高速列车空气动力学性能计算和试验鉴定暂行规定.docx
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高速列车空气动力学性能计算和试验鉴定暂行规定
高速列车空气动力学性能
计算和试验鉴定暂行规定
附录A列车空气动力学基本参数、符号及单位……………………9
附录B列车空气动力性能、噪声参数说明…………………………10
附录C坐标系…………………………………………………………11
1范围
本《暂行规定》规定了高速列车空气动力计算、试验及评估鉴定的要求。
本《暂行规定》适用于标准轨距铁路线上营运速度为200km/h到350km/h范围内的高速客运列车；对最高营运速度低于200km/h的客运列车以及需要考虑空气动力性能问题的货运列车可参照使用。
2引用标准
下列标准包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。
在标准出版时，所示版本均为有效。
所有标准均会被修订，使用本标准的各方应探讨、使用下列标准最新版本的可能性。
GB1920－80标准大气（30km以下部分）；
GJB1179－91高速风洞和低速风洞流场品质规范；
《京沪高速铁路建设暂行规定》。
3列车空气动力学基本参数、符号及单位
本《暂行规定》所有参数均采用国际单位制。
计算、试验中用到的基本参数及计量单位见附录A。
4列车空气动力性能、噪声参数说明及坐标系
本《暂行规定》用于表示列车空气动力性能、噪声的参数及坐标系见附录B、附录C。
5列车外形及空气动力性能基本要求
5.1列车外形基本要求
5.1.1列车空气动力性能主要取决于列车外形，应根据运行速度要求，结合生产工艺条件，合理设计满足空气动力性能要求的列车外形，同时需符合《高速铁路机车车辆限界技术条件》。
5.1.2车体横截面形状应采用腰鼓形，或者采用折线形式的侧墙以圆弧与车顶和车底罩相连。
5.1.3头部鼻锥下方应设置导流板，注意导流板形状的设计。
5.1.4车体底部除转向架部位外，应设置全封闭底罩。
5.1.5列车编组，车体横截面形状应尽可能相同，不同横截面形状车体混编时，应设置平滑过渡段。
5.1.6空调及冷却系统进风口应尽可能布置在列车表面压力为正压区域，排风口则应布置在负压较大的区域。
5.1.7列车外形应尽可能避免以下部位产生涡流：
—车头
—受电弓
—牵引缓冲装置
—车体底部
—把手、缝隙、凹槽等
—车辆连接处
5.2列车空气动力性能基本要求
5.2.1列车的空气动力性能用运行列车本身承受及对环境作用的空气动力、力矩、压力及其系数表示（见附录B）。
5.2.2列车空气阻力
—用阻力系数Cx衡量。
—通过数值模拟计算和风洞试验得到。
—在无环境—风影响条件下，不同运行速度列车的Cx值应不超过下表规定值。
表5-1各种运行速度列车空气阻力系数Cx允许最大值
列车运行速度km/h
200
250
300
350
阻力
系数
头车（有受电弓）
0.25
0.22
0.20
0.19
头车（无受电弓）
0.18
0.17
0.16
尾车（有受电弓）
0.28
0.26
0.22
0.21
尾车（无受电弓）
0.19
0.18
0.17
中间车（有受电弓）
0.16
0.15
0.15
中间车（无受电弓）
0.10
0.09
0.09
0.09
5.2.3列车交会空气压力波
—用空气压力变化幅值衡量。
—分明线交会和隧道内交会两种情况。
—由数值模拟计算、动模型模拟试验、实车试验得到。
—不同复线间距、不同交会速度时，列车交会空气压力波允许的最大幅值见下表。
表5-2列车交会空气压力波允许的最大幅值（隧道数据待定）
复线
各种列车交会速度（km/h）列车交会空气压力波幅值（Pa）
间距
200/200
250/250
300/300
330/330
350/350
（m）
明线
隧道
明线
隧道
明线
隧道
明线
隧道
明线
隧道
4.0
1350
4.6
1300
1850
2230
2500
5.0
1420
1710
1920
5.2.4列车运行时的空气动力升力Fz，由数值模拟计算和风洞试验得到。
在无环境风影响条件下，应满足：
头车的Fz≤0、中间车和尾车的Fz接近于零。
5.2.5列车表面压力
—用压力系数
衡量。
—通过数值模拟计算、风洞试验和实车试验得到。
—除受电弓、转向架部位外，其余部位应无空气流动分离现象。
—列车表面压力绝对值应尽可能小。
5.2.6在垂直于列车纵向对称面的常值侧风作用下，列车运行速度限值的规定见下表。
列车运行横向稳定性需满足规定限值的要求。
侧风风速（m/s）
15
25
30
40
列车运行速度限值（km/h）
250
200
160
120
5.2.7计算侧风对列车横向稳定性影响时，应包括运行列车垂直于列车纵向对称面的常值侧风作用下的迎风面和背风面压力及空气升力。
5.2.8车厢（包括司机室）气密性要求：
在门窗关闭情况下，车厢及司机室内部空气压力由3600Pa降至1350Pa，所需时间应大于36秒。
在产品出厂前进行试验验证。
5.2.9车厢（包括司机室）内部空气压力变化：
在隧道内列车交会时乘员感受到的空气压力变化应小于1000Pa。
通过实车试验验证。
5.2.10在空气动力作用下对受电弓的弓网接触性能要求：
运行列车顶风速度达到26m/s时，空气动力引起弓网之间的附加压力应小于120N；
运行列车顶风速度达到40m/s时，受电弓对电网导线在接触点处的举升应小于100mm；
列车按允许速度运行，在环境风影响下，弓网之间的接触力应小于下述极限值：
—接触力均值120N
—接触力峰值200N
—接触力标准误差≤22%；
受电弓应具有能承受垂直于列车前进方向、风速达40m/s的风载荷能力，在距受电弓降下位置1.5m高度处，其最大侧偏量应小于±30mm。
受电弓的弓网接触性能各参数由数值模拟计算和试验验证。
5.2.11列车风对周围环境的影响
列车通过时，列车侧面、尾部流场的压力和速度应满足《京沪高速铁路建设暂行规定》。
列车通过时，列车尾部流场的速度应不使规定的道碴卷起。
分别通过计算和试验验证。
6声学要求
随着列车运行速度提高，空气动力噪声在总的噪声中所占比重愈大，对降低高速列车运行时产生的噪声，采取的措施主要应从列车空气动力学角度考虑，为此，将声学要求列入本《暂行规定》。
6.1运行噪声
列车交会时，不允许产生爆破声。
列车不停车以规定速度驶过时，在离轨道轴线25m远和距轨道顶面3.5m高处测得的A声级值不得高于89dB（A）。
6.2进站噪声
列车入站时，在离轨道轴线25m远和距轨道顶面3.5m高处测得的A声级值不得超过68dB（A）。
6.3客车车厢内部噪声
列车以规定速度行驶时，一等车厢内旅客耳朵处的A声级值不得超过65dB（A），在二等车厢内（包括餐车）不得超过68dB（A）。
在隧道内该值最多可以高出5dB（A）。
由空调等成套设备发出的A声级值，在旅客耳朵处，无论是停车还是行驶时，均不得高于55～60dB（A）。
6.4电话位置
列车以最高速度行驶时，包括在隧道中，打电话处旅客耳朵处的A声级值也不得超过65dB（A）。
6.5旅客信息系统
在广播通知时，旅客耳朵处A声级值必须高于最大室内声级10dB（A）。
6.6包房隔墙
包房间的隔墙在装配状态下，必须具有不小于A声级值35dB（A）的隔声度。
6.7司机室内部噪声
列车以最高速度在明线中行驶时，司机室内在司机耳朵处的A声级值不得高于68dB（A）。
在隧道内该值最多可以高出5dB（A）。
7流场数值模拟计算
7.1计算目的
—为列车空气动力性能验收评估提供依据。
—为列车产品设计提供空气动力性能方面的依据。
—进行列车空气动力性能研究。
7.2计算要求
7.2.1计算内容：
列车空气动力、力矩、列车表面压力分布、列车交会空气压力波、列车过隧道时隧道内空气压力变化、风道流场、尾部流场、环境风影响、对周围环境影响。
7.2.2数值模拟计算应基于三维粘性流理论，其中列车交会和过隧道的计算需按三维非定常、可压缩粘性流进行。
7.2.3计算列车交会、过隧道、环境风影响时，需考虑列车与列车、列车与周围环境（隧道、挡风墙、环境风等）的相对运动。
7.2.4数值计算模型至少按头、中、尾三节车建立。
7.2.5应提供数值计算报告
数值计算报告应包括计算目的，计算方法，计算内容，计算理论基础，所使用的软件，计算结果及分析，与试验结果对比及相关性分析，计算结果评价，结论及建议。
8空气动力学试验
8.1基本要求
8.1.1试验目的
—为列车空气动力性能验收评估提供依据。
—为列车产品设计提供空气动力性能方面的依据。
—验证数值计算的正确性和精度。
—进行列车空气动力性能研究。
8.1.2试验进行前应提供试验大纲
试验大纲应包括试验目的、试验内容、试验方法、试验条件、试验地点、试验设备、仪器、仪表、时间安排、评估方法。
8.1.3试验完成后应提供试验报告
试验报告应包括试验目的，试验内容，试验方法，试验地点，试验设备、仪器、仪表，试验结果及分析，试验结果评估，结论及建议
8.2风洞试验
8.2.1风洞试验内容：
列车空气动力、力矩、列车表面压力分布、侧风影响、尾部空间流场
8.2.2风洞试验前需进行风洞流场品质校验（静态和动态），其流场品质应满足GJB1179－91《高速风洞和低速风洞流场品质规范》的要求。
8.2.3缩比模型风洞试验应使试验雷诺数Re≥5×105。
8.2.4对每种参试型号均应进行重复性测试精度试验。
8.2.5风洞试验应正确反映地面效应。
8.2.6试验用模型列车至少采用3节车（即头车、尾车和中间车），试验模型缩比应能满足测试要求，且尽可能大。
8.2.7对于侧风影响的试验，侧滑角应考虑不小于±20°。
8.2.8受电弓等关键部件的空气动力性能试验，建议采用全尺寸模型，并配置相应部位车体外形，以模拟空气对车体的绕流。
8.3动模型模拟试验
8.3.1动模型模拟试验用于测定列车在明线和隧道内交会空气压力波、列车过隧道时隧道内空气压力变化。
8.3.2动模型试验应使试验雷诺数Re≥5×105。
8.3.3对每种参试型号均应进行重复性测试精度试验。
8.3.4动模型列车由三节车组成，模型车缩比不小于1:
20。
8.4实车试验
8.4.1实车试验内容：
列车表面压力分布、列车交会空气压力波、列车交会时车厢内空气压力变化、风道的冷却风量、列车过隧道时隧道内空气压力变化、环境风影响、对周围环境影响。
8.4.2列车交会试验应实时测定两交会列车侧壁间距和相对速度。
附录A列车空气动力学基本参数、符号及单位
序号
基本参数
符号
单位名称
单位
备注
1
长度
l
米
m
2
质量
M
千克
kg
3
时间
t
秒
s
4
温度
T
开尔文
K
又称热力学温度
t
摄氏度
℃
t=T-273.15
5
力
F
牛[顿]
N
m·kg/s2
6
压力（压强）
P
帕[斯卡]
Pa
N/m2，kg/（m·s2）
7
能、功、热量
E
焦[耳]
J
N·m，m2·kg/s2
8
功率
N
瓦[特]
W
J/s，m2·kg/s3
9
密度
ρ
kg/m3
10
音速（声速）
α
m/s
无特定要求时，大气中音速可按340m/s计
11
速度
V
m/s
12
动力粘度
μ
Pa·s
N·s/m2，kg/（m·s）
13
运动粘度
ν
m2/s
ν＝μ/ρ
14
比容积
υ
m3/kg
υ＝1/ρ
15
重力加速度
g
m/s2
g＝9.80665m/s2
16
熵
S
J/K
m2·kg/（s2·K）
17
比热容
定压
J/（kg·K）
定容
J/（kg·K）
18
空气的气体常数
R
J/（kg·K）
空气视为理想气体时，R=287.053J/（kg·K）
19
动压（速压）
q
Pa
½ρv2
20
边界层（附面层）厚度
δ
m
21
马赫数
Ma
流场中某点的流速
与当地音速α之比
22
雷诺数
Re
表征气流惯性力和粘性力相对大小的无因次相似参数Re=ρvl/μ
附录B列车空气动力性能、噪声参数说明
序号
名称
符号
计量单位
定义或说明
1
阻力
Fx
N
气动力在车体坐标系Xt轴上的分量
2
侧向力
Fy
N
气动力在车体坐标系Yt轴上的分量
3
升力
Fz
N
气动力在车体坐标系Zt轴上的分量
4
侧滚力矩
Mx
N·m
气动力绕车体坐标系Xt轴的力矩
5
俯仰力矩
My
N·m
气动力绕车体坐标系Yt轴的力矩
6
偏转力矩
Mz
N·m
气动力绕车体坐标系Zt轴的力矩
7
阻力系数
Cx
Cx＝Fx/（q·s）
其中s为列车正投影面积
8
侧向力系数
Cy
Cy＝Fy/（q·s）
9
升力系数
Cz
Cz＝Fz/（q·s）
10
侧滚力矩系数
mx
mx＝Mx/（q·s·b）
其中b为左右旁承间距
11
俯仰力矩系数
my
my＝My/（q·s·lt）
其中lt为车体转向架中心距
12
偏转力矩系数
mz
mz＝Mz/（q·s·lt）
13
空气压力
P
Pa
垂直作用在列车表面单位面积上的
空气力
14
压力系数
CP
P∞－为来流静压（当地大气压）
q∞－为来流动压
15
噪声
dB（A）
“A计权”声压级
附录C坐标系
本《暂行规定》给出的高速列车空气动力学数值计算和试验常用的坐标轴系，均为右手笛卡尔直角坐标系（见图1）。
图1笛卡尔直角坐标系图2车体坐标系
地面坐标系OdXdYdZd
此坐标系固连于大地。
原点Od在地面上的某点；轴Zd铅垂向上；轴Xd、Yd为水平。
车体坐标系OtXtYtZt
此坐标系固连于车体。
原点Ot在车体质心；轴Zt在车体纵对称面内，指向上；轴Xt、Yt为水平，且轴Xt平行于车体基准纵轴，指向后（见图2）。
结构坐标系OjXjYjZj
此坐标系固连于车体，原点Oj可选择在车体纵轴前端点或后端点，所有坐标轴的指向，同车体坐标系。
附录D各种运行速度列车空气阻力系数Cx允许最大值
列车运行速度km/h
200
250
300
350
阻力
系数
头车（有受电弓）
0.25
0.22
0.20
0.19
头车（无受电弓）
0.18
0.17
0.16
尾车（有受电弓）
0.28
0.26
0.22
0.21
尾车（无受电弓）
0.19
0.18
0.17
中间车（有受电弓）
0.16
0.15
0.15
中间车（无受电弓）
0.10
0.09
0.09
0.09
升级会员 