王明暢

（大連市金州新區(qū)第八高級中學，遼寧大連，116600）

高速列車地面效應與側偏角關系研究

王明暢

（大連市金州新區(qū)第八高級中學，遼寧大連，116600）

通過嚴密合理的高速列車實驗，探究了側偏角與地面效應的關系，分析了地面效應對列車氣動力的影響，評估了不同側偏角下地面效應影響的大小。基于牛頓第二定律等原理，運用縮比、控制變量、數(shù)值模擬等方法，通過風洞試驗及ANSYS 16.2數(shù)值模擬軟件，得出結論：0°側偏角下地面效應的影響不可忽略，15°側偏角下地面效應的影響較小。為高速列車技術設計提供了理論依據。

高速列車；地面效應；側偏角；牛頓第二定律；ANSYS

引言

隨著高速鐵路技術發(fā)展以及人們生活水平的提高，高速列車運行路線初具網絡規(guī)模，成為重要出行方式之一。然而，高速列車也是一把雙刃劍，在帶給我們方便快捷的同時，如果發(fā)生危險，造成的損失是巨大的。高速列車是在地面上高速運行的物體，行駛中受到列車底部和地面之間氣流的影響，始終存在著不可忽略的地面效應，影響著高速列車氣動力預測。

本文通過實驗、模擬測算，以及模擬結果，對實驗數(shù)據進行了分析，并引出結合實際成本情況的風洞實驗優(yōu)化方案。

1 基礎研究

1.1 關鍵技術及參數(shù)

前期地面效應的研究主要集中于飛機、飛行器及汽車等方面，像速度到達400公里/小時的高鐵，涉及較少。研究地面效應與側偏角關系有助于減小地面效應為氣動力預測帶來的誤差，具體實驗有風洞實驗等。

（1）風洞實驗：流體力學方面的風洞實驗指在風洞中安置飛行器或其他物體模型，研究氣體流動及其與模型的相互作用，以了解實際飛行器或其他物體的空氣動力學特性的一種空氣動力實驗方法。

（2）側偏角：側偏角可以理解為列車行駛時底面與軌道平面的夾角。

（3）地面效應：是指高速運動的物體帶動的氣流對物體運行狀態(tài)的影響，主要體現(xiàn)在氣動阻力上。

（4）氣動阻力：空氣阻力就是一種常見的氣動阻力，是指空氣阻礙物體運動的力。汽車、船舶、鐵路機車等在運行時，由于前面的空氣被壓縮，兩側表面與空氣的摩擦以及尾部后面的空間成為部分真空，共同作用下形成了阻力。

1.2 進展及問題

早期風洞試驗中地面效應的影響巨大，科學家們采用了很多應對措施，如切向吹氣法和邊界層吸氣法。例如，美國洛克希德——佐治亞公司、美國艾姆斯研究中心、中國空氣動力研究與發(fā)展中心等研究機構在較早時都使用過切向吹氣法。這種方法是在固定地板表面適當位置開些縫，并沿地板表面吹出一股薄射流，給固定地板邊界層中的氣體增加能量, 以避免邊界層增厚和分離，同時制作了各種風洞實驗專用地板。

均勻抽吸地板和移動帶地板技術是國外提出的、先進的地板邊界層控制技術。聯(lián)邦德國航空航天研究實驗院則采用了邊界層吸氣法，Wulf[1]也曾制作了均勻吸氣地板，他們都是在固定地板表面均勻布置許多吸氣孔，以吸除固定地板內的低能量氣體，可以避免地面邊界層氣體增厚和分離。但這些方法都是集中在地板的制作上，針對列車本身的改進非常少。Tyll等人[2]曾用移動帶地板技術來消除地面效應，成功縮小了風洞實驗與實際的誤差，但是因為移動帶速度有限，且對設備要求過高，其本身也會破壞流場，因而無法大面積投入使用。

對列車風洞試驗地面效應問題的研究始于20世紀70年代。Guiheu C[3]與Kwon H等[4]早期研究了不同方式的風洞試驗，發(fā)現(xiàn)地面效應將列車作為參照模型，即靜止時的地面效應很高。易仕和[5]利用均勻抽吸地板進行了小比例縮比列車模型的試驗研究，表明列車底部的形狀會影響地面邊界層和地面效應。孫振旭[6]在有無移動地面時，對1∶8縮比不帶轉向架的列車模型進行了數(shù)值模擬研究，表明地面邊界層對列車氣動力預測的影響非常之大。以上研究表明，地面效應對高速列車風洞試驗的測量具有不可忽視的影響。同時可見上述研究仍存在三大不足：

（1）研究主要集中于地面效應對整車氣動力的影響，對列車各部分的研究則相對欠缺；

（2）模型底部結構過于簡單；

（3）由于真實列車規(guī)模較大，實現(xiàn)列車與地面的相對運動非常困難，而普遍采用的模型研究法忽視了地面效應。

2 實驗過程

為了解決問題，進行實驗。實驗內容包括四個方面：

（1）以ANSYS數(shù)值模擬系統(tǒng)的數(shù)據為依據，校對風動數(shù)據；

（2）在來風速度10 m/s的簡易風洞下進行氣動阻力的測量；

（3）在山坡上釋放列車模型，模擬真實行駛環(huán)境，測量數(shù)據；

（4）用表格、統(tǒng)計圖等方式分析所得數(shù)據，給出風洞實驗優(yōu)化方案。

在實驗中選擇側偏角作為自變量，不同情況下的氣動阻力作為因變量，探究側偏角與地面效應的關系。采用縮比模型，模型與實際運行列車相比為1∶400。列車置于鐵軌上，鐵軌制成流線型，防止多余阻力。列車在軌道上通過三個支架進行固定。計算外場即風洞壁面，長度尺度為0.2 m×0.1 m×1 m。風壁面固定，側偏角通過在列車底部加墊模具來實現(xiàn)。由于實驗模具本身只有7°和15°兩個角度，所以本文中側偏角探究了0°、7°、15°三個角度。

2.1 數(shù)值校驗

本文利用ANSYS16.2模擬了湍流系統(tǒng)[7]。將真實數(shù)據與湍流模擬數(shù)據進行比對，表明來風速度與小型風洞風速一致，為約10 m/s，兩者符合良好，證明了本文工作的準確性。通過數(shù)值模擬同時可獲得列車表面壓力云圖和列車周圍流線圖，分別如圖1和圖2所示。

圖1 列車表面壓力云圖

圖2 列車周圍流線圖

2.2 固定底板小型風洞實驗

在簡易風洞實驗中，通過流線型簡易平臺將列車連同軌道放在風洞中，并將車頭用靈敏彈簧測力計連接在風機上，對列車3個側偏角分別實驗，通過連接在車頭處的靈敏彈簧測力計反映出氣動阻力值。同一側偏角下進行3次實驗取平均值，減小誤差。

2.3 列車實際運行情況模擬實驗

模擬實際列車行駛時，無法使用彈簧裝置模擬氣動阻力，因為彈簧不斷變化的力難以通過牛頓第二定律進行動力學分析。本次實驗在傾斜角約為15°的山坡上鋪設軌道，由于軌道只有20 m，自由加速無法達到與風洞來風速度相當?shù)乃俣?，而氣動阻力又受速度的影響，因此實際通過在軌道下加墊細沙來制造側偏角。同樣地，每個側偏角下進行3次平行實驗取平均值減小誤差，并收集整理數(shù)據。

為最大限度模擬真實場景，保證實驗準確性，采取助推方式使列車在14 m至15 m內處達到10 m/s的速度，該速度正好與風洞來風速度相當。

在14 m處與15 m處兩點各放置一光電門，測量此處列車的加速度，并利用牛頓第二定律，結合實驗前測得的摩擦力、斜面傾角等數(shù)據得出氣動阻力的大小，其計算式為：

3 結果分析

地面效應是影響高速列車氣動力預測的一個關鍵因素，也是制約風洞試驗精度的一個重要原因。

ANSYS16.2湍流模擬系統(tǒng)給出的氣動阻力數(shù)值約為0.02 N，與小型風洞的數(shù)值誤差約為0.003 N，處于接受范圍內，說明數(shù)值校驗計算結果與實驗結果擬合良好，從而表明本文采用的方法能夠保持實驗結果的精度，可以用于后續(xù)地面效應的研究。表1為本次實驗得出的數(shù)據及誤差分析。全面、有條理地記錄了核心數(shù)據。

表1 不同側偏角下氣動阻力數(shù)據采集結果

由上述數(shù)據可見，在側偏角增大的過程中，誤差未增反減——0°側偏角下的阻力基數(shù)較小，所以誤差比例相對較大，然而隨著側偏角的增大，誤差比例有縮小的趨勢，是值得渴望的。在0°側偏角下誤差的突出影響意味著地面效應的影響不可忽略，為高速列車制造者提供了一個啟示：在側偏角較大時，可以不采用消除地面效應的設備，以減少成本；而在側偏角接近0°時，就要盡量實現(xiàn)地面和高速列車的相對運動，以消除地面效應的影響。由于模擬橫風是側偏角應用的主要方面，所以體現(xiàn)在風洞試驗中，0°側偏角下的高速列車氣動力預測必須考慮地面效應的影響，而在研究橫風效應（即大側偏角下）的氣動力預測時，可以適當放松對設備的要求[8]。

4 結語

本次實驗雖然進程非常復雜，但不乏邏輯性，且通過數(shù)值模擬嚴密論證了實驗可行性。再進一步，分別探究了風洞和實際行駛下的氣動阻力，通過比較分析，確定氣動阻力和側偏角的關系，從而真正優(yōu)化了風洞實驗。相信將來，在科研人員的努力下，一定會有更加成熟的風洞實驗出現(xiàn)，在科學技術領域走得更遠。

[1]Grosche F R, Holst H, Wulf R. Experiments on the feasibility of aero-acoustic measurements in the 3-m-low-speed wind-tunnel of the DFVLR-AVA[J]. 1975.

[2]Tyll J S, Liu D, Schetz J A, et al. Experimental studies of Maglev aerodynamics[C]//AIAA-95-1917, 13th Applied Aerodynamics Conf. 1995.

[3]Guiheu C. Resistance to forward movement of TGV-PSE trainsets: evaluation of studies and results of measurements[J]. French Railw. Rev, 1983, 1(1): 13-26.

[4]Kwon H, Park Y W, Lee D, et al. Wind tunnel experiments on Korean high-speed trains using various ground simulation techniques [J]. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 2001, 89(13):1179-1195.

[5]易仕和, 鄒建軍. 利用均勻抽吸地板進行高速列車模型地板邊界層影響的試驗[J]. 流體力學實驗與測量, 1997, 11(2): 95-100.

[6]孫振旭, 郭迪龍, 姚遠, 等. 高速列車地面效應數(shù)值模擬研究[J]. 計算物理, 2013 (1): 61-69.

[7]高級教程: icemCFD從入門到工程師[Z].

[8]孫振旭, 姚拴寶, 郭迪龍, 等. 高速列車橫風氣動力數(shù)值計算研究[J]. 科學技術與工程, 2012, 20(32): 8486-8497.

Study on Relationship between Ground Effect and Distortion Angle for High Speed Train

WANG Ming-chang
(No.8 High School of Jinzhou New District in Dalian, Dalian, Liaoning,116600, China)

Through a rigor and rational experiment on high speed train, relationship between the distortion angle and ground effect, including the analysis on the influence of ground effect on the aerodynamic force, as well as evaluation on the influence of ground effect under various distortion angles. Based on the classical Newton's second law, by using the methods such as ratio shrinkage, variable control and numerical simulation, through wind tunnel test and ANSYS 16.2 numerical simulation software, conclusions such as the ground effect under the distortion angle of 0 degree cannot be ignored, while 15 degrees can, can be drawn, providing a theoretical basis for the technological design of high speed train.

High Speed Train; Ground Effect; Distortion Angle; Newton's Second Law; ANSYS

U292.91+4

A

2095-8412 (2016) 06-1221-03

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.045

王明暢(1999-)，男，漢族，遼寧大連人，大連市金州新區(qū)第八高級中學高中在讀。研究方向：理論物理。