空气阻力、旅客的舒适度和减缓空气动力学效应的措施.另外,对检测系统的实时要求都很高,造价比较昂贵.为此,作者提出一种新的实验系统方案,以对空气动力学效应进行较为全面的实验分析,可提高对高速列车隧道空气动力学效应的理论分析水平,为我国高速列车隧道的断面优化设计提供有价值的参考依据.2　旋转式高速列车—隧道模型实验系统2.1　新型实验系统的组成新的实验系统由转速控制、旋转模型和数据采集等3部分组成,如图2所示.(1)转速控制系统　由电动机、转速传感装置、变频调速器和减速装置组成.电机转速的最高值可以根据需要确定,例如为1500r/min ,若旋转半径为0.8m ,则相应的最高线速度可达125m/s (450km/h ).由变频调速器实现无级调速.若电机的转速控制在1200r/min ,则对应的速度为100m/s (350km/h ).转速用编码器检测,由变频调速器实现无级调速,并保证在测试过程中模型的运动速度保持恒定.(2)旋转模型系统　由列车模型、隧道模型、旋转臂、旋转轴、密封装置、轴承座及轴承座托架组成.列车模型呈小曲率弧线体形,底部安装能够转动的车轮,与旋转臂一起模拟列车底部的挂件.列车模型做适当密封,固定联结在旋转臂上,由旋转轴带动旋转.隧道模型是略大于3/4圆周的环形段,有进口、出口和地面模拟板.隧道模型可以分成若干段,用以组合成不同的隧道长度;在进、出口各安装一个保证模型列车无阻碍通过的可垂直移动的档板,通过改变其开度来调节试验压差,模拟改变隧道的长度.内外侧隧道壁面上设有烟气进口、静压测孔、流速测量窗口和温度传感器.模型列车的内部安装车内环境压力传感器,首尾表面安装总压传感器,外壁面安装静压传感器.在隧道进口和出口处安装压力传感器和噪声传感器.列车模型旋转时,车轮并不与隧道内壁接触,而是保持很小的间隙.(3)数据采集系统　采集的数据包括:列车进入隧道前后入口处的微压力波和噪声的数据;列车在隧道中运行时隧道内压力波的传播和变化的数据;列车在隧道中运行时的空气温度、首尾压差(计算压差阻力)、列车在隧道中运行时环形空间气流的速度分布和列车壁面静压(计算表面摩擦阻力)以及列车内部的7第4期 毛　军等:新型高速列车隧道空气动力学模型实验系统1.隧道模型2.列车模型3.旋转臂(带平衡臂)4.旋转轴5.轴承和轴承座6.隧道模型的支撑辐条7.轴承座托架8.电动机9.电动机底座10.变频调速器　11.温度传感器(多个)　12.压力传感器(多个)13.噪声传感器　14.流速测量窗口　15.发烟装置　16.安全防护网图2　高速列车模型试验装置示意图环境压力时变规律(计算舒适度)等.2.2　新型实验系统的特点与目前的实验系统相比,旋转式实验系统有以下特点:(1)既能进行隧道压力波实验,也能进行列车空气阻力试验.在模型隧道的内侧和外侧壁面及模型列车上安装压力传感器,测量气击压强的变化和传播、列车首尾压差Δp 和列车—隧道环形间隙的压力梯度5p/5θ,以对空气阻力进行测量,并为设计列车通风空调系统提供参考依据.获取传感器信号的方法是:将列车头部、尾部和内部的压力传感器和其它传感器的信号线通过旋转臂连接到转轴上,在转轴伸出段的端部安装滑环装置,由接触器将电信号取出,从而得到所需要的数据.对于其它几种模型试验系统,模型隧道的长度有限,或者因无法在列车模型上安装压力传感器,或者即使能安装传感器,却无法将信号取出,而不能测量压差阻力.(2)能够准确地测量模型隧道空间和环形空间的速度场和雷诺应力,为准确分析高速列车通过隧道的流场提供详实的实验资料.在旋转模型中,能得到稳定的、周期性的速度场,所以完全可以采用多普勒激光测速仪进行非接触式测量.北方交通大学流体力学室就曾采用激光测速仪测量了离心式水泵的旋转流场[4].而对于前面提到的其它几种模型试验系统,由于模型隧道的长度有限,模型列车的速度很高,列车在隧道中运行的时间非常短,因此难以获得稳定的速度场,因而无法进行非接触式测量.(3)能够测量出列车内部的压力波的时变规律,为确定乘客舒适度标准和列车密封指数以及列车车厢通风系统的设计提供参考依据.车内压力p i 的波动与车外压力p 波动之间的关系十分密切.英国的Pope 在列车速度125km/h 、阻塞比0.363、列车长度160m 和隧道长度1140m 的条件下进行了现车试验[2],发现在3s 内形成最大压力变化量p i .目前国内选用了偏低的、单一的舒适度标准3kPa/3s 和车辆密封模型p i =p (1-e -t/τ),其中t 是时间,τ是密封指数.对于旋转式模型,通过测定模型列车的内部压力和模型隧道的内部压力以及相应的时间,可以确定密封指数和列车内部每3s 的压力变化量,分析密封指数与舒适度之间的关系.同时,由于列车的纵向存在压力梯度,纵向的内外压差是不同的,存在峰值变化,因而对通风机的选择、送排风口的位置等都有影响.而对于前面提到的其它几种模型试验系统,由于难以测量列车内部的压力变化,所以不能测量舒适度和密封性的关系.(4)能够在较大范围内调节隧道与列车的长度比,研究压力波、空气阻力等与隧道长度的关系.不仅能直接改变隧道长度,还在隧道进出口安装两个可垂直移动、保证模型列车无阻碍通过的挡板,利用风洞原理,通过调节挡板的开度以改变试验压差,从而达到改变隧道长度的目的.(5)模型列车的速度完全由转速确定,控制准确可靠、精度高、调节简便(甚至提高旋转速度可以直接使列车达到亚音速),能得到相对稳定的流场和具有恒定周期的压力波场.相当于大大延长了模型列车通过模型隧道的过程,有利于对压力波的变化规律进行较为准确的分析.这是其它实验系统所不具备的一个8北　方　交　通　大　学　学　报 第27卷突出特点.另外,与发射式模型实验系统相比,试验的重复性非常好,所采集数据的可靠性也大大增加.3　旋转式实验系统的理论基础3.1　科特流理论高速列车在隧道中运行时,列车与隧道壁面之间形成“有压平面科特Couette 湍流”.对于该类流动,荣深涛教授等[4,5]进行了比较完整的理论分析和实验研究,得到了一系列为现场试验所证明的重要成果,并成功地应用于列车隧道空气阻力和活塞风的计算中.当列车以匀速V 0进入直线隧道以后,作用在列车壁面上的压强p 仍然是随时变化的,但其纵向压强梯度5p 5x 却是不变的,因而在列车与隧道壁之间的环形空间科特流流场是恒定的.环形空间垂直断面上的无量纲流速分布u/V 0,活塞风速V 与列车速V 0之比在列车离开隧道前,将不再发生变化.空间流场的速度分布可能存在3种情况,如图3(a )所示,取决于无量纲科特(Couette )数P 的数值.对于直线隧道Couette 数为P 1=125p 5x h (1+η)/C f1ρV 20(1)式中,5p/5x 为纵向压力梯度,逆压为正;h 为两壁面的间距;η为环行隧道外壁与弧形列车外壁的半径R 2与R 1之比;C f1为动壁摩擦阻力系数;ρ为空气密度.当列车与隧道的长度比为l/L 、列车与隧道的横断面积比为A /Ω、列车与隧道的壁面摩擦阻力系数比一定时,P 1为定值,流速分布随之确定.由此可求出所需的壁面总摩擦力,列车压差阻力,以及隧道活塞风速.在新模型实验系统中,列车模型在弧形隧道中运行,环形空间的气流遵循有压环隙科特流理论,如图3(b )所示.在环隙科特流理论的研究中,曾采用二维多普勒激光测速仪精确测量了旋转面科特流流场,实验结果很好地验证了所提出的理论[6～10].对于弧形隧道Couette 数为P 2=125p 5θh (1+η2)/C f1ρV 20(2)式中,5p 5θ为沿着旋转方向的压力梯度.直线隧道弧形隧道图3　动、静壁面之间的科特流流动分类事实上,对于动静壁面之间的科特流流动,荣深涛教授[11]已经提出包括科特数和速度模型在内的科特流通用公式.只是对平面、环隙面和旋转面来说有不同的表达形式.因此,科特数成为模型与原形相似的准则数之一,旋转式模型实验系统的流场可以完整地反映列车通过隧道时的环形空间流场.3.2　列车进入隧道时隧道内压力波的变化(1)Vardy 模型　列车高速进入隧道时,列车前端的空气压力突然升高,产生压缩波.随着列车逐步进入隧道,列车受到的空气阻力也逐步增大,使列车前端隧道空气压力持续上升,直至列车全部进入隧道.压缩波以音速沿列车前进方向传播,到达隧道出口后,大部分以膨胀波的方式反射回来.当列车尾部进入隧道时,尾端空气压力下降,产生膨胀波,并向隧道出口方向传播,到达列车前端时,一部分以压缩波形式反射回来,另一部分仍以膨胀波的形式继续向隧道出口方向传递.通过多次反射和传递,隧道中的空气压力梯度达到恒定值.研究隧道压力波波动的理论方法是根据隧道长度远大于隧道断面水力直径的特点,将列车通过时隧道内复杂的三维时变紊流流动简化为一维空气流动.提出了若干不同的流动模型:①不可压缩准定常流动模型;②不可压缩非定常流动模型;③定密度有限音速非定常流动模型;④可压缩等熵非定常流动模型;⑤考虑摩擦的可压缩性等熵非定常流动模型;⑥可压缩不等熵非定常流动模型.模型⑤假定空气流动过程为等熵过程,能比较准确地模拟压力波动规律,是国际铁路联盟专家委员会推荐采用的模型,也称Vardy 模9第4期 毛　军等:新型高速列车隧道空气动力学模型实验系统型.该模型广泛应用于压力波参数的研究.对于本旋转式实验系统,采用圆周线—半径方向构成的曲线坐标系对Vardy模型的方程进行变换,并进行无量纲化,再利用特征线法求解无量纲偏微分方程组,可以得到压力波的变化规律.最后再将该规律还原到原型中.显然,这种方法是求数值解,过程非常复杂.(2)一种简化方法　从高速列车通过隧道的过程看,列车进入隧道的初始过程类似于管道内的水击现象.相当于隧道入口处的气体以相对速度V0突然撞击静止的列车,在列车前端产生气击压强Δp.只是列车前方的大部分气体被迫以活塞风速v向前运动,而部分气体则通过环形空间流向列车运动的反方向.因此,忽略隧道结构的弹性变形和空气可压缩性,不计阻力,根据动量方程,气击压强可用公式Δp=CρΔv=Cρ(v-0)计算,其中C、ρ分别是音速和空气密度.如果相应的时间为Δt,则压力变化率为Δp/Δt,Pa/s.列车进入隧道稳定运行后,在列车首部产生连续作用的气击压强Δp.列车为了维持活塞风速v,将在列车头部产生克服活塞风阻力的正压p=λxR ・v22ρ(λ是隧道沿程损失系数,R是隧道断面水力半径),p随列车头部至出口的距离x减小,最大压力p max=λ(L-l)R v22ρ.如果按非定常流动考虑,则活塞风速是时变的,根据非定常科特流分析也可求出其变化规律.从而求得正压p的变化规律.显然,这样能得到代数经验公式,而不必求偏微分方程组的数值解.此外,列车进入隧道稳定运行后,所受到的总阻力中不仅有推动活塞风所需的动压差阻力,还包括由于气击压强Δp所引起的、随时间变化的气击阻力.因为列车全部进入隧道后不仅受到推动活塞风所需的动压差的作用,还受到气击压差的作用.气击阻力的测量和计算都必须测定和求解列车活塞风速.这在新实验系统的装置上是能够做到的,而在发射式模型实验装置上则是难以实现的.对于旋转式模型,同样可以进行类似的分析,只是压力是过流断面上的平均压强.通过新实验系统的测量和分析,可以比较两种方法的差异.4　结束语上述分析表明,本文作者提出的新型实验系统具有坚实的理论基础和现实可行性,非常适用于对高速列车隧道空气动力学问题进行较为完整的实验测试和研究,而且结构简单,调控简便,功能易于扩展,建造和运转成本均较低.通过该系统的测试,可以分析隧道内压力波的变化规律、不同密封条件下的列车内部环境压力的变化规律、气体的各种状态参数、列车空气阻力、隧道入口微气压波,以及列车速度、隧道断面和长度、阻塞比等各种因素对它们的影响.从而确定隧道断面尺寸、阻塞比、列车和隧道的长度、列车速度等与压力波变化的关系,提出合理的隧道断面尺寸以及减缓瞬变压力变化的措施,并为列车通风系统的设计提供参考数据.参考文献:[1]高品贤,余南阳,雷波.隧道空气压力波浅水槽拖动模型试验的实时检测[J].铁道学报,2002,22(3):43-46.[2]C W Pope.The Simulation of Flows in Railway Tunnels Using a1/25the Scale Moving Model Facility[A].Aerodynamicsand Ventilation of Vehicle Tunnels[C].Published by Elsevier applied Science,London and New Y ork,1991.709-737. 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