白 夜，楊 俊，李建平，張 超，董孝卿

（1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081；2 北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094；3 華東交通大學，南昌 330013；4 中國鐵路武漢鐵路局有限公司，武漢 430071）

作為高速列車車廂間軟連接的組成部分，風檔的結(jié)構(gòu)與連接方式會改變列車的氣動性能，進而影響高速列車的運行平穩(wěn)性、乘坐舒適性以及經(jīng)濟環(huán)保性［1-4］。目前相關(guān)學者對風擋氣動性能的研究主要集中在氣動減阻降噪方面。梁習鋒等［5］早期通過數(shù)值仿真分別研究了小風擋、大風擋與全封閉風擋對列車氣動阻力的影響。楊加壽等［1］進一步計算了高速條件下7種風擋形式對局部氣動性能的影響。黃志祥等［2］選擇3編組列車模型采用風洞試驗方法研究了半封閉和全封閉外風擋條件下氣動阻力的分布規(guī)律。牛紀強等［6］利用數(shù)值計算方法研究了不同橫風側(cè)向角條件下風擋結(jié)構(gòu)與表面壓力的影響規(guī)律。張業(yè)等［4］從風擋縫寬角度計算了多種風擋形式下列車氣動性能的變化情況。唐明贊等［7］通過數(shù)值模擬研究了不同安裝間距下氣動載荷作用對外風擋結(jié)構(gòu)變形與應力的影響。蓋杰等［8］采用數(shù)值仿真方法分析了3種外風擋結(jié)構(gòu)周圍流場和氣動載荷的變化規(guī)律并與線路試驗結(jié)果進行對比。上述研究基本選擇數(shù)值仿真或風洞試驗作為主要研究方法，少數(shù)研究開展了實車線路試驗，但對試驗方法及試驗結(jié)果的描述分析較少，多用于對數(shù)字仿真與風洞試驗的研究結(jié)果。

文中在多次實車試驗基礎(chǔ)上，從試驗方案和數(shù)據(jù)處理與分析2方面系統(tǒng)梳理了針對高速列車風擋的實車試驗方法，并以某型動車組試驗結(jié)果為例，驗證了該試驗方法的有效性。

1 風擋結(jié)構(gòu)

目前我國高速列車的運營速度一般在200～350 km/h之間，為了控制氣動阻力與噪聲風擋結(jié)構(gòu)采用的是內(nèi)風擋與外風擋相結(jié)合的結(jié)構(gòu)設計［9-10］。內(nèi)風擋主要起到保證車內(nèi)氣密性與隔音降噪的功能，多采用折棚式密接風擋；外風擋則以U型橡膠外風擋為主［11-12］，可以在使車體間近似平滑過渡，如圖1所示。

圖1 復興號動車組折棚式密接內(nèi)風擋及U型橡膠外風擋

2 試驗方案

針對高速列車風擋區(qū)域的空氣動力學問題，采用實車試驗方法開展研究，通常關(guān)注2方面問題，即不同運行速度條件下風擋腔內(nèi)區(qū)域的流場分布情況和內(nèi)外風擋的振動變形情況。其中風擋腔內(nèi)流場分布是研究氣動阻力和氣動噪聲的基礎(chǔ)，亦是文中討論的主要內(nèi)容，下述試驗方案主要針對流場測試。

2.1 試驗方法

實車試驗測試區(qū)域流場常用的試驗方案通常包括空氣流場跟蹤、氣流速度測試和空氣壓力測試3類。針對風擋腔內(nèi)流場，常用試驗方法為微絲示蹤法和表面壓力測試法2種［7-8］，分別介紹如下：

（1）微絲示蹤法

微絲示蹤法是指通過視頻攝像機拍攝跟蹤風擋空腔內(nèi)微絲的運動情況，以判定空腔內(nèi)選定位置的氣流方向、渦旋情況等。由于風擋空腔空間較小，不利于安裝過大的設備干擾流場，同時腔內(nèi)光源較弱、背景顏色復雜，所以需要選擇顏色鮮艷尺寸偏粗的絲線、絲帶等作為介質(zhì)以便于視頻攝像機直接觀察。雖然微絲示蹤法相對直接、便捷，但是也存在較大的局限性。一方面，微絲示蹤法更適合于低速流動、定常流動，且只能通過絲線的轉(zhuǎn)動、抖動或者翻轉(zhuǎn)給出定性結(jié)果。另一方面，測試需要的裝置都要放置在風擋空腔內(nèi)。選取的絲線為了保證可視性通常較粗，將對氣流產(chǎn)生干擾；置于腔內(nèi)的攝相機及其固定工裝不僅體積大，還位于進出風口位置，也會干擾流場。上述干擾都會影響微絲示蹤法試驗結(jié)果的真實性。

（2）表面壓力測試法

表面壓力測試法是指在內(nèi)外風擋及空腔壁面上安裝絕壓傳感器或差壓傳感器，測試固體表面壓力脈動情況的方法。表面壓力測試系統(tǒng)需要將呈扁平薄片狀的壓力傳感器置于風擋腔內(nèi)外表面上，通過連接線與車內(nèi)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接進行測試。這種方法的優(yōu)勢在于傳感器及其連接線體積都比較小，用膠帶覆蓋于固體表面后基本保持了固體表面的平滑性，對流場的干擾較小。表面壓力測試法得到的測試結(jié)果是定量的，且傳感器不同精度和靈敏度都較高，相對微絲示蹤法可以更好地反映真實流場。但該方法同樣存在局限性，一方面由于傳感器需要安裝在固體表面，所以只能獲得固體表面壓力變化情況；另一方面為了避免干擾流場測點布置不宜過多，因此測試所得結(jié)果是屬于孤立離散點的。

流場中還可以通過各式風速儀測量定點位置的風速，常用的測試方法可分為接觸式測量和非接觸式測量2種。前者可通過機械式/熱線風速儀、測壓管進行測試，后者則需要激光多普勒測速儀或粒子測速儀實現(xiàn)。機械式風速儀及測壓管都不適合風擋腔內(nèi)非定常流動；熱線風速儀雖然靈敏度方面可以滿足要求，但在實際應用中面臨測點位置困難與設備安裝對流場干擾大的問題；非接觸測量方法則對設備安裝提出極高要求，雖然在模型試驗中大量使用，但尚無研究單位在實車上開展測試。

除了上述測試流場的方法外，實車線路試驗過程中還需要對車輛運行速度進行實時測試，同時標定車輛的運行里程并根據(jù)線路文件判斷列車所處線路條件，便于后期數(shù)據(jù)整理分析。數(shù)值仿真與風洞模型試驗不同的是，實車線路試驗中車速并不是均勻恒定的，受到車輛牽引性能和線路條件（如道岔、曲線、坡道、分相區(qū)等）所限，列車運行速度會出現(xiàn)一定幅度的波動，對風擋區(qū)域空氣動力學現(xiàn)象產(chǎn)生影響。這種影響雖然并不固定，但對于列車運行過程是真實的，也應予以考量。目前常用的測速方法以安裝速度傳感器和通過GPS測速為主，前者測量精度更佳。

2.2 方案示例

文中以某型8編動車組的風擋腔內(nèi)流場試驗為例，給出定量試驗方案。該動車組的內(nèi)外風擋分別為折棚式密接風擋和U型橡膠外風擋，兩側(cè)膠囊在安裝時施加了預壓縮以保持外風擋的剛度和穩(wěn)定性；減振器處存在300 mm高的開口，同時風擋肩部R800 mm處開缺口，如圖2所示。

圖2 某型動車組外風擋底部底部及肩部開口實物圖

示例試驗采用表面壓力測試法開展測試。選用其工作原理為壓阻式和惠斯通電橋原理的絕壓傳感器，采樣頻率最高可達60 kHz，同時速度傳感器采集列車運行速度信息。

壓力測點布置在風擋腔內(nèi)車體中部高度處，車外也分別在外風擋及車廂中部車外相同高度處布置測點，如圖3所示。由于試驗僅作為示例，測點布置較少，實際試驗應補充更多部位測點，以追蹤流動變化情況。

圖3 風擋腔內(nèi)外測點布置示意圖

3 試驗數(shù)據(jù)處理與分析

在實車試驗過程中，由于運行線路往往較長，區(qū)域跨度大，且受到地勢所限，線路沿線的海拔差異較大。一方面，海平面至同溫層之間氣溫、空氣密度和氣壓都隨海拔升高存在明顯的降低趨勢；另一方面氣壓存在幅值在100～400 Pa之間的日變化，也與風及天氣相關(guān)。所以線路沿線各處的當?shù)貧鈮捍嬖谳^大差異，在處理絕對壓力數(shù)據(jù)時需要盡量排除這些因素。

3.1 數(shù)據(jù)的處理方法

為了盡量降低線路沿線各處絕對壓力變化對測試結(jié)果的影響，選擇計算風擋腔內(nèi)外壓差可以有效抵消局部壓力的差異。在處理數(shù)據(jù)過程中，選取外風擋外表面一固定測點壓力值作為車外氣壓基準，分別計算風擋腔內(nèi)各測點與該測點壓力的壓差值，通過壓差的變化趨勢研究車速對風擋內(nèi)壓力的具體影響。

需要注意的是，外風擋外表面與兩側(cè)車廂間并不是完全平滑的，且U型膠囊的“直線”區(qū)域由于預緊力作用也存在一定的弧度，所以風擋外測點位置的選取會顯著影響到壓差變化幅值，應額外選取車廂中部位置的車外測點對比得到風擋外表面壓力情況。

3.1.1 速度及線路參數(shù)

在實車線路試驗過程中，要考慮行車方向?qū)︼L擋腔內(nèi)流場的影響，由于車速會根據(jù)線路條件發(fā)生波動，在處理數(shù)據(jù)時應根據(jù)列車運行的實際速度進行篩選分類。對于高速列車風擋腔內(nèi)流場，還需區(qū)分曲線與直線路段。這是因為車體兩側(cè)風擋在曲線區(qū)段會分別出現(xiàn)擠壓和拉伸，改變風擋腔整體結(jié)構(gòu)，應將風擋狀態(tài)按直線、不同半徑的曲線內(nèi)側(cè)及不同半徑的曲線外側(cè)加以劃分。明線/隧道以及單車通過/交會也是需要加以區(qū)分的。

劃分過程如圖4所示，經(jīng)過分類后的數(shù)據(jù)是分散在整個試驗過程中的多個小區(qū)段。綜合考慮風擋空腔內(nèi)流場湍流度情況及列車線路條件，每個區(qū)段按1 min劃分采樣，得到多組試驗數(shù)據(jù)。

圖4 試驗數(shù)據(jù)劃分示意圖

3.1.2 統(tǒng)計分析

對于每一組試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析可以得到風擋腔內(nèi)各測點在特定速度級、線路條件下與風擋外測點的壓差平均值和絕壓方差，同時可以計算風擋外測點與車體外測點的差值統(tǒng)計量。選取8車在前時明線直線段部分測點，計算結(jié)果見表1。

表1 動車組8車在前時明線直線段部分測點計算結(jié)果

3.1.3 頻譜分析

經(jīng)過分段后的壓力信號在廣義上是相對平穩(wěn)的，所以可以通過功率譜密度加以分析。功率譜密度是指波的功率頻譜密度乘以一個適當?shù)南禂?shù)后將得到每單位頻率波攜帶的功率。

當動車組8車在前且在明線直線段以速度385 km/h運行時，選取測點4的絕壓測試結(jié)果計算其功率譜密度如圖5所示。文中作為示例選取的是周期法進行功率譜密度計算，進一步的研究可嘗試其他計算方法。

圖5 動車組8車在前且在明線直線段以速度385 km/h運行時測點4功率譜密度

3.2 試驗數(shù)據(jù)的分析

針對處理后的數(shù)據(jù)可以分別分析壓力、湍流度和振動等流動相關(guān)參數(shù)。

3.2.1 壓力

統(tǒng)計分析中獲得的壓差均值可用于衡量壓力幅值，由表1可知，風擋腔內(nèi)3個測點的壓力值與風擋外相比呈負壓，說明風擋宏觀上受到吸力作用。隨著動車組運行速度增加，各測點的負壓絕對值基本呈現(xiàn)增大趨勢。位于車體上的測點2的負壓值隨速度增長降低明顯，而內(nèi)風擋上測點4則變化相對平緩，這反映了車體壁面整體光滑與內(nèi)風擋褶皺對風擋腔內(nèi)流場的不同影響。

3.2.2 湍流度

風擋腔內(nèi)壁面處的湍流脈動壓力是氣動噪聲的研究內(nèi)容之一，統(tǒng)計分析中獲得的方差可以用于衡量壓力脈動程度。分析表1中數(shù)據(jù)可知，風擋腔內(nèi)處于外風擋上的測點1和車體上的測點2方差值明顯大于內(nèi)風擋上測點4的方差值，說明內(nèi)風擋的褶皺在一定程度上對風擋腔內(nèi)流場起到了緩沖作用，降低了湍流度。

3.2.3 振動

由于風擋腔內(nèi)固體表面的壓力脈動可以在一定程度上反映固體本身的振動情況，應對壓力信號進行振動分析。采用功率譜密度作為概率統(tǒng)計方法可以有效分析該隨機振動。圖5的功率譜密度結(jié)果，就反映了測點4所在的內(nèi)風擋處在速度385 km/h下發(fā)生了0.5、37.1、42.4 Hz的振動，這與內(nèi)風擋振動測試得出的結(jié)果是一致的。

4 結(jié)論

文中針對高速列車內(nèi)外風擋間空腔內(nèi)的流動，圍繞實車試驗方法展開討論。受到實車試驗設備所限，現(xiàn)階段的測試主要通過2種方法：（1）定性測試：采用絲線、絲帶追蹤腔內(nèi)某點的運動情況并用攝像機跟蹤拍攝；（2）定量測試：采用絕壓或差壓傳感器測試風擋及空腔表面壓力變化。文中主要探討了采用壓力（壓差）傳感器測試流場時的試驗方案與試驗數(shù)據(jù)處理分析方法，并以某型動車組為例，給出了分析處理后風擋內(nèi)各測點的壓力、湍流度及振動的變化趨勢。

由于風擋內(nèi)結(jié)構(gòu)的復雜性，采用數(shù)值計算對相關(guān)流場的分析存在一定的局限性，特別是內(nèi)部小結(jié)構(gòu)將對風擋內(nèi)湍流發(fā)展的影響、各處結(jié)構(gòu)對高速列車運行總阻力的疊加作用等。實車試驗相比數(shù)值計算更能反映風擋的實際運行狀態(tài)，但缺陷在于試驗過程中設備也會對流場產(chǎn)生干擾，且測試手段存在較大局限性，無法獲得較為全面的流場信息。進一步的研究可以將實車試驗方法擴展至非接觸式流場測量手段，比如粒子測速儀（PIV）等設備對空腔內(nèi)流場開展試驗，獲得更多的原始流場信息，為相關(guān)研究提供更為全面的數(shù)據(jù)支撐。