丁叁叁，劉加利，陳大偉

中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，青島 266111

0 引言

中國(guó)軌道交通歷經(jīng)幾代技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展，取得了令世界矚目的成就[1-2]。然而，輪軌系統(tǒng)的黏著極大地限制了軌道交通進(jìn)一步高速化，磁浮技術(shù)在軌道交通上的應(yīng)用便應(yīng)運(yùn)而生。在眾多新型軌道交通中，磁浮列車具有高速快捷、選線靈活、安全可靠等突出優(yōu)點(diǎn)?！笆濉敝痢笆濉逼陂g，科技部將磁浮交通系統(tǒng)作為先進(jìn)軌道交通技術(shù)列入重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃。發(fā)展高速磁浮交通，不僅具有填補(bǔ)高速列車與飛機(jī)之間速度空白、提升出行效率與便捷性、豐富中國(guó)交通譜系的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)也有助于建立一個(gè)國(guó)際領(lǐng)先的磁浮工業(yè)體系，搶占國(guó)際軌道交通技術(shù)戰(zhàn)略高地?！笆濉逼陂g，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“先進(jìn)軌道交通”重點(diǎn)專項(xiàng)中設(shè)立了“高速磁浮交通系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)”研究課題，研發(fā)600km/h高速磁浮交通系統(tǒng)，旨在攻克高速磁浮系統(tǒng)核心技術(shù)，研制高速磁浮系統(tǒng)工程化樣機(jī)，建立完善的高速磁浮系統(tǒng)研發(fā)、制造和試驗(yàn)平臺(tái)，形成自主研發(fā)創(chuàng)新能力[3]。

與高速列車相比，高速磁浮列車運(yùn)行速度顯著提升至600 km/h，空氣動(dòng)力學(xué)性能急劇惡化，引起了研究者的廣泛關(guān)注[4-6]。孟石等[7]研究了軌道間隙對(duì)磁浮列車氣動(dòng)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著軌道間隙的增大，頭車氣動(dòng)升力減小，尾車氣動(dòng)升力增大。丁叁叁等[8]研究了高速磁浮列車氣動(dòng)升力分布規(guī)律，提出一種通過控制氣隙空間空氣流量來控制氣動(dòng)升力的方法。姚拴寶等[9]以整車氣動(dòng)阻力和尾車氣動(dòng)升力為優(yōu)化目標(biāo)，開展了高速磁浮列車頭型多目標(biāo)氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。Zhou 等[10]研究了高速磁浮列車的流場(chǎng)特性，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度渦流主要分布于裙板與軌道以及軌道與車底之間的狹小空間，伴隨著渦流的分裂及衍生，尾流具有復(fù)雜而隨機(jī)的頻域分布特性。吳雨薇等[11]研究了高速磁浮列車氣動(dòng)噪聲特性，發(fā)現(xiàn)尾車流線型區(qū)域及尾流區(qū)是最主要的噪聲源區(qū)，列車運(yùn)行時(shí)的四極子噪聲不容忽視。楊永剛等[12]研究了高速磁浮列車明線交會(huì)橫向氣動(dòng)性能，發(fā)現(xiàn)頭車橫向氣動(dòng)性能最為惡劣，側(cè)向力峰值與車速的平方近似呈線性關(guān)系。以上研究工作主要針對(duì)特定的高速磁浮列車空氣動(dòng)力學(xué)問題開展，而高速磁浮列車氣動(dòng)設(shè)計(jì)是復(fù)雜的多目標(biāo)循環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要從系統(tǒng)的角度建立高速磁浮列車氣動(dòng)設(shè)計(jì)解決方案，使高速磁浮列車綜合氣動(dòng)性能達(dá)到最優(yōu)。

本文將探討高速磁浮列車氣動(dòng)設(shè)計(jì)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，提出高速磁浮列車氣動(dòng)設(shè)計(jì)解決方案，并介紹我國(guó)600km/h高速磁浮列車氣動(dòng)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)而展望高速磁浮列車空氣動(dòng)力學(xué)未來的研究方向。

1 氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)挑戰(zhàn)

1.1 高速磁浮氣動(dòng)特征

高速磁浮列車運(yùn)行速度為600 km/h，馬赫數(shù)達(dá)到0.49，空氣壓縮效應(yīng)已不可忽略，氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)升力、壓力波及噪聲等急劇上升，加之運(yùn)行環(huán)境（車–軌間隙、兩側(cè)節(jié)流）的變化，高速磁浮列車氣動(dòng)設(shè)計(jì)面臨巨大挑戰(zhàn)，并呈現(xiàn)出與高速輪軌列車不同的流固耦合特征，如圖1所示。

圖1 高速磁浮系統(tǒng)流固耦合Fig.1 Fluid-structure coupling of high-speed maglev system

與高速輪軌列車相比，高速磁浮列車的氣動(dòng)特征主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

1）高速耦合：在速度600km/h的強(qiáng)流固耦合狀態(tài)下，氣流滲入到車體–車體、車體–懸浮架、懸浮架–軌道、車–線及沿線設(shè)施的復(fù)雜作用關(guān)系中，多維力、力矩及沖擊對(duì)大系統(tǒng)的強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)及噪聲耦合產(chǎn)生顯著影響，確定氣動(dòng)設(shè)計(jì)邊界至關(guān)重要。

2）抱軌運(yùn)行：高速磁浮列車的車–軌間隙很小，在列車與軌道梁的強(qiáng)耦合作用下，車下氣流呈現(xiàn)出非常復(fù)雜的湍流特征及變化規(guī)律，地面效應(yīng)更為惡劣，具有持續(xù)性與非周期性特點(diǎn)，且隨著列車速度的提高，氣動(dòng)載荷變化幅值加大，氣動(dòng)載荷的脈動(dòng)控制影響列車的懸浮及振動(dòng)舒適度。

圖2 為高速磁浮列車的氣動(dòng)升力分布曲線?？梢钥闯觯菏苘嚚C軌間隙流場(chǎng)及車底滑橇結(jié)構(gòu)的影響，高速磁浮列車氣動(dòng)升力為正值，且呈波浪形分布；頭車與尾車的氣動(dòng)升力分布基本一致，且波動(dòng)幅度明顯大于中間車；頭車流線型區(qū)域的壓力變化最為劇烈，導(dǎo)致頭車的氣動(dòng)升力波動(dòng)幅度最大；從頭車等截面車廂位置直至尾車的流線型區(qū)域，氣動(dòng)升力均值逐漸減小，其后氣動(dòng)升力再次增大。

圖2 高速磁浮列車氣動(dòng)升力分布Fig.2 Aerodynamic lift force distribution of the high-speed maglev train

1.2 高速磁浮空氣動(dòng)力學(xué)問題

在各線路條件下，系統(tǒng)研究高速磁浮列車表面流場(chǎng)特性及其衍生的各種氣動(dòng)現(xiàn)象，以及橫風(fēng)、交會(huì)、隧道、軌道及沿線設(shè)施的影響，厘清高速磁浮系統(tǒng)面臨的空氣動(dòng)力學(xué)問題。

1）氣動(dòng)阻力

氣動(dòng)阻力與列車速度近似呈2 次方關(guān)系，速度提升，列車氣動(dòng)阻力急劇上升。當(dāng)高速磁浮列車速度達(dá)到600km/h時(shí)，氣動(dòng)阻力近似倍增，達(dá)到總阻力的90%以上。受隧道及來車影響，高速磁浮列車隧道通過及隧道交會(huì)的氣動(dòng)阻力顯著大于明線運(yùn)行。為實(shí)現(xiàn)600km/h速度目標(biāo)，同時(shí)降低高速磁浮列車運(yùn)行能耗，氣動(dòng)減阻設(shè)計(jì)是最主要的技術(shù)手段。因此，需要深入研究高速磁浮列車的氣動(dòng)阻力特征，并作為其牽引設(shè)計(jì)的輸入。

2）氣動(dòng)升力

與高速輪軌列車不同，高速磁浮列車抱軌運(yùn)行，車–軌間隙很小，底部?jī)蓚?cè)節(jié)流，高速氣流形成壓力管道，存在壓縮現(xiàn)象，產(chǎn)生喉管效應(yīng)，導(dǎo)致氣動(dòng)升力顯著增大。氣動(dòng)升力也與列車速度近似呈2 次方關(guān)系，600km/h下的氣動(dòng)升力也近似倍增（約占空車車重的40%）且波動(dòng)顯著。此外，高速磁浮列車隧道通過的氣動(dòng)升力也顯著大于明線運(yùn)行。氣動(dòng)升力影響著高速磁浮列車的懸浮導(dǎo)向控制，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致觸軌。因此，需要深入研究高速磁浮列車的氣動(dòng)升力特征，控制氣動(dòng)升力波動(dòng)，提升高速磁浮列車的運(yùn)行穩(wěn)定性。

3）大風(fēng)氣動(dòng)性能

在強(qiáng)橫風(fēng)環(huán)境下，磁浮列車高速運(yùn)行產(chǎn)生的列車風(fēng)和環(huán)境風(fēng)相迭加，導(dǎo)致側(cè)向力和側(cè)滾力矩迅速增大，列車橫向氣動(dòng)性能迅速惡化，同時(shí)氣動(dòng)升力也迅速增大，進(jìn)而導(dǎo)致列車運(yùn)行穩(wěn)定性降低，影響運(yùn)行安全。為提升高速磁浮列車在大風(fēng)下的運(yùn)行安全性能，需要開展氣動(dòng)–動(dòng)力學(xué)協(xié)同設(shè)計(jì)：一方面，開展氣動(dòng)設(shè)計(jì)，特別是車體斷面設(shè)計(jì)和流線型頭型設(shè)計(jì)，提升高速磁浮列車的大風(fēng)氣動(dòng)性能；另一方面，開展動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，優(yōu)化懸浮導(dǎo)向參數(shù)及車體側(cè)滾剛度，確保大風(fēng)下的運(yùn)行穩(wěn)定性，防止發(fā)生觸軌。

4）隧道氣動(dòng)性能

高速磁浮列車隧道氣動(dòng)性能與列車速度密切相關(guān)。當(dāng)列車速度達(dá)到600km/h時(shí)，隧道壓力波、微氣壓波激增，高速磁浮列車隧道通過壓力波可達(dá)10 kPa，隧道交會(huì)壓力波更可高達(dá)20 kPa，對(duì)高速磁浮列車的車體氣密強(qiáng)度設(shè)計(jì)提出了巨大挑戰(zhàn)。隧道微氣壓波激增，導(dǎo)致爆破音，產(chǎn)生環(huán)境污染，需要對(duì)流線型頭型及隧道入口緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以降低隧道微氣壓波。

5）氣動(dòng)噪聲

氣動(dòng)噪聲能量與列車速度近似呈6～8 次方關(guān)系。當(dāng)高速磁浮列車速度達(dá)到600km/h時(shí)，氣動(dòng)噪聲迅速增大，列車表面聲源強(qiáng)度達(dá)到140 dB，較350 km/h 高速列車增大約15 dB，氣動(dòng)噪聲問題突出。因此，需要從“聲源–傳遞–衰減”出發(fā)開展降噪設(shè)計(jì)，優(yōu)化流線型頭型、車端風(fēng)擋和懸浮導(dǎo)向系統(tǒng)等，并對(duì)列車外表面進(jìn)行平順化處理。

綜上所述，由于運(yùn)行速度提升，高速磁浮列車氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)升力、大風(fēng)氣動(dòng)性能、隧道氣動(dòng)性能和氣動(dòng)噪聲等迅速惡化，氣動(dòng)設(shè)計(jì)面臨諸多技術(shù)難題，需要深入研究氣動(dòng)方案、仿真優(yōu)化、試驗(yàn)驗(yàn)證及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等各個(gè)環(huán)節(jié)，綜合優(yōu)化氣動(dòng)性能，獲得600 km/h高速磁浮列車氣動(dòng)設(shè)計(jì)方案。

2 氣動(dòng)設(shè)計(jì)解決方案

2.1 氣動(dòng)設(shè)計(jì)策略

高速磁浮列車氣動(dòng)設(shè)計(jì)是復(fù)雜的多目標(biāo)循環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)，富于創(chuàng)新與挑戰(zhàn)。氣動(dòng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在外形與空間結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)、各種性能參數(shù)的匹配以及多種研究手段的平衡等方面：

1）外形與空間結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)：需要處理好車體外形設(shè)計(jì)與空間結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)性能與外部尺寸的矛盾，通過合理的斷面選取和氣動(dòng)設(shè)計(jì)，協(xié)調(diào)氣動(dòng)性能與室內(nèi)空間。

2）各種性能參數(shù)的匹配：需要解決氣動(dòng)性能與其他性能以及氣動(dòng)性能各參數(shù)之間的匹配問題，單一強(qiáng)調(diào)某項(xiàng)性能會(huì)導(dǎo)向偏頗的造型路線，為此需要確定主要矛盾并加以平衡解決。

3）多種研究手段的平衡：高速磁浮列車設(shè)計(jì)速度達(dá)到600 km/h，無現(xiàn)成的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可資借鑒，需全面實(shí)踐創(chuàng)新。采取單一研究手段，或代價(jià)巨大、周期漫長(zhǎng)，或精準(zhǔn)不足、難以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。因此，需多種手段并舉，綜合利用數(shù)值仿真、風(fēng)洞試驗(yàn)和動(dòng)模型試驗(yàn)等的研究成果，以最快速度達(dá)成目標(biāo)。

高速磁浮列車的空氣動(dòng)力學(xué)性能涉及多個(gè)方面，需要解決各空氣動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)與氣動(dòng)設(shè)計(jì)要素之間的匹配問題，還需考慮空間結(jié)構(gòu)對(duì)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的限制，同時(shí)兼顧民族文化傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。高速磁浮列車氣動(dòng)設(shè)計(jì)原則、性能指標(biāo)和設(shè)計(jì)要素之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 高速磁浮列車氣動(dòng)設(shè)計(jì)原則、性能指標(biāo)和設(shè)計(jì)要素的相關(guān)性Fig.3 Correlation of design principles,performance indicators and design elements

高速磁浮列車的頂層氣動(dòng)設(shè)計(jì)原則包括安全性能、舒適性能、環(huán)保性能和經(jīng)濟(jì)性能；氣動(dòng)性能指標(biāo)主要包括表面壓力、氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)升力、交會(huì)壓力波、氣動(dòng)噪聲、列車風(fēng)、橫風(fēng)氣動(dòng)性能、隧道耦合特性和微氣壓波等；氣動(dòng)設(shè)計(jì)要素主要包括車體斷面形狀、車體斷面面積、長(zhǎng)細(xì)比、截面積變化率、縱斷面形狀、水平斷面形狀、導(dǎo)流型式、駕駛艙傾角和表面平順及控制等。氣動(dòng)性能指標(biāo)與氣動(dòng)設(shè)計(jì)要素之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，且不同氣動(dòng)性能指標(biāo)之間可能存在矛盾，高速磁浮列車氣動(dòng)設(shè)計(jì)難度非常大。高速磁浮列車的氣動(dòng)設(shè)計(jì)要素及其對(duì)氣動(dòng)性能的影響如圖4所示。各種設(shè)計(jì)要素對(duì)氣動(dòng)性能的影響特征構(gòu)成了高速磁浮列車外觀設(shè)計(jì)的技術(shù)約束條件。高速磁浮列車氣動(dòng)設(shè)計(jì)策略是在各種約束條件下，根據(jù)頂層指標(biāo)要求，系統(tǒng)分析氣動(dòng)性能指標(biāo)與氣動(dòng)設(shè)計(jì)要素的相關(guān)性，遵循設(shè)計(jì)目標(biāo)最優(yōu)化的原則，采用數(shù)值仿真、風(fēng)洞試驗(yàn)和動(dòng)模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，從流線型頭型設(shè)計(jì)、表面平順化設(shè)計(jì)及流動(dòng)控制技術(shù)等方面，提升高速磁浮列車的綜合氣動(dòng)性能。

圖4 高速磁浮列車氣動(dòng)設(shè)計(jì)要素及其對(duì)氣動(dòng)性能的影響[13]Fig.4 Aerodynamic design elements and their influence on the aerodynamic performance[13]

2.2 氣動(dòng)優(yōu)化措施

為探索600km/h高速磁浮列車氣動(dòng)設(shè)計(jì)方案，對(duì)各氣動(dòng)設(shè)計(jì)要素進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化分析，以期發(fā)現(xiàn)各設(shè)計(jì)要素對(duì)氣動(dòng)性能的影響規(guī)律，提出高速磁浮列車氣動(dòng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方向。

1）車體斷面形狀

車體斷面主要影響列車橫向氣動(dòng)性能及交會(huì)壓力波。車體斷面形狀主要有兩種：鼓形和直壁形。與直壁形斷面相比，鼓形斷面更有利于改善列車橫向氣動(dòng)性能并減小交會(huì)壓力波。分析表明，側(cè)頂圓弧半徑由600 mm 增大至1 000 mm 時(shí)，頭車側(cè)向力減小12.28%，頭車傾覆力矩減小9.41%。

2）長(zhǎng)細(xì)比

增大長(zhǎng)細(xì)比幾乎能夠改善高速磁浮列車所有的氣動(dòng)性能。流線型頭型長(zhǎng)度由5.1 m 增至16 m 時(shí)，氣動(dòng)阻力減小23.2%，微氣壓波減小26%。但是，隨著長(zhǎng)細(xì)比增大，其改善氣動(dòng)性能的作用逐漸減小。另外，增大長(zhǎng)細(xì)比還受到駕駛室空間及駕駛視野、頭車乘客定員及制造成本等因素的限制，流線型頭型不能無限加長(zhǎng)。

3）截面積變化率

截面積呈線性變化，有利于降低壓力梯度、減小隧道微氣壓波?？刹扇〗孛娣e分段變化的方法，使每一段的截面積都呈線性變化，從而使列車高速運(yùn)行時(shí)，前區(qū)為高壓區(qū)，后區(qū)為低壓區(qū)，有效減小隧道微氣壓波。

4）斷面輪廓

縱斷面控制線和水平斷面控制線兩者相互關(guān)聯(lián)、相互影響，是長(zhǎng)細(xì)比、截面積變化率等設(shè)計(jì)要素在頭型造型上的具體反映，共同決定了頭型的具體形狀?？v向和水平型線的設(shè)計(jì)決定了分流比例和逆壓梯度，需結(jié)合操控性能進(jìn)行優(yōu)化。扁寬頭型上下分流，可減小壓力波3.1%；磁浮列車前窗無需過多考慮駕駛視野要求，采用橢球型設(shè)計(jì)可降低氣動(dòng)阻力4.8%—兩者融合兼顧，綜合氣動(dòng)性能優(yōu)良。

5）導(dǎo)流型式

鼻錐設(shè)計(jì)對(duì)列車流場(chǎng)分布有著重要影響，其形狀、駐點(diǎn)高度以及與車端排障裝置形成的導(dǎo)流槽，直接決定了迎風(fēng)面來流的分流形式。優(yōu)化鼻錐型式和分流設(shè)計(jì)，交會(huì)壓力和頭車氣動(dòng)升力可分別降低3.8%和7.3%，提升列車氣動(dòng)性能。

6）表面平順化

開展高速磁浮列車車端連接、車頂天線、車底滑橇等區(qū)域的平順化設(shè)計(jì)，氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)噪聲分別降低3.7%和1.5%。

7）流動(dòng)控制

開展車–軌間隙流動(dòng)控制，可以顯著降低高速磁浮列車的氣動(dòng)升力。圖5 為車底導(dǎo)流裝置的外形及安裝示意圖。以列車底面為水平線，當(dāng)導(dǎo)流裝置產(chǎn)生向下的傾角α，車–軌間隙空氣流量減?。划?dāng)導(dǎo)流裝置產(chǎn)生向上的傾角β，車–軌間隙空氣流量增大。研究發(fā)現(xiàn)：與無流動(dòng)控制的結(jié)果相比，采用控制技術(shù)后，整車氣動(dòng)阻力系數(shù)基本不變，但氣動(dòng)升力系數(shù)顯著減小，頭車氣動(dòng)升力降低34%，尾車氣動(dòng)升力降低9%。此外，其他流動(dòng)控制措施（如渦流發(fā)生器、局部吹吸氣和沖壓進(jìn)氣等）也對(duì)磁浮列車氣動(dòng)性能有一定影響，目前正在開展深入研究。

圖5 車底導(dǎo)流裝置外形及安裝示意圖Fig.5 Shape and installation diagram of diversion device

2.3 氣動(dòng)設(shè)計(jì)流程

高速磁浮列車氣動(dòng)設(shè)計(jì)流程如圖6所示，主要包括概念設(shè)計(jì)、初步方案、方案初選、氣動(dòng)分析、方案比選、技術(shù)設(shè)計(jì)、方案審察、施工設(shè)計(jì)、樣車試制、樣車試驗(yàn)、樣車改進(jìn)等流程。初步方案階段采用數(shù)值仿真方法，而氣動(dòng)分析階段則綜合采用數(shù)值仿真、風(fēng)洞試驗(yàn)和動(dòng)模型試驗(yàn)方法，系統(tǒng)評(píng)估不同氣動(dòng)設(shè)計(jì)方案的綜合空氣動(dòng)力學(xué)性能，以確定最優(yōu)方案。

圖6 氣動(dòng)設(shè)計(jì)流程Fig.6 Aerodynamic design process

3 氣動(dòng)設(shè)計(jì)方案

通過開展高速磁浮列車氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定高速磁浮列車氣動(dòng)設(shè)計(jì)方案，主要包括車體斷面輪廓方案、流線型頭型方案及表面平順化方案等。

在原型車限界基礎(chǔ)上，開展高速磁浮列車車體斷面輪廓優(yōu)化：優(yōu)化側(cè)頂圓弧，提升氣動(dòng)性能；優(yōu)化斷面高度，增大地板隔聲空間。高速磁浮列車的車體斷面寬度為3 700 mm，高度為4 198 mm，斷面面積為11.95 m2。利用數(shù)值仿真、風(fēng)洞試驗(yàn)和動(dòng)模型試驗(yàn)方法，對(duì)不同流線型頭型設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比選和驗(yàn)證，確定最優(yōu)頭型方案。高速磁浮列車流線型頭型設(shè)計(jì)方案如圖7所示。流線型頭型長(zhǎng)度為16 m，頭型長(zhǎng)細(xì)比為4.1，整體呈單拱橢球型造型，鼻錐兩翼設(shè)置導(dǎo)流槽，截面積變化率采用兩段線性設(shè)計(jì)。

圖7 高速磁浮列車流線型頭型Fig.7 Streamlined head of the high-speed maglev train

對(duì)車端連接、車門車窗、車頂天線、滑橇及車端下側(cè)等部位進(jìn)行流線化和平順化處理，降低高速磁浮列車氣動(dòng)阻力及氣動(dòng)噪聲，如圖8所示。與原型車相比，600km/h高速磁浮列車空氣動(dòng)力學(xué)性能顯著提升：氣動(dòng)阻力降低17%，氣動(dòng)升力降低21%，氣動(dòng)噪聲降低3 dB（A），交會(huì)壓力波降低5%，微氣壓波降低7%。

圖8 表面平順化方案Fig.8 Surface smoothing scheme

4 氣動(dòng)研究展望

作為銜接高速列車與飛機(jī)之間的地面交通工具，高速磁浮列車的設(shè)計(jì)速度越來越高。上海磁浮線最高運(yùn)營(yíng)速度為430 km/h，中國(guó)高速磁浮列車的設(shè)計(jì)時(shí)速則達(dá)到了600 km/h。在高速運(yùn)行條件下，氣動(dòng)問題成為制約高速磁浮列車發(fā)展的關(guān)鍵問題，亟待深入開展以下研究：

1）超高速條件下高速磁浮列車空氣動(dòng)力學(xué)研究

研究超高速條件下的高速磁浮列車流場(chǎng)特性，探明車–軌間隙流場(chǎng)特性，研究高速磁浮列車氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)升力、大風(fēng)氣動(dòng)載荷、氣動(dòng)噪聲、明線交會(huì)壓力波、隧道壓力波、隧道微氣壓波等性能的變化規(guī)律，持續(xù)優(yōu)化高速磁浮列車氣動(dòng)設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合數(shù)值仿真、風(fēng)洞試驗(yàn)和動(dòng)模型試驗(yàn)方法進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證，形成空氣動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)化的高速磁浮列車氣動(dòng)設(shè)計(jì)方案。

2）高速磁浮列車氣動(dòng)升力控制技術(shù)研究

高速磁浮列車特殊的抱軌運(yùn)行方式導(dǎo)致車體與軌道梁之間存在相對(duì)尺度很小的氣隙流場(chǎng)，兩側(cè)設(shè)備艙限制了車–軌間隙內(nèi)的空氣流動(dòng)，使氣動(dòng)升力激增，呈現(xiàn)出與高速輪軌列車不同的氣動(dòng)特征。當(dāng)列車運(yùn)行速度達(dá)到600km/h時(shí)，氣動(dòng)升力急速增大，對(duì)列車懸浮控制產(chǎn)生十分不利的影響。氣動(dòng)升力控制是高速磁浮列車空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，需針對(duì)車–軌間隙流場(chǎng)開展導(dǎo)流、吹吸氣等形式的被動(dòng)/主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)研究，結(jié)合數(shù)值仿真、風(fēng)洞試驗(yàn)和動(dòng)模型試驗(yàn)方法進(jìn)行技術(shù)方案驗(yàn)證，提出工程化應(yīng)用方案，以大幅降低高速磁浮列車氣動(dòng)升力。

3）高速磁浮列車大風(fēng)氣動(dòng)載荷控制技術(shù)研究

在強(qiáng)側(cè)風(fēng)環(huán)境下，高速磁浮列車的空氣動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)一步惡化，側(cè)向力和升力迅速增大，對(duì)列車運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生十分不利的影響。為提升高速磁浮列車對(duì)大風(fēng)環(huán)境的適應(yīng)性，需要建立高速磁浮列車大風(fēng)氣動(dòng)載荷控制方法，提出不同車速–風(fēng)速環(huán)境下的大風(fēng)氣動(dòng)載荷控制策略，并開展工程化應(yīng)用探索，有效降低大風(fēng)環(huán)境下的列車側(cè)向力和升力等，以提高高速磁浮列車的抗側(cè)風(fēng)能力，防止觸軌。

4）高速磁浮列車氣動(dòng)限界特征研究

結(jié)合高速磁浮列車氣密強(qiáng)度、環(huán)境適應(yīng)性等方面的要求，研究高速磁浮列車氣動(dòng)限界特征，提出線間距、隧道凈空面積等高速磁浮列車線路參數(shù)的建議值，并針對(duì)特殊運(yùn)行工況提出高速磁浮列車限速建議，為高速磁浮列車的安全運(yùn)行提供指導(dǎo)。

5）低真空管道高速磁浮系統(tǒng)空氣動(dòng)力學(xué)研究

作為下一代高速運(yùn)載系統(tǒng)，低真空管道高速磁浮系統(tǒng)將具有一定真空度的管道和高速磁浮列車相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)列車在低氣動(dòng)阻力、低噪聲模式下的高速運(yùn)行。在低真空管道內(nèi)，環(huán)境壓力低，列車速度高，局部流動(dòng)加速顯著，易產(chǎn)生激波，對(duì)流換熱效率降低，具有完全不同的氣動(dòng)特征，需開展更加深入的系統(tǒng)研究，主要研究?jī)?nèi)容包括：低真空管道高速磁浮列車空氣動(dòng)力學(xué)流場(chǎng)特征研究、多尺度局部激波效應(yīng)研究、車–隧耦合氣動(dòng)性能研究、車–隧系統(tǒng)熱平衡研究、激波噪聲研究等。為此，需要探索低真空管道高速磁浮列車空氣動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)，并開展低真空環(huán)境下的氣動(dòng)性能及氣動(dòng)噪聲風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，提升低真空管道高速磁浮列車數(shù)值仿真的可信度。

5 結(jié)語

高速磁浮列車是銜接高速列車與飛機(jī)之間的高速地面交通工具。中國(guó)高速磁浮列車的設(shè)計(jì)速度達(dá)到了600 km/h，氣動(dòng)問題成為制約高速磁浮列車發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。本文系統(tǒng)介紹了高速磁浮交通系統(tǒng)的氣動(dòng)特征及其面臨的氣動(dòng)問題，提出了高速磁浮交通系統(tǒng)氣動(dòng)設(shè)計(jì)策略、氣動(dòng)優(yōu)化措施及氣動(dòng)設(shè)計(jì)流程，介紹了我國(guó)600km/h高速磁浮列車氣動(dòng)設(shè)計(jì)方案，并展望了高速磁浮列車空氣動(dòng)力學(xué)的未來研究方向。