謝臺(tái)中，劉堂紅，陳爭(zhēng)衛(wèi)，李文輝，陳曉棟，周細(xì)賽

(中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410075)

隨著列車速度的提高，帶來(lái)一系列比低速列車更嚴(yán)重的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，空氣阻力、交會(huì)壓力波、列車風(fēng)、隧道氣動(dòng)效應(yīng)等問(wèn)題也更加明顯[1-4]。列車高速通過(guò)時(shí)引起的軌側(cè)壓力對(duì)軌道兩側(cè)設(shè)施結(jié)構(gòu)有較大影響，同時(shí)對(duì)站臺(tái)上的旅客和軌道旁工作人員的安全產(chǎn)生影響[5-6]。根據(jù)EN標(biāo)準(zhǔn)[7]要求，氣動(dòng)載荷是車輛和基礎(chǔ)設(shè)施安全評(píng)定中的重要參數(shù)，為了車輛和基礎(chǔ)設(shè)施的安全，需要明確列車通過(guò)時(shí)引起的軌側(cè)壓力載荷，當(dāng)固定編組或者非固定編組列車以250 km/h參考速度運(yùn)行時(shí)，列車頭部通過(guò)時(shí)引起的距軌道中心線橫向距離2.5 m、距軌面高度1.5～3 m區(qū)域的最大允許壓力峰-峰值不超過(guò)800 Pa。如果列車的頭尾外形不一致，列車在不同運(yùn)行方向都應(yīng)滿足上述要求[7]。氣動(dòng)載荷受頭部外形影響較大，因此優(yōu)化列車頭形是減小軌側(cè)壓力的重要措施之一[8-10]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)不同頭部外形列車氣動(dòng)性能的研究主要集中在阻力、升力以及列車風(fēng)等方面[11]。文獻(xiàn)[12]采用風(fēng)洞試驗(yàn)的方法對(duì)4種不同縱向長(zhǎng)細(xì)比列車模型氣動(dòng)阻力、升力及橫風(fēng)特性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[13]用數(shù)值模擬的方法研究了不同列車流線形頭部參數(shù)對(duì)列車氣動(dòng)阻力、升力、交會(huì)壓力波的影響。文獻(xiàn)[14]通過(guò)數(shù)值模擬方法研究了站臺(tái)高度、距軌道中心線距離等對(duì)列車風(fēng)的影響。文獻(xiàn)[15]研究了高速列車通過(guò)時(shí)引起的氣流變化及尾流結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[16]應(yīng)用延遲分離渦的方法研究了貨車車廂通過(guò)時(shí)的列車周圍流場(chǎng)情況。文獻(xiàn)[17]分析了CRH2型動(dòng)車組通過(guò)時(shí)引起的列車風(fēng)及周圍氣流速度，并給出距列車不同距離處的安全速度。

通過(guò)以上研究，得到了不同列車頭部外形對(duì)阻力和升力的影響，站臺(tái)高度、距軌道中心線橫向距離對(duì)列車通過(guò)時(shí)氣流速度的影響，并分析了客車和貨車周圍的氣流流動(dòng)情況，但對(duì)EN標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的列車通過(guò)時(shí)引起的軌側(cè)壓力峰-峰值研究較少，對(duì)于列車外形的研究也主要集中在流線形長(zhǎng)度等方面。基于此，本文設(shè)計(jì)了4種不同頭部曲面形式列車，在列車阻力等基本氣動(dòng)性能分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)列車通過(guò)時(shí)引起的軌側(cè)壓力進(jìn)行研究，得到了軌側(cè)壓力與列車頭部曲面形式的關(guān)系，并根據(jù)EN標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估。

1 列車模型和邊界條件

高速列車頭部外形對(duì)列車氣動(dòng)性能有較大影響，除頭部流線形長(zhǎng)度外，頭部縱剖面形線、水平剖面形線等主形線的變化對(duì)列車氣動(dòng)性能也有較大影響。采用流線形長(zhǎng)度為9 m，頭形為單拱的列車為原型車。在車體橫斷面，流線形長(zhǎng)度不變的基礎(chǔ)上，變化原型車的曲面形式為鼓寬形、橢球形、扁寬形、梭形。不同曲面形式設(shè)計(jì)外形如圖1所示，其中，梭形和扁寬形頭部擁有相同縱剖面線形狀，線形較凹，鼓寬形和橢球形頭部擁有相同縱剖面形狀，線形較凸；扁寬和鼓寬形頭部擁有相同水平剖面線形狀，線形外鼓，橢球和梭形頭部擁有相同水平剖面線形狀，線形內(nèi)收。

圖1 不同頭部曲面形式列車外形

圖2 數(shù)值計(jì)算區(qū)域

文中采用湍流強(qiáng)度I和湍流長(zhǎng)度特征尺度L描述數(shù)值模擬中來(lái)流的湍流，其中湍流強(qiáng)度采用式( 1 )、式( 2 )估算獲得，并用來(lái)設(shè)置速度入口邊界條件，通過(guò)式( 3 )、式( 4 )估算出相應(yīng)雷諾數(shù)下的湍流動(dòng)能κ和湍流耗散率ε，并作為流場(chǎng)初始條件，以便獲得可靠、充分發(fā)展、穩(wěn)定的流場(chǎng)。車體近壁面區(qū)域和邊界層區(qū)域流場(chǎng)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)控制模擬。

( 1 )

I=0.16Re-0.125

( 2 )

( 3 )

( 4 )

2 數(shù)值方法

基于三維、非定常、不可壓縮、黏性流場(chǎng)對(duì)每一種曲面形式列車明線運(yùn)行進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值分析， 采用工程

上應(yīng)用廣泛的k-ω湍流模型，利用Fluent進(jìn)行計(jì)算，選取QUICK格式，詳細(xì)流場(chǎng)控制方程及湍流模型見參考文獻(xiàn)[8]。為便于計(jì)算，對(duì)列車計(jì)算模型進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化，模型省略了把手、受電弓等裝置但保留轉(zhuǎn)向架和風(fēng)擋。同時(shí)為正確模擬列車近壁面流動(dòng)，在列車表面設(shè)置附面層，第一層網(wǎng)格厚度為0.3 mm。由于流場(chǎng)速度變化主要集中在列車表面周圍，因此對(duì)列車附近進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。計(jì)算網(wǎng)格如圖3所示。

(a)列車周圍網(wǎng)格 (b)頭車表面網(wǎng)格圖3 計(jì)算網(wǎng)格

3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，采用中南大學(xué)于2011年1月10日至3月13日在京滬線徐州東站—蚌埠南站間下行線K762+200處進(jìn)行的京滬線風(fēng)屏障脈動(dòng)壓力測(cè)試結(jié)果作為實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)，此次實(shí)車試驗(yàn)測(cè)試車型為CRH380AL，采用16車編組，試驗(yàn)車速為350 km/h。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，在京滬線下行線K762+200位置的風(fēng)屏障迎風(fēng)側(cè)、背風(fēng)側(cè)以及頂面布置一定數(shù)量的動(dòng)態(tài)空氣壓力傳感器，進(jìn)行風(fēng)屏障脈動(dòng)壓力分布測(cè)試。共布置了16個(gè)脈動(dòng)壓力測(cè)點(diǎn)，其中風(fēng)屏障靠近軌道一側(cè)布置了12個(gè)測(cè)點(diǎn)，風(fēng)屏障遠(yuǎn)離軌道一側(cè)布置了4個(gè)測(cè)點(diǎn)，風(fēng)屏障距軌道中心線距離為3 m，具體測(cè)點(diǎn)布置及現(xiàn)場(chǎng)壓力測(cè)點(diǎn)如圖4、圖5所示。

圖4 風(fēng)屏障壓力測(cè)點(diǎn)布置(○為風(fēng)屏障內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)標(biāo)識(shí)，×為風(fēng)屏障外側(cè)測(cè)點(diǎn)標(biāo)識(shí))(單位：mm)

(a)靠近軌道側(cè) (b)遠(yuǎn)離軌道側(cè)圖5 現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)屏障壓力測(cè)點(diǎn)

選取靠近距軌道側(cè)風(fēng)屏障上距軌面高度分別為0.25，0.75，1.25，1.715 m處測(cè)點(diǎn)進(jìn)行比較。數(shù)值模擬計(jì)算采用8輛車編組，列車頭部通過(guò)時(shí)引起的軌側(cè)壓力最大，因此，選取實(shí)車試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算的頭車通過(guò)測(cè)點(diǎn)時(shí)的曲線進(jìn)行比較。表1為各測(cè)點(diǎn)處實(shí)車試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比。

圖6為距軌面高度0.25 m處測(cè)點(diǎn)數(shù)值計(jì)算與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比曲線。由對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，數(shù)值模擬計(jì)算曲線和實(shí)車試驗(yàn)曲線吻合較好，數(shù)值計(jì)算值與實(shí)測(cè)值最大相差5.36%。

表1 實(shí)車試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果

圖6 距軌面高度0.25 m處測(cè)點(diǎn)數(shù)值模擬計(jì)算與 實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為驗(yàn)證列車氣動(dòng)阻力計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性，采用CRH2風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)得的阻力系數(shù)為試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。該試驗(yàn)在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心8 m×6 m風(fēng)洞第2試驗(yàn)段進(jìn)行，風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)備模型詳細(xì)描述見參考文獻(xiàn)[12]。采用CRH2模型進(jìn)行相同的數(shù)值設(shè)置進(jìn)行計(jì)算，表2為數(shù)值計(jì)算阻力系數(shù)和升力系數(shù)與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，可以看出，本文計(jì)算方法得出的阻力系數(shù)與風(fēng)洞試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果最大相差為4.14%，升力系數(shù)結(jié)果最大相差6.19%，誤差較小，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

表2 風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果比較

4 結(jié)果與分析

4.1 列車氣動(dòng)力結(jié)果與分析

為了分析4種曲面形式列車引起的軌側(cè)壓力變化規(guī)律，首先對(duì)其氣動(dòng)阻力基本氣動(dòng)性能進(jìn)行簡(jiǎn)單比較。圖7為不同曲面形式列車以250 km/h速度運(yùn)行時(shí)列車頭部壓力云圖，從圖7可以看出，不同曲面形式列車的頭部鼻錐處壓力最大，稱為駐點(diǎn)。氣流經(jīng)過(guò)鼻錐點(diǎn)后，速度加快，壓力下降。其沿縱剖面的流動(dòng)情況是：在前窗位置壓力先上升后迅速下降至負(fù)壓，在頭部與車頂過(guò)渡處達(dá)到最大負(fù)壓，這是由于過(guò)渡弧面曲率變化較大，空氣繞流速度加快，從而使這一區(qū)域的壓力急劇降低所致，氣流經(jīng)過(guò)車體頂部后壓力再次回升成為平穩(wěn)的負(fù)壓。圖7所示鼓寬形列車頭部正壓區(qū)域最大，其次為橢球形、扁寬形，梭形正壓區(qū)域最小。

(a)鼓寬形

(b)橢球形

(c)扁寬形

(d)梭形圖7 不同曲面形式列車表面壓力云圖

表3為不同曲面形式列車氣動(dòng)阻力系數(shù)。可以看出，不同曲面形式列車總阻力系數(shù)變化規(guī)律為鼓寬形最大，其次為橢球形、扁寬形，梭形最??；最大相差7.4%。列車頭部曲面形式對(duì)不同車輛的影響規(guī)律有所不同：4種曲面形式列車頭車阻力系數(shù)相差較小，仍是鼓寬形最大，梭形最小，最大相差8.0%；相對(duì)于頭尾車，中間車所受阻力較小，其中鼓寬形中間車阻力系數(shù)最大，梭形最小；尾車阻力系數(shù)鼓寬形最大，梭形最小，最大相差28.3%?？梢钥闯觯嫘问綄?duì)尾車阻力的影響大于頭車，中間車阻力數(shù)值較小，所以4種不同曲面形式列車間的差異相對(duì)比例也較大。

表3 250 km/h時(shí)不同曲面形式列車空氣阻力系數(shù)

表4所示為不同曲面形式列車氣動(dòng)升力系數(shù)。與氣動(dòng)阻力系數(shù)不同，4種曲面形式列車頭車和中間車升力系數(shù)為負(fù)，尾車升力系數(shù)為正，且升力系數(shù)絕對(duì)值小于阻力系數(shù)。不同曲面形式列車升力系數(shù)仍是鼓寬形最大，其次為橢球形、扁寬形，梭形最小。頭車升力系數(shù)最大差異為26.8%，尾車升力系數(shù)最大差異為46.6%。可以看出，與阻力系數(shù)一樣，曲面形式對(duì)尾車升力的影響大于頭車，中間車升力數(shù)值較小，所以4種不同曲面形式列車間的差異相對(duì)比例也較大。

表4 250 km/h時(shí)不同曲面形式列車空氣升力系數(shù)

4.2 軌側(cè)壓力時(shí)間歷程變化規(guī)律分析

依據(jù)EN標(biāo)準(zhǔn)(BS EN 14067-4)，對(duì)于列車的數(shù)值仿真，應(yīng)監(jiān)測(cè)距離軌道中心線2.5 m且距離軌面高度為0.5，1.5，1.8，2.1，2.4，2.7，3.0，3.3 m的8個(gè)測(cè)點(diǎn)。并應(yīng)評(píng)估距離軌道中心線2.5 m且距離軌面高度為1.5，1.8，2.1，2.4，2.7，3.0 m 6個(gè)評(píng)估測(cè)點(diǎn)的最大壓力峰-峰值。為更好地研究軌側(cè)壓力隨距軌面高度和距軌道中心線距離的變化規(guī)律，本文在評(píng)估測(cè)點(diǎn)基礎(chǔ)上增加橫向和縱向測(cè)點(diǎn)數(shù)量，以更好地分析軌側(cè)壓力空間變化規(guī)律。測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示。

圖8 列車周圍壓力分析測(cè)點(diǎn)示意

圖9 壓力變化曲線(距軌道中心線2.5 m， 距軌面高度1.5 m)

圖9為距軌道中心線2.5 m，距軌面高1.5 m處的壓力變化曲線，橫坐標(biāo)原點(diǎn)表示列車頭部鼻尖點(diǎn)位置。由圖9可以看出4種曲面形式列車引起的軌側(cè)壓力變化均成典型的交會(huì)壓力波曲線，車頭尾部通過(guò)時(shí)軌側(cè)壓力變化較劇烈，頭波先正后負(fù)，尾波先負(fù)后正，整體變化趨勢(shì)一致，由于曲面形式不同，幅值大小上有一定差異?？梢钥闯?，列車頭部前方區(qū)域內(nèi)，列車的高速運(yùn)動(dòng)使鼻尖點(diǎn)處具有較高的滯止壓力，靠近列車鼻尖點(diǎn)處軌側(cè)壓力最大。鼻尖點(diǎn)后，壓力急劇下降，空氣通過(guò)流線形頭部表面，壓力迅速變?yōu)檩^大負(fù)壓。鼻部區(qū)域之后，沿車身方向的軌側(cè)壓力增大，并且頭車部分壓力增加較快，沿車廂增長(zhǎng)較緩慢。車身區(qū)域內(nèi)有兩處較小的壓力波動(dòng)，這是由于風(fēng)擋等裝置使列車連接處出現(xiàn)不連續(xù)所致。列車尾部區(qū)域，軌側(cè)壓力先急劇增加然后降低，其峰-峰值比頭部小。尾部通過(guò)后，尾流引起的軌側(cè)壓力慢慢衰減至初始值。

為更好地分析比較4種不同曲面形式列車通過(guò)時(shí)引起的軌側(cè)壓力變化。選取頭尾部通過(guò)時(shí)的壓力進(jìn)行比較。圖10所示為不同縱剖面形線車頭流線及壓力云圖，可以看出，縱剖面形線較凹時(shí)，氣流從車頭鼻尖點(diǎn)處緩慢向上流動(dòng)；縱剖面較凸時(shí)，氣流從車頭鼻尖點(diǎn)處迅速向車體兩側(cè)流動(dòng)，到達(dá)車身時(shí)，氣流速度增長(zhǎng)較為平緩。圖11所示為不同水平剖面形線車頭流線及壓力云圖，水平剖面形線變化明顯處約在距軌面1.3 m處?？梢钥闯?，水平剖面形線外鼓時(shí)，氣流從車頭鼻尖點(diǎn)處沿水平剖面形線迅速向外側(cè)流動(dòng)，流動(dòng)分離更為明顯；水平剖面形線內(nèi)收時(shí)，氣流沿水平剖面形線緩慢向車體外側(cè)流動(dòng)。圖12所示為4種曲面形式列車頭部通過(guò)時(shí)引起的軌側(cè)壓力變化曲線，由圖12可以看出，鼓寬形列車頭部通過(guò)時(shí)引起的軌側(cè)壓力最大，扁寬形列車引起的軌側(cè)壓力最小，由于列車高速推動(dòng)空氣運(yùn)動(dòng)，軌側(cè)壓力正峰值出現(xiàn)在鼻尖點(diǎn)之前；扁寬形和梭形列車具有較凹的縱剖面形線，流向兩側(cè)的氣流較少，軌側(cè)壓力正峰值和負(fù)峰值出現(xiàn)的位置均較鼓寬形和橢球形列車靠后。圖13所示為4種曲面形式列車尾部通過(guò)時(shí)引起的軌側(cè)壓力變化曲線，由圖13可以看出，尾部通過(guò)時(shí)引起的軌側(cè)壓力峰-峰值小于頭部，由于氣流沿車身方向增長(zhǎng)緩慢，4種曲面形式列車尾部通過(guò)時(shí)引起的軌側(cè)壓力峰值出現(xiàn)位置較為接近。

(a)縱剖面形線較凹

(b)縱剖面形線較凸圖10 不同縱剖面形線車頭流線及壓力云圖

(a)水平剖面形線內(nèi)收

(b)水平剖面形線外鼓圖11 不同水平剖面形線車頭流線及壓力云圖

圖12 頭部通過(guò)時(shí)軌側(cè)壓力變化曲線

圖13 尾部通過(guò)時(shí)軌側(cè)壓力變化曲線

4.3 軌側(cè)壓力變化峰值變化規(guī)律分析

為分析不同曲面形式列車軌側(cè)壓力隨距軌面高度變化的規(guī)律，選取距軌道中心線橫向距離2.5 m，距軌面高度分別為0.2，0.5，1.0，1.5，1.8，2.1，2.4，2.7，3.0，3.3，3.6，4.0 m處的壓力進(jìn)行比較。

圖14為不同曲面形式列車軌側(cè)壓力正峰值隨測(cè)點(diǎn)高度變化曲線，4種曲面形式列車軌側(cè)壓力正峰值均隨距軌面高度的增加而減小，其中鼓寬形頭部列車引起的軌側(cè)壓力最大，梭形引起的軌側(cè)壓力最小。距軌面較低處，列車引起的軌側(cè)壓力同時(shí)受水平剖面線和縱剖面線影響，4種曲面形式列車正峰值相差較大，距軌面0.2 m時(shí)，鼓寬形、橢球形、扁寬形和梭形4種形式列車引起的軌側(cè)壓力變化正峰值分別為397.62，377.12，346.42，328.55 Pa，相同縱剖面形線的鼓寬形、橢球形列車相差5.2%，相同縱剖面形線的扁寬形、梭形列車相差5.2%，4種曲面形式列車最大相差17.4%。隨著測(cè)點(diǎn)距軌面高度的增加，相同縱剖面形線頭部列車引起的軌側(cè)壓力正峰值逐漸接近，距軌面高度3.0 m時(shí)，鼓寬形、橢球形、扁寬形和梭形4種形式列車引起的軌側(cè)壓力變化正峰值分別為279.37，272.49，229.63，227.91 Pa，相同縱剖面形線的鼓寬形、橢球形列車相差2.5%，相同縱剖面形線的扁寬形、梭形列車相差0.7%，可見，相同縱剖面列車引起的距軌面較高測(cè)點(diǎn)的壓力變化差異較小。這是由于距軌面高度1.5 m以上列車頭部水平剖面線變化較小，主要是縱剖面形線的變化(圖10)，軌側(cè)壓力正峰值主要受縱剖面形線影響，依據(jù)縱剖面形線的不同，4種頭部類型可分為兩組，較凸的鼓寬和橢球形、較凹的梭形和扁寬形。從圖中變化趨勢(shì)也可以看出，縱剖面形線對(duì)軌側(cè)壓力變化的影響大于水平剖面，如不同縱剖面形式的鼓寬形和扁寬形列車引起距軌面1.5 m位置測(cè)點(diǎn)壓力變化分別為721.62，545.71 Pa，相差24.4%，而不同水平剖面形式的鼓寬形和橢球形列車引起相同測(cè)點(diǎn)的壓力變化分別為721.62，700.44 Pa，僅相差2.9%。

圖14 距軌面不同高度最大軌側(cè)壓力

圖15為距軌面不同高度處軌側(cè)壓力負(fù)峰值，其中鼓寬形引起的軌側(cè)壓力負(fù)峰值最大，扁寬形引起軌側(cè)壓力負(fù)峰值最小。與軌側(cè)壓力正峰值不同的是，對(duì)于梭形和扁寬形頭部列車，距軌面高度1.5～3.0 m時(shí)，最大軌側(cè)負(fù)壓隨著高度的增加而增大，這是由于氣流從鼻尖點(diǎn)部位開始先迅速增加，之后下降至負(fù)壓，該區(qū)域受正壓影響較大，負(fù)壓影響較小，距軌面高度1.5 m處，軌側(cè)壓力負(fù)峰值相差最大，為34.4%，距軌面高度3.0 m以上時(shí)，縱剖面形線緩慢變化至車身最高處，對(duì)氣流分離作用較小，此時(shí)軌側(cè)壓力負(fù)峰值主要受高度影響，隨著距軌面高度的增加而減小。

圖15 距軌面不同高度最大負(fù)軌側(cè)壓力

圖16所示為4種曲面形式列車距軌面不同高度處的軌側(cè)壓力變化峰-峰值，依據(jù)EN標(biāo)準(zhǔn)，列車頭部通過(guò)時(shí)引起的距軌道中心線橫向距離2.5 m、距軌面高度1.5～3 m區(qū)域的最大壓力峰-峰值不超過(guò)800 Pa。由圖16可以看出，4種曲面形式列車該區(qū)域內(nèi)壓力變化峰-峰值均低于250 km/h時(shí)的壓力變化峰-峰值標(biāo)準(zhǔn)800 Pa。4種曲面形式列車壓力變化峰-峰值均隨高度的增加而減小，鼓寬形最大，扁寬形最小。距軌面高度0.2～1.5 m時(shí)，由鼓寬形和橢球形壓力變化峰-峰值可以看出，軌側(cè)壓力同時(shí)受水平和縱剖面形線影響，最大相差由20%增加至24.4%；距軌面高度1.5～3 m時(shí)，水平剖面形線對(duì)軌側(cè)壓力影響逐漸減小，此時(shí)軌側(cè)壓力主要受縱剖面形線和距軌面高度影響，最大相差由24.4%減小至17.1%。鼓寬形和橢球形頭部引起的軌側(cè)壓力變化明顯高于扁寬形和梭形，這是由于扁寬形和梭形頭部擁有相同且較凹的縱剖面形線，由于縱剖面線分割作用，氣流從鼻尖點(diǎn)處開始緩慢向周圍流動(dòng)所致?？梢钥闯觯^部縱剖面形線較凹的曲面形式列車，能有效減小列車通過(guò)時(shí)引起的軌側(cè)壓力，使列車具有較好的氣動(dòng)性能。

圖16 距軌面不同高度壓力變化峰-峰值

為分析不同曲面形式列車引起的軌側(cè)壓力隨距軌道中心線距離不同時(shí)的變化規(guī)律，選取距軌面高度0.2，1.5，3.0 m，距軌道中心線橫向距離1.7，1.9，2.1，2.5，3.0 m處的壓力進(jìn)行比較。

圖17(a)為4種曲面形式列車，距軌面高度0.2 m，距軌道中心線橫向距離不同時(shí)的軌側(cè)壓力變化峰-峰值，可以看出，4種曲面形式列車引起的壓力變化峰-峰值均隨距軌道中心線橫向距離的增加而減小，鼓寬形最大，梭形最小，距軌面較低處，梭形和扁寬形軌側(cè)壓力較為接近且較小。縱剖面形線較凹時(shí)，水平剖面形線對(duì)軌側(cè)壓力影響較?。豢v剖面形線較凸時(shí)，水平剖面形線較鼓的鼓寬形列車，對(duì)氣流分割使得靠近軌道中心處的軌側(cè)壓力最大。距軌道中心線橫向距離1.7 m處，最大相差20.4%，距軌道中心線3 m處，最大相差19%。該高度處，曲面形式對(duì)距軌道中心線不同距離影響基本相同。

圖17(b)為4種曲面形式列車距軌面高度1.5 m時(shí)不同橫向距離處的軌側(cè)壓力變化峰-峰值，可以看出，仍是縱剖面形線較凸的鼓寬形和橢球形列車軌側(cè)壓力峰-峰值變化較大，距軌面高度1.5 m處靠近列車鼻尖點(diǎn)，盡管水平剖面形線變化明顯，但對(duì)軌側(cè)壓力峰-峰值影響仍然較小。距軌道中心線橫向距離1.7 m處，最大相差31.3%，距軌道中心線3 m處，最大相差20.1%，距軌面高度1.5 m處曲面形式對(duì)距軌道中心線較近處軌側(cè)壓力影響較大。

圖17(c)為4種曲面形式列車距軌面高度3.0 m時(shí)，不同橫向距離處的軌側(cè)壓力變化峰-峰值，由于氣流沿鼻錐上升時(shí)先增加后迅速下降至負(fù)壓，此高度處軌側(cè)壓力負(fù)峰值大于正峰值，由于此處水平剖面形線變化較小，水平剖面線對(duì)此高度處軌側(cè)壓力峰-峰值影響較小，軌側(cè)壓力峰-峰值大小主要取決于縱剖面形線。距軌道中心線1.7 m處，最大相差17.2%，距軌道中心線3.0 m處，最大相差15.2%，相對(duì)于距軌面較低處，距軌面3.0 m時(shí)，軌側(cè)壓力受曲面形式的影響更小。

(a)距軌面高度0.2 m

(b)距軌面高度1.5 m

(c)距軌面高度3.0 m圖17 距軌道中心線不同橫向距離處壓力變化峰-峰值

5 結(jié)論

(1)鼓寬、橢球、扁寬和梭形4種曲面形式列車明線運(yùn)行時(shí)，鼓寬形頭部所受氣動(dòng)阻力和升力最大，其次是橢球形、扁寬形，梭形最小，阻力最大相差7.4%。

(2)4種曲面形式列車頭部通過(guò)時(shí)引起的距軌道中心線橫向距離2.5 m、距軌面高度1.5～3 m區(qū)域的最大壓力峰-峰值均小于EN標(biāo)準(zhǔn)800 Pa。

(3)4種曲面形式列車頭部通過(guò)時(shí)引起的軌側(cè)壓力均隨距軌面高度的增加而減小，隨距軌道中心線橫向距離增加而減小。相同位置處，鼓寬形頭部引起的軌側(cè)壓力最大，扁寬形頭部引起的軌側(cè)壓力最小。距軌面高度1.5 m時(shí)，最大相差24.4%，距軌面高度3.0 m時(shí)，最大相差17.1%。距軌道中心線橫向距離1.7 m時(shí)，最大相差31.3%，距軌道中心線橫向距離3.0 m時(shí)，最大相差20.7%。

(4)變化縱剖面形線對(duì)軌側(cè)壓力影響明顯，縱剖面形越凸時(shí)，引起的軌側(cè)壓力越大。變化水平剖面形線對(duì)軌側(cè)壓力影響較小，改變水平剖面形線時(shí)，引起的軌側(cè)壓力改變較小。