張 巖，陳厚嫦，何德華

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

CRH2C和CRH380A動(dòng)車組不同頭型對(duì)隧道氣動(dòng)效應(yīng)影響的試驗(yàn)研究*

張 巖，陳厚嫦，何德華

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

動(dòng)車組頭型不同，對(duì)氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的影響也不盡相同。為探討頭型對(duì)動(dòng)車組隧道氣動(dòng)效應(yīng)的影響，將CRH2C型動(dòng)車組和在其基礎(chǔ)上進(jìn)行頭型優(yōu)化改進(jìn)的CRH380A型動(dòng)車組在不同工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明頭型的改進(jìn)有利于改善動(dòng)車組的車外流場(chǎng)分布，有利于提高旅客乘坐舒適度。

動(dòng)車組；頭型；氣動(dòng)力學(xué)；試驗(yàn)研究

動(dòng)車組的氣動(dòng)力學(xué)性能與動(dòng)車組的頭型、車體斷面形狀、車體頂部及底部的外形等有著密切的關(guān)系。目前，國(guó)內(nèi)外氣動(dòng)力學(xué)研究主要從模型試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算和實(shí)車試驗(yàn)3個(gè)方面入手。模型試驗(yàn)主要分為風(fēng)洞試驗(yàn)和動(dòng)模型試驗(yàn)兩類。風(fēng)洞試驗(yàn)理論成熟、測(cè)量精密、氣流參數(shù)易于控制、測(cè)量結(jié)果受天氣變化影響小，但繞流模型與實(shí)物的流動(dòng)很難達(dá)到完全相似。動(dòng)模型試驗(yàn)主要模擬動(dòng)車組進(jìn)出短隧道的過程，受外界氣象條件影響小，不受隧道及車頭形狀限制，但研究較高車速時(shí)發(fā)射裝置和模型材料難以滿足要求。數(shù)值計(jì)算具有很多優(yōu)點(diǎn)，但其對(duì)湍流的模擬非常困難，而且許多邊界條件需要由試驗(yàn)確認(rèn)，計(jì)算結(jié)果也必須由試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)車試驗(yàn)是研究列車氣動(dòng)力學(xué)最為直接、有效的方法，也是檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)其他研究方法正確性的必要手段。日本在研制高速列車過程中，除了進(jìn)行大量的風(fēng)洞試驗(yàn)外，還要進(jìn)行一系列的氣動(dòng)力學(xué)實(shí)車線路試驗(yàn)。從20世紀(jì)60年代開始，歐洲國(guó)際鐵路聯(lián)盟ORE C149和ORE Cl76專家委員會(huì)主持進(jìn)行了大量的時(shí)速200 km以下氣動(dòng)力學(xué)實(shí)車試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果主要揭示了壓力波變化規(guī)律及其影響因素，為壓力波理論計(jì)算模型提供了驗(yàn)證必需的試驗(yàn)參數(shù)。

近年來，隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，高速列車的氣動(dòng)力學(xué)問題得到了普遍的重視和深入的研究，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院相繼在武廣、鄭西、滬杭、京滬等多條新建的客運(yùn)專線上進(jìn)行了300 km/h以上速度等級(jí)的列車隧道氣動(dòng)效應(yīng)實(shí)車試驗(yàn)研究，本文正是利用CRH2C型動(dòng)車組和CRH380A型動(dòng)車組在我國(guó)客運(yùn)專線上取得的大量實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果，研究其不同的頭部形狀對(duì)隧道內(nèi)列車氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的影響。

1 CRH2C型動(dòng)車組和CRH380A型動(dòng)車組介紹

典型的動(dòng)車組頭型包括扁寬形頭型（CRH380A）、橢球形頭型（CRH3C）、梭形頭型（CRH2C）和鈍形頭型（CRH1A）等。影響動(dòng)車組頭部形狀的因素主要有流線型頭部長(zhǎng)度、寬度、高度、傾斜度、頭部縱向剖面形狀、頭部俯視形狀等。

CRH380A型動(dòng)車組在CRH2C型動(dòng)車組基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化頭型設(shè)計(jì)和改進(jìn)車體斷面形狀提升了動(dòng)車組的氣動(dòng)力學(xué)性能，通過改進(jìn)車體結(jié)構(gòu)提高了動(dòng)車組車體強(qiáng)度、剛度以及氣密強(qiáng)度。兩列動(dòng)車組均采用鋁合金車體，最高運(yùn)營(yíng)速度為350 km/h，相關(guān)氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 CRH2C和CRH380A動(dòng)車組氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)參數(shù)

CRH2C型動(dòng)車組的長(zhǎng)度與CRH380A型動(dòng)車組基本相當(dāng)，但頭型不同，CRH380A型動(dòng)車組的頭型在原CRH2C基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，主要采用了增加流線型頭部的長(zhǎng)度和車頭長(zhǎng)細(xì)比、調(diào)整截面積變化率、頭部造型平順化、加大側(cè)頂圓角半徑等措施。圖1和圖2分別為CRH380A型動(dòng)車組和CRH2C型動(dòng)車組外形照片。

圖1 CRH380A型動(dòng)車組

圖2 CRH2C型動(dòng)車組

2 動(dòng)車組隧道氣動(dòng)效應(yīng)試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)方法

車載測(cè)試系統(tǒng)由空氣壓力傳感器、集成測(cè)控?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)（數(shù)采設(shè)備）、GPS及計(jì)算機(jī)等部分組成。各傳感器將測(cè)得的壓力信息經(jīng)數(shù)采設(shè)備放大、AD轉(zhuǎn)換后記錄在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，GPS用于確定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。

測(cè)點(diǎn)布置以CRH380A動(dòng)車組進(jìn)行說明，如圖3所示，CRH2C型動(dòng)車組的測(cè)點(diǎn)布置大致與其相同。其中，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2位于車頭前端，測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)4位于車頭變截面，測(cè)點(diǎn)5與測(cè)點(diǎn)6位于車頂變截面，測(cè)點(diǎn)7和測(cè)點(diǎn)8位于車廂中部側(cè)窗。

2.2 試驗(yàn)環(huán)境及參數(shù)介紹

CRH2C型動(dòng)車組隧道通過、隧道交會(huì)試驗(yàn)在武廣高速鐵路進(jìn)行，CRH380A型動(dòng)車組隧道通過、隧道交會(huì)試驗(yàn)在鄭西高速鐵路進(jìn)行，具體試驗(yàn)工況及線路參數(shù)如表2所示。

圖3 CRH380A型動(dòng)車組測(cè)點(diǎn)布置示意圖

表2 CRH2C與CRH380A型動(dòng)車組試驗(yàn)情況一覽表

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

理論上，頭型的改進(jìn)能夠改善動(dòng)車組的車外流場(chǎng)分布，減小動(dòng)車組車外空氣壓力、交會(huì)壓力波、空氣阻力、噪聲、氣動(dòng)橫向力及氣動(dòng)升力等。針對(duì)CRH2C型動(dòng)車組和CRH380A型動(dòng)車組不同的頭型，從車外空氣壓力、車體兩側(cè)壓差兩個(gè)方面分析頭型的改進(jìn)對(duì)隧道內(nèi)列車氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的影響。

2.3.1 車外空氣壓力對(duì)比分析

CRH2C型動(dòng)車組和CRH380A型動(dòng)車組分別以330 km/h通過長(zhǎng)度相當(dāng)、截面積相同的隧道時(shí)，兩列動(dòng)車組相對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的車外空氣壓力變化趨勢(shì)基本相同，如圖4所示。

進(jìn)一步比較CRH2C型動(dòng)車組和CRH380A型動(dòng)車組分別在各速度級(jí)通過長(zhǎng)度相當(dāng)、截面積相同的隧道時(shí)車外壓力變化最大值，如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)CRH2C型動(dòng)車組和CRH380A型動(dòng)車組分別以相同速度通過長(zhǎng)度相當(dāng)、截面積相同的隧道時(shí)，車外壓力變化有如下規(guī)律：

（1）兩列動(dòng)車組的車外壓力變化最大值基本隨速度的提高而增大。

（2）相同速度通過隧道時(shí)，CRH2C型動(dòng)車組的車外壓力變化最大值比CRH 380 A型動(dòng)車組大，但兩列動(dòng)車組頭車的車外壓力變化幅值基本相當(dāng)。

圖4 CRH2C與CRH380A分別以330 km/h通過隧道時(shí)的車外壓力對(duì)比圖

（3）CRH2C型動(dòng)車組尾車的車外壓力變化幅值比CRH380A型動(dòng)車組大，340 km/h隧道通過時(shí)，前者比后者大22%。

（4）CRH2C型動(dòng)車組尾車的車外壓力變化幅值比頭車大，340 km/h隧道通過時(shí)尾車比頭車大28%；而CRH380A型動(dòng)車組頭、尾車的車外壓力變化幅值基本相當(dāng)。這說明頭型的改進(jìn)能夠有效地改善動(dòng)車組的車外流場(chǎng)分布，使車外壓力變化幅值沿列車縱向趨于平穩(wěn)。

2.3.2 車體兩側(cè)壓差對(duì)比分析

動(dòng)車組車體兩側(cè)的空氣壓力差，即氣動(dòng)橫向力，因動(dòng)車組頭型的不同而有所差異。氣動(dòng)橫向力的大小將影響動(dòng)車組的橫向穩(wěn)定性。理論上，CRH380A型動(dòng)車組在CRH2C型動(dòng)車組基礎(chǔ)上加大了側(cè)頂圓角半徑，能夠有效減小動(dòng)車組的車體兩側(cè)壓差，改善動(dòng)車組的橫向氣動(dòng)性能。

（1）隧道通過

動(dòng)車組通過雙線隧道時(shí)，由于車體兩側(cè)與隧道壁距離的不同造成列車兩側(cè)流場(chǎng)不完全對(duì)稱，從而使車體兩側(cè)產(chǎn)生一定的空氣壓力差，影響動(dòng)車組的橫向穩(wěn)定性，如圖7所示。動(dòng)車組進(jìn)入隧道前（明線運(yùn)行），車體兩側(cè)壓差基本為零；當(dāng)動(dòng)車組進(jìn)入雙線隧道時(shí)，車體兩側(cè)壓差增大；當(dāng)列車全部進(jìn)入隧道后，車體兩側(cè)壓差基本不變；當(dāng)列車出隧道時(shí)，車體兩側(cè)壓差減??；當(dāng)列車完全駛出隧道后，車體兩側(cè)壓差又恢復(fù)到明線運(yùn)行時(shí)的零值附近。

為研究頭型對(duì)隧道通過時(shí)車體兩側(cè)壓差的影響，將CRH380A型動(dòng)車組和CRH2A型（與CRH2C頭型相同）動(dòng)車組分別以250 km/h和240 km/h通過隧道時(shí)，頭車端部?jī)蓚?cè)對(duì)稱測(cè)點(diǎn)的車體兩側(cè)壓差變化曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。盡管兩列動(dòng)車組頭型不同、隧道通過的速度和長(zhǎng)度均不相同，但車體兩側(cè)壓差的波形變化趨勢(shì)基本一致，只是幅值大小不同，CRH2A型動(dòng)車組頭車端部?jī)蓚?cè)壓差比CRH380A型動(dòng)車組大。這說明頭型和隧道長(zhǎng)度對(duì)于車體兩側(cè)壓差的波形變化趨勢(shì)基本沒有影響。

圖5 CRH2C和CRH380A通過隧道時(shí)的車外壓力最大值對(duì)比

（2）隧道交會(huì)

動(dòng)車組在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，一方面受到交會(huì)的影響產(chǎn)生隧道內(nèi)列車交會(huì)壓力波，另一方面受到車體兩側(cè)與隧道壁距離不同的影響，導(dǎo)致車外流場(chǎng)的變化，從而改變車體兩側(cè)壓差，如圖7和圖8所示。與隧道通過不同的是當(dāng)兩列動(dòng)車組在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，車體兩側(cè)壓差明顯變化，在另一列動(dòng)車組頭、尾部經(jīng)過時(shí)分別出現(xiàn)一個(gè)顯著的峰谷值，其他時(shí)刻車體兩側(cè)壓差的變化規(guī)律與隧道通過時(shí)基本一致。比較CRH380A型動(dòng)車組在鞏義隧道通過和鞏義隧道交會(huì)兩種工況下，頭車端部?jī)蓚?cè)對(duì)稱測(cè)點(diǎn)的壓差變化曲線，參見圖6（a）和圖8（a），可以發(fā)現(xiàn)，在隧道內(nèi)的非交會(huì)區(qū)段，兩種工況下的頭車端部?jī)蓚?cè)壓差波形變化規(guī)律一致。

圖6 不同頭型動(dòng)車組通過隧道時(shí)頭車端部?jī)蓚?cè)對(duì)稱測(cè)點(diǎn)壓力變化圖

為比較隧道交會(huì)時(shí)CRH2C型動(dòng)車組和CRH380A型動(dòng)車組車體不同橫斷面的兩側(cè)壓差，分別在兩列動(dòng)車組的頭車端部、頭車等截面、尾車端部和尾車等截面兩側(cè)對(duì)稱布置4對(duì)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置參見圖3。圖7為CRH2C型動(dòng)車組在武廣高鐵九子仙隧道（2 728 m）交會(huì)過程中的車體兩側(cè)壓差變化曲線，圖8為CRH380A型動(dòng)車組在鄭西高鐵鞏義隧道（3 368 m）交會(huì)過程中的車體兩側(cè)壓差變化曲線。由于試驗(yàn)條件有限，兩列動(dòng)車組的交會(huì)隧道長(zhǎng)度及隧道內(nèi)輔助設(shè)施的布置都有所不同，但大量的試驗(yàn)研究結(jié)果表明，隧道長(zhǎng)度及輔助設(shè)施的布置對(duì)車外壓力的變化趨勢(shì)有一定的影響，對(duì)車體兩側(cè)壓差的變化趨勢(shì)基本沒有影響。

圖7 350/350 km/h九子仙隧道交會(huì)時(shí)CRH2C車體兩側(cè)對(duì)稱測(cè)點(diǎn)壓差曲線

由圖7和圖8可以看出，在隧道交會(huì)過程中，CRH2C型動(dòng)車組和CRH380A型動(dòng)車組的車體兩側(cè)壓差變化有如下規(guī)律：

（1）兩列動(dòng)車組相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的車體兩側(cè)壓差變化波形基本相同，但幅值有所不同。

（2）車體兩側(cè)壓差在另一列交會(huì)動(dòng)車組頭部和尾部經(jīng)過時(shí)分別出現(xiàn)一個(gè)較為明顯的峰谷值；在動(dòng)車組通過隧道并在隧道內(nèi)交會(huì)的整個(gè)過程中，車體兩側(cè)壓差除了受到交會(huì)的影響外，還要受到與車體兩側(cè)不同距離的隧道壁的影響。

（3）頭、尾車等截面和尾車端部?jī)蓚?cè)對(duì)稱測(cè)點(diǎn)，在交會(huì)時(shí)有明顯的空氣壓力差，但作用時(shí)間較短；在隧道內(nèi)非交會(huì)區(qū)段，兩側(cè)壓差較小。頭車端部?jī)蓚?cè)對(duì)稱測(cè)點(diǎn)始終存在明顯的壓差，交會(huì)時(shí)壓差更大。

進(jìn)一步比較隧道交會(huì)過程中CRH2C型動(dòng)車組和CRH380A型動(dòng)車組的車體兩側(cè)壓差最大值，如圖9所示，兩列動(dòng)車組不同橫斷面的車體兩側(cè)壓差最大值有如下規(guī)律：

（1）CRH2C型動(dòng)車組在武廣線九子仙隧道（2 728 m）交會(huì)過程中，頭車、尾車端部和等截面兩側(cè)對(duì)稱測(cè)點(diǎn)的壓差最大值基本隨交會(huì)速度的提高而增大。相同速度隧道交會(huì)時(shí)，頭、尾車端部?jī)蓚?cè)壓差均比等截面兩側(cè)壓差大。

（2）CRH380A型動(dòng)車組在鄭西線鞏義隧道（3 368 m）交會(huì)過程中，車體兩側(cè)對(duì)稱測(cè)點(diǎn)的壓差最大值較為穩(wěn)定，與速度關(guān)系不大。端部與等截面兩側(cè)對(duì)稱測(cè)點(diǎn)的壓差沒有絕對(duì)的大小比對(duì)關(guān)系。

（3）相同速度隧道交會(huì)時(shí)，CRH2C型動(dòng)車組頭車端部和等截面兩側(cè)壓差最大值均比CRH380A型動(dòng)車組大，而兩列動(dòng)車組尾車端部和等截面兩側(cè)壓差最大值基本相當(dāng)。

（4）頭型的改進(jìn)能夠有效地減小動(dòng)車組車體兩側(cè)的壓差，使不同斷面的車體兩側(cè)壓差變化趨于穩(wěn)定，有利于改善動(dòng)車組的橫向氣動(dòng)性能。

圖8 350/350 km/h鞏義隧道交會(huì)時(shí)CRH380A車體兩側(cè)對(duì)稱測(cè)點(diǎn)壓差曲線

圖9 CRH2C和CRH380A不同車體斷面兩側(cè)壓差散點(diǎn)圖

3 結(jié) 論

通過對(duì)比CRH2C型動(dòng)車組和在其基礎(chǔ)上進(jìn)行頭型優(yōu)化改進(jìn)的CRH380A型動(dòng)車組在不同工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩列動(dòng)車組不同的頭型對(duì)車外壓力和車體兩側(cè)壓差的波形變化趨勢(shì)基本沒有影響，對(duì)壓力波動(dòng)幅值有一定的影響。與CRH2C型動(dòng)車組相比，經(jīng)過頭型改進(jìn)后的CRH380A型動(dòng)車組的隧道內(nèi)氣動(dòng)效應(yīng)得到了顯著地改善，主要體現(xiàn)在：

（1）有效地改善了車外流場(chǎng)分布，使車外壓力變化幅值沿列車縱向趨于平穩(wěn)。

（2）有效地減小了車體兩側(cè)的壓差，使不同橫斷面的車體兩側(cè)壓差變化趨于穩(wěn)定，改善了動(dòng)車組的橫向氣動(dòng)性能，提高了旅客乘坐舒適度。

［1］ 錢立新主編.世界高速鐵路技術(shù)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2003.

［2］ 董錫明.高速動(dòng)車組工作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

［3］ 董錫明.現(xiàn)代高速列車技術(shù)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2006.

［4］ Heinz Kurz.ICE3的新設(shè)計(jì)思想［J］.國(guó)外鐵道車輛，2004，41（1）：13-19.

［5］ 高瀨秀樹，等.高速車輛空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)技術(shù)的開發(fā)［J］.國(guó)外鐵道車輛，1999，（6）：16-21.

［6］ 田紅旗.列車空氣動(dòng)力學(xué)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社.2007.

［7］ 何德華.350 km/h高速動(dòng)車組空氣動(dòng)力學(xué)仿真［D］.北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院.2011.

［8］ 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，廣州鐵路集團(tuán)公司，武漢鐵路局等.武廣客運(yùn)專線隧道氣動(dòng)效應(yīng)試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2009.

［9］ 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，西南交通大學(xué)，北京交通大學(xué)等.武廣客運(yùn)專線動(dòng)車組專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究報(bào)告［R］.北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2009.

［10］ 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院（高速鐵路系統(tǒng)試驗(yàn)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室），武漢鐵路局，廣鐵（集團(tuán)）公司等.武廣客運(yùn)專線聯(lián)調(diào)聯(lián)試報(bào)告—隧道內(nèi)列車空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試分報(bào)告［R］.北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2009.

［11］ 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所.新頭型CRH380A試驗(yàn)車綜合性能試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2011.

Test Research on Aerodynamics Effects in Tunnels of Different Nose Shapes of CRH2Cand CRH380A EMUs

ZH ANG Yan，CHEN Houchang，HE Dehua
（Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

EMUs have different aerodynamic effects due to different nose shapes.In order to investigate their aerodynamic effects in tunnels，the test data of CRH2CEMU have been compared under different running conditions with those of CRH380A EMU，which is an improved version based on the former.The results show that the improvement of nose shape will help to improve the distribution of external pressure field and passenger comforts.

EMU；head type；aerodynamic；test research

U266.2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.01.03

*鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃重大課題（2010J001-E）

?）女，助理研究員（

2013－08－20）