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高速列車空氣動力學(xué)實(shí)驗(yàn)的利器（1）
力學(xué)園地
2016年01月04日？？？？ 編者按：2014年6月7日，科技部立項(xiàng)的國家科技支撐計(jì)劃“中國高速列車關(guān)鍵技術(shù)研究及裝備研制”（2009-2014）在青島通過驗(yàn)收。該項(xiàng)目的標(biāo)志性成果——時(shí)速350公里高速動車組CRH380系列已經(jīng)成為我國高速鐵路網(wǎng)的主力裝備，安全運(yùn)營里程已超過4億公里。作為項(xiàng)目的一個(gè)課題，力學(xué)所楊國偉研究員牽頭開展了“高速列車空氣動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)及評估技術(shù)”研究，通過參研人員5年多的共同努力，在CRH380系列氣動定型設(shè)計(jì)和高速列車空氣動力學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)兩個(gè)方面取得重要進(jìn)展。我們將分兩期介紹用于高速列車空氣動力學(xué)實(shí)驗(yàn)的動模型實(shí)驗(yàn)平臺的研制情況。
高速列車空氣動力學(xué)實(shí)驗(yàn)的利器（1）
世界上獨(dú)一無二的高速列車動模型實(shí)驗(yàn)平臺研制成功
在2014年收官之前，中國在一天之內(nèi)開通了貴廣、蘭新和南廣三條高鐵，使全國高鐵的總里程達(dá)到1.6萬公里，已在全國基本形成了“四縱四橫”的框架。高鐵的迅猛發(fā)展，令國人十分振奮，也贏得了世界目光。使從事高速列車技術(shù)和裝備的科技工作者倍感欣慰。特別是，隨著“一帶一路”構(gòu)想的實(shí)施，高鐵出海、出國的前景廣闊。目前，中國高鐵里程已超過世界高鐵運(yùn)營里程的一半，是當(dāng)之無愧的“世界第一”。此外，它還創(chuàng)造了若干個(gè)“世界第一”。例如，運(yùn)營時(shí)速最高。 2010年12月3日，在京滬高鐵棗莊至蚌埠試驗(yàn)段，CRH380AL新一代高速動車組創(chuàng)造了時(shí)速486.1公里/小時(shí)的世界鐵路運(yùn)營第一速。這可是噴氣飛機(jī)低速巡航的速度啦！又如，輪軌試驗(yàn)時(shí)速最高。2011年12月，中國南車研制的試驗(yàn)列車（又稱500公里試驗(yàn)列車）落成，設(shè)計(jì)速度500公里/小時(shí)，在高速列車國家工程實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造了605公里/小時(shí)的最高輪軌試驗(yàn)速度。再上一層樓！目前，中國已經(jīng)構(gòu)成了譜系最全的動車組“大家庭”，擁有從200公里/小時(shí)-500公里/小時(shí)各種時(shí)速等級的動車組。讓我們來看這個(gè)“大家庭”的成員吧：初期引進(jìn)的CRH1、CRH2、CRH3、CRH5，時(shí)速為200-300公里/小時(shí)不等，引進(jìn)后提升到350公里/小時(shí)；后面自主研發(fā)的有CRH380系列，時(shí)速可達(dá)380公里/小時(shí)。之后還有CRH380AM時(shí)速500公里試驗(yàn)車和為城際鐵路研發(fā)的CRH6系列動車組?！昂椭C號”速度達(dá)到了350公里/小時(shí), 是目前世界運(yùn)營鐵路的最高時(shí)速。
力學(xué)所楊國偉研究員率領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，針對國家任務(wù)需求，開展了多種頭型方案在無橫風(fēng)以及不同強(qiáng)度橫風(fēng)運(yùn)行場景下的氣動性能和氣動噪聲評估研究，完成了單車隧道通過、明線及隧道會車場景下的壓力波分析。通過綜合性能比較，篩選出5種性能優(yōu)良的高速列車頭型，進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，最終選定出CRH380A高速列車頭型。通過近幾年運(yùn)營檢驗(yàn)，CRH380A高速列車氣動性能優(yōu)良，被國際相關(guān)組織評為世界上目前設(shè)計(jì)最好的十種高速列車之首，已成為我國高端制造裝備的名片。他們還針對CRH380B研制，在分析原型車CRH3的氣動阻力源的基礎(chǔ)上，完成了風(fēng)擋、空調(diào)整流罩、裙板、受電弓整流罩等結(jié)構(gòu)部件的多方案氣動性能比較，確定了改進(jìn)方案并通過了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，又通過線路試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)方案的有效性。CRH380B型高速列車總阻力比CRH3型車減小8%左右。氣動力學(xué)的知識告訴我們，對于時(shí)速350公里/小時(shí)運(yùn)行的高速列車，氣動阻力占總阻力的85%以上，所以研究高速列車的氣動特性是關(guān)系到高鐵運(yùn)營中節(jié)能和降噪的關(guān)鍵。高速列車的氣動性能，和飛行器、汽車等運(yùn)輸工具一樣，要通過理論分析、數(shù)值計(jì)算與仿真以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等途徑獲取。試驗(yàn)驗(yàn)證包括模型實(shí)驗(yàn)和線路試驗(yàn)。如何進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)?zāi)?？目前高速列車氣動性能只能在低速風(fēng)洞中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
人們發(fā)展風(fēng)洞的歷史有150余年了，開始是因?yàn)檠兄骑w行器的需求，現(xiàn)在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)已經(jīng)是飛行器研制工作中的一個(gè)不可缺少的重要組成部分（參見圖1）。目前，風(fēng)洞不僅在航空和航天工程的研究和發(fā)展中起著重要作用，隨著工業(yè)空氣動力學(xué)的發(fā)展，在交通運(yùn)輸、房屋建筑、風(fēng)能利用和環(huán)境保護(hù)等部門中也得到越來越廣泛的應(yīng)用。例如，所謂的“汽車風(fēng)洞”（參見圖2）就是研究各類汽車的氣動性能。
圖1？ 研究飛機(jī)氣動性能的航空風(fēng)洞
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圖2？ 研究汽車氣動性能的汽車風(fēng)洞
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利用風(fēng)洞作實(shí)驗(yàn)的依據(jù)是運(yùn)動的相對性原理。在實(shí)際情況中，物體（飛行器、汽車、高速列車等）一般是在靜止的空氣中運(yùn)動。但在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，則是實(shí)驗(yàn)氣體在靜止的物體模型（固定在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段內(nèi)）周圍流動。這種實(shí)驗(yàn)方法，流動條件容易控制，可以重復(fù)地、經(jīng)濟(jì)地取得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)中的流動狀態(tài)必須與實(shí)際流動狀態(tài)相似，即必須滿足“相似律”的要求。要搞清楚相似律的全部問題，大概需要寫一部專著，不是我們這篇短文可以囊括的。但是，有一條基本的相似條件并不是難以理解的，那就是“幾何相似”，或者說模型和實(shí)物必須按比例縮小（或放大）。例如，在力學(xué)所實(shí)驗(yàn)平臺中，高速列車模型外形尺寸的縮比為1:8。如果我們要實(shí)測高速列車結(jié)構(gòu)的氣動特性，車頂上受電弓架等細(xì)致結(jié)構(gòu)也都應(yīng)當(dāng)在模型中體現(xiàn)出來，才能滿足幾何相似條件。此外，“動力學(xué)相似”條件則會對實(shí)驗(yàn)氣流的速度提出要求。然而，汽車風(fēng)洞存在來流速度偏低的缺點(diǎn)，因?yàn)閷?shí)際汽車的時(shí)速一般不會高于200公里/小時(shí)，所以汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)氣流的速度大多不能滿足模擬時(shí)速350公里/小時(shí)高速列車的要求。盡管航空風(fēng)洞可以滿足模擬速度的要求，但是難以模擬高速列車特別關(guān)注的地面效應(yīng)、明線交會、隧道通過和隧道會車等運(yùn)行場景。為了克服常規(guī)風(fēng)洞的缺點(diǎn)，力學(xué)所決定針對高速列車研制的需求，發(fā)展大型雙向動模型空氣動力學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺。楊國偉研究團(tuán)隊(duì)提出了利用高壓空氣驅(qū)動高速列車模型的創(chuàng)新思路；通過關(guān)于動模型加速、減速原理的多方案驗(yàn)證，確定了動模型實(shí)驗(yàn)的實(shí)施方案；并于2013年底，在北京懷柔力學(xué)所錢學(xué)森工程科學(xué)實(shí)驗(yàn)基地，建成了擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的大型動模型實(shí)驗(yàn)平臺（參見圖3）。該平臺的最高實(shí)驗(yàn)速度可達(dá)500公里/小時(shí)，模型縮比為1：8，模型質(zhì)量可達(dá)100千克以上，具有雙向?qū)﹂_運(yùn)行模式，而且可以安裝隧道模型（參見圖4）。由于列車模型在軌道上按照實(shí)際的時(shí)速來運(yùn)動，所以“地面效應(yīng)”便可以模擬研究了。由于有兩條對稱設(shè)置的軌道，每次試驗(yàn)中可以使兩個(gè)列車模型在相反方向上相對運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)了“明線交會”場景的模擬。由于可以按要求設(shè)置隧道模型也是滿足1:8縮比的幾何相似要求，采取了分段制作的方式，各段之間使用螺栓（Bolt）連接，端面貼有膠帶以保證段間密封不漏氣的要求，這樣就可以模擬“隧道通過”和“隧道會車”等場景。當(dāng)然，對于“隧道通過”場景的模擬，如果只需考慮單軌單列的情況，也可以在該實(shí)驗(yàn)室的單軌單車的小型動模型裝置上進(jìn)行，那里所使用的隧道模型的截面尺寸會相應(yīng)縮小的。
圖3？ 力學(xué)所錢學(xué)森工程科學(xué)實(shí)驗(yàn)基地的高速列車動模型實(shí)驗(yàn)平臺