横风中列车的气动特性Word格式文档下载.docx

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自从1872年日本开始有运输服务起，到目前已有29起由于风引发的列车事故。

大多数这些事故发生在窄轨（1067mm）线。

列车倾覆的临界风速取决于侧风引起的气动力，轨道弯曲和倾斜的离心力和重力。

其中，气动力对倾覆的危险程度有重要影响。

利用施加在列车外部的力建立静力平衡方程，可以得到列车倾覆的临界风速。

因此，为了建立一个在强风下的安全有效的管理办法，研究列车的空气动力学性能十分必要。

列车横风中的气动性能不仅取决于列车的外形，而且受到外部环境的影响，例如桥梁和路堤[1]。

在日本，有很多种结构的列车、桥梁、路堤。

因此，我们做了三种风洞试验，来评估典型的列车在典型环境下的气动性能，例如桥梁和路堤。

首先，风洞试验是评价，在侧风垂直于列车的情况下，桥梁上典型结构列车中部车辆的气动性能。

第二个风洞试验研究桥梁上前两节车，作为风向相对于的列车的函数。

第三个风洞试验是研究路堤上前两节车，同时边界层速度分布的影响也做了研究。

车辆在基础设施上的气动力和力矩（侧力：

，升力：

和倾覆力矩

）的测量用一个内部的应变计来平衡。

垂直于车辆的侧力是影响车辆倾覆的主要因素。

2.试验方法

图1表示了测量的要素和建立在车辆上的坐标系。

各力和力矩的系数表达式如下：

侧力系数

，升力系数

，倾覆力矩系数

，其中

是空气的密度，

是风相对于车辆的速度，

是车辆的侧面积，h（m）为车辆的高度，

（m）为车体的长度。

当列车模型固定在风洞中，桥梁和路基也应该以与列车相等的速度反方向移动，以模拟车辆周围的空气流动。

然而，在风洞中来实现它很困难。

因此，移动地面上的车辆周围的流场影响被忽略。

车辆、桥梁、路基模型都是固定在试验区。

对于评价桥梁上车辆的空气动力，宽纵比是一个重要的参数，宽纵比是由车—桥组成机构的总宽与总高之比。

车体与地面间的间隙也是一个重要参数[2]，因为气流通过间隙对在背风面形成涡流有重要影响。

因此，模拟实际布置的地面设备和转向架来做风洞试验，可以推导出气动力的最大值。

虽然自然风为紊流以及实际地面的附近存在边界层，但是边界层的影响被忽略，第一个和第二个风洞试验都是采用的定常流动。

风洞试验的这种条件要比实际条件跟更显著，因为估计这种条件下的侧力要比实际情况更大。

雷诺数

（=Uh/

）可以反映实际情况与风洞试验的相似程度，其中U为风速，h为车辆的高度，

是空气的运动粘度。

实际情况下的雷诺数为

，U=30m/s，h=4m，风洞试验下雷诺数为

，U=15m/s，h=0.1m。

本文中讲述的所有试验均表明当雷诺数在

到

间气动系数几乎为定值。

在这三种风洞试验中，阻塞比很大达到了14%，阻塞比为试验区模型与工作区截面之比。

由于作用在车辆上的力和力矩的阻塞比的校正方法尚未建立，校正在这里没有考虑。

较大的阻塞比通常会增大侧力。

这样的结果可使列车运行安全得到监管，因为估计的车辆倾覆的风速值很低。

3.横风中桥梁上车辆的气动性能

3.1侧风垂直与车辆

为了弄清车辆和桥梁结构对气动性能的影响，我们分别选取了4种形式的车辆，3种形式的单线和双线桥梁。

在桥梁上车辆的气动力和力矩的风洞试验的风洞是一个封闭的试验区域。

风洞工作截面区域的尺寸为长1.5m×

高2.5m。

风速为15m/s。

采用1:

30缩尺比模型。

在这种情况下，阻塞比为4%到14%。

图2反映了风洞试验中横风作用于中部车辆上的侧力情况的结果，风向垂直于车辆，即风偏角

。

至于车辆顶部的结构，随着车顶变尖，侧力系数增加的更多。

车顶为圆形的车辆，侧力系数减小，升力系数增加，因为车辆车顶形成了一个负压区。

由于侧力比升力对于车辆的倾覆影响更大，侧风中圆形的车顶要比尖的车顶更安全。

单线桥梁和双线桥梁的迎风侧，随着桥梁主梁厚度的增大，侧力系数增大的更多。

这是由于当组成车桥系统的总体宽纵比改变，车辆背风侧的压力分布也随之改变。

在双线桥梁中，迎风侧的侧力系数大于背风侧的侧力系数，因为背风侧作用在车辆上的风速小于迎风侧的风速。

3.2侧风不垂直于车辆

风相对于车辆的速度是自然风和列车风的矢量合成，如图3所示。

列车风的大小与车速相等，方向与车辆运动方向相反。

迎风侧车辆车轮负荷达到零的倾覆临界条件取决于风相对于车辆的大小和方向。

为了得出引起车辆倾覆的风速值，必须同时确定在侧风垂直及不垂直的情况下，头车（或尾车）和中间车的气动性能。

这里我们对E型车在上面提到的单线桥梁上进行的风洞试验结果作为风速相对于的车辆的应变量。

风洞的工作截面宽2.5m×

高1.5m，风速15m/s，缩比模型1:

40。

这种情况下，阻塞比从7%到14%。

图4反映了E型车头车的侧力系数变化，图5反映了E型车第二节车的侧力系数变化。

头车的侧力系数最大值为在风速接近

时。

第二辆车的侧力系数最大值为

时且数值关于

对称分布。

桥梁上头车和第二辆车侧力大小的趋势是，主梁厚度值大的侧力系数较大。

4.横风中路堤上车辆的气动性能

4.1评估路堤对车辆的影响的风洞试验

自然风沿路堤是偏转的，它的偏转程度和速度是改变的。

这些变化取决于路堤的高度，坡度，自然风相对于路堤的方向。

如果车辆静止不动，风相对于车的速度与风相对于路堤的速度矢量是相同的。

然而，如果列车移动，风相对于车辆速度是自然风和列车风的矢量合成。

在风洞中，移动列车是困难的。

因此根据列车速度通过改变路堤的坡度值来模拟运动列车的影响[3]。

如图6，点F‘’满足

（斜面宽），进而确定同一条直线

上的点F满足

试验中的路堤用CBFD（坡度（

））来代替CBAD（坡度（

））。

在这些试验中，风洞工作截面区域宽2.5m×

高1.5m，风速为15m/s，缩比模型为1:

40.这种条件下，阻塞比大约为13%。

单线路基模型安装在风洞实验室地板的转盘上，车辆模型置于路基上。

风相对车和路基的方向是通过转动转盘来调整的。

路堤的端部都是延伸到试验区的两侧。

图7和图8分别反映了E型车头车和第二节车在全尺寸7m高路堤上侧力系数变化。

这些试验是根据转盘上边界层的自然发展。

最大的侧力系数值在

处，因为与

处相比，在顶端迎风角处的吸入峰较小，负压区域在背风侧较大。

E型车辆的第二节车的侧力系数在

范围内是恒定的，表现出的特性与桥梁上有明显差异。

随着坡度的减小，头车和第二节车的侧力系数也减小。

4.2路堤高度和边界层厚度的影响

为了评估横风中路堤高度对车辆气动性能的影响，在坡度为1.5的情况下通过改变路堤的高度从2m到14m来做试验。

用于研究的风洞实验室是铁道科技研究中心的一个大范围的风洞，其试验区域宽5m×

高3m。

缩比模型为1:

在这种条件下，阻塞比为4%到14%。

图9反映了F型车中间车在风速为30m/s，偏角为

风洞中侧力系数变化。

很显然，高路堤的侧力系数要大于低路堤的，这是因为随着路堤变高，由于路堤的存在，边界层很薄，其上部的区域增加很多，风速也同时增大的更多。

为了评估横风中边界层厚度对车辆气动性能的影响，试验了三种速度分布的边界层，边界层为试验区域沿地三种面的发展。

三种边界层的厚度

在全尺寸下分别为：

1.7m、4.4m、8.4m，如图10所示。

很显然，随着路堤高度的降低，边界层厚度对侧力系数的影响在增加。

5.结论和前景

列车横风中的气动性能不仅取决于列车的外形，而且受到外部环境的影响，例如桥梁和路堤。

随着主梁厚度的增大，列车的气动侧力系数增加得的更多。

在路堤上，列车的气动性能取决于地面上边界层的分布。

在未来的研究中，我们将会把风洞试验的结论与实地试验作对比。

当然还需要更多地研究边界层的影响，湍流自然风的影响，突然强风下非定常气动力的影响例如龙卷风。

参考文献

[1]M.松本，T.前田，火车/汽车风致灾害的缓解，自然灾害减少会议记录，ASCE，1996.

[2]RK库珀，横风对列车的影响，Trans.ASMEJ.ASME流体工程.103（1981）170-178.

[3]T.前田，模拟横风中路堤上列车的空气动力学性能风洞试验，JWE68，JAWE，1996.