CRH2C和CRH380A动车组不同头型对隧道气动效应影响的试验研究*

张 岩，陈厚嫦，何德华

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

CRH2C和CRH380A动车组不同头型对隧道气动效应影响的试验研究*

张 岩，陈厚嫦，何德华

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

动车组头型不同，对气动力学效应的影响也不尽相同。为探讨头型对动车组隧道气动效应的影响，将CRH2C型动车组和在其基础上进行头型优化改进的CRH380A型动车组在不同工况下的试验数据进行对比分析，结果表明头型的改进有利于改善动车组的车外流场分布，有利于提高旅客乘坐舒适度。

动车组；头型；气动力学；试验研究

动车组的气动力学性能与动车组的头型、车体断面形状、车体顶部及底部的外形等有着密切的关系。目前，国内外气动力学研究主要从模型试验、数值计算和实车试验3个方面入手。模型试验主要分为风洞试验和动模型试验两类。风洞试验理论成熟、测量精密、气流参数易于控制、测量结果受天气变化影响小，但绕流模型与实物的流动很难达到完全相似。动模型试验主要模拟动车组进出短隧道的过程，受外界气象条件影响小，不受隧道及车头形状限制，但研究较高车速时发射装置和模型材料难以满足要求。数值计算具有很多优点，但其对湍流的模拟非常困难，而且许多边界条件需要由试验确认，计算结果也必须由试验进行验证。实车试验是研究列车气动力学最为直接、有效的方法，也是检验和评价其他研究方法正确性的必要手段。日本在研制高速列车过程中，除了进行大量的风洞试验外，还要进行一系列的气动力学实车线路试验。从20世纪60年代开始，欧洲国际铁路联盟ORE C149和ORE Cl76专家委员会主持进行了大量的时速200 km以下气动力学实车试验，试验结果主要揭示了压力波变化规律及其影响因素，为压力波理论计算模型提供了验证必需的试验参数。

近年来，随着我国高速铁路的快速发展，高速列车的气动力学问题得到了普遍的重视和深入的研究，中国铁道科学研究院相继在武广、郑西、沪杭、京沪等多条新建的客运专线上进行了300 km/h以上速度等级的列车隧道气动效应实车试验研究，本文正是利用CRH2C型动车组和CRH380A型动车组在我国客运专线上取得的大量实车试验结果，研究其不同的头部形状对隧道内列车气动力学效应的影响。

1 CRH2C型动车组和CRH380A型动车组介绍

典型的动车组头型包括扁宽形头型（CRH380A）、椭球形头型（CRH3C）、梭形头型（CRH2C）和钝形头型（CRH1A）等。影响动车组头部形状的因素主要有流线型头部长度、宽度、高度、倾斜度、头部纵向剖面形状、头部俯视形状等。

CRH380A型动车组在CRH2C型动车组基础上，通过优化头型设计和改进车体断面形状提升了动车组的气动力学性能，通过改进车体结构提高了动车组车体强度、刚度以及气密强度。两列动车组均采用铝合金车体，最高运营速度为350 km/h，相关气动力学参数见表1。

表1 CRH2C和CRH380A动车组气动力学相关参数

CRH2C型动车组的长度与CRH380A型动车组基本相当，但头型不同，CRH380A型动车组的头型在原CRH2C基础上加以改进，主要采用了增加流线型头部的长度和车头长细比、调整截面积变化率、头部造型平顺化、加大侧顶圆角半径等措施。图1和图2分别为CRH380A型动车组和CRH2C型动车组外形照片。

图1 CRH380A型动车组

图2 CRH2C型动车组

2 动车组隧道气动效应试验研究

2.1 试验方法

车载测试系统由空气压力传感器、集成测控数据采集系统（数采设备）、GPS及计算机等部分组成。各传感器将测得的压力信息经数采设备放大、AD转换后记录在计算机中进行处理，GPS用于确定标准时间。

测点布置以CRH380A动车组进行说明，如图3所示，CRH2C型动车组的测点布置大致与其相同。其中，测点1和测点2位于车头前端，测点3和测点4位于车头变截面，测点5与测点6位于车顶变截面，测点7和测点8位于车厢中部侧窗。

2.2 试验环境及参数介绍

CRH2C型动车组隧道通过、隧道交会试验在武广高速铁路进行，CRH380A型动车组隧道通过、隧道交会试验在郑西高速铁路进行，具体试验工况及线路参数如表2所示。

图3 CRH380A型动车组测点布置示意图

表2 CRH2C与CRH380A型动车组试验情况一览表

2.3 试验数据分析

理论上，头型的改进能够改善动车组的车外流场分布，减小动车组车外空气压力、交会压力波、空气阻力、噪声、气动横向力及气动升力等。针对CRH2C型动车组和CRH380A型动车组不同的头型，从车外空气压力、车体两侧压差两个方面分析头型的改进对隧道内列车气动力学效应的影响。

2.3.1 车外空气压力对比分析

CRH2C型动车组和CRH380A型动车组分别以330 km/h通过长度相当、截面积相同的隧道时，两列动车组相对应测点的车外空气压力变化趋势基本相同，如图4所示。

进一步比较CRH2C型动车组和CRH380A型动车组分别在各速度级通过长度相当、截面积相同的隧道时车外压力变化最大值，如图5所示。

由图5可知，当CRH2C型动车组和CRH380A型动车组分别以相同速度通过长度相当、截面积相同的隧道时，车外压力变化有如下规律：

（1）两列动车组的车外压力变化最大值基本随速度的提高而增大。

（2）相同速度通过隧道时，CRH2C型动车组的车外压力变化最大值比CRH 380 A型动车组大，但两列动车组头车的车外压力变化幅值基本相当。

图4 CRH2C与CRH380A分别以330 km/h通过隧道时的车外压力对比图

（3）CRH2C型动车组尾车的车外压力变化幅值比CRH380A型动车组大，340 km/h隧道通过时，前者比后者大22%。

（4）CRH2C型动车组尾车的车外压力变化幅值比头车大，340 km/h隧道通过时尾车比头车大28%；而CRH380A型动车组头、尾车的车外压力变化幅值基本相当。这说明头型的改进能够有效地改善动车组的车外流场分布，使车外压力变化幅值沿列车纵向趋于平稳。

2.3.2 车体两侧压差对比分析

动车组车体两侧的空气压力差，即气动横向力，因动车组头型的不同而有所差异。气动横向力的大小将影响动车组的横向稳定性。理论上，CRH380A型动车组在CRH2C型动车组基础上加大了侧顶圆角半径，能够有效减小动车组的车体两侧压差，改善动车组的横向气动性能。

（1）隧道通过

动车组通过双线隧道时，由于车体两侧与隧道壁距离的不同造成列车两侧流场不完全对称，从而使车体两侧产生一定的空气压力差，影响动车组的横向稳定性，如图7所示。动车组进入隧道前（明线运行），车体两侧压差基本为零；当动车组进入双线隧道时，车体两侧压差增大；当列车全部进入隧道后，车体两侧压差基本不变；当列车出隧道时，车体两侧压差减小；当列车完全驶出隧道后，车体两侧压差又恢复到明线运行时的零值附近。

为研究头型对隧道通过时车体两侧压差的影响，将CRH380A型动车组和CRH2A型（与CRH2C头型相同）动车组分别以250 km/h和240 km/h通过隧道时，头车端部两侧对称测点的车体两侧压差变化曲线进行对比，如图6所示。尽管两列动车组头型不同、隧道通过的速度和长度均不相同，但车体两侧压差的波形变化趋势基本一致，只是幅值大小不同，CRH2A型动车组头车端部两侧压差比CRH380A型动车组大。这说明头型和隧道长度对于车体两侧压差的波形变化趋势基本没有影响。

图5 CRH2C和CRH380A通过隧道时的车外压力最大值对比

（2）隧道交会

动车组在隧道内交会时，一方面受到交会的影响产生隧道内列车交会压力波，另一方面受到车体两侧与隧道壁距离不同的影响，导致车外流场的变化，从而改变车体两侧压差，如图7和图8所示。与隧道通过不同的是当两列动车组在隧道内交会时，车体两侧压差明显变化，在另一列动车组头、尾部经过时分别出现一个显著的峰谷值，其他时刻车体两侧压差的变化规律与隧道通过时基本一致。比较CRH380A型动车组在巩义隧道通过和巩义隧道交会两种工况下，头车端部两侧对称测点的压差变化曲线，参见图6（a）和图8（a），可以发现，在隧道内的非交会区段，两种工况下的头车端部两侧压差波形变化规律一致。

图6 不同头型动车组通过隧道时头车端部两侧对称测点压力变化图

为比较隧道交会时CRH2C型动车组和CRH380A型动车组车体不同横断面的两侧压差，分别在两列动车组的头车端部、头车等截面、尾车端部和尾车等截面两侧对称布置4对测点，测点布置参见图3。图7为CRH2C型动车组在武广高铁九子仙隧道（2 728 m）交会过程中的车体两侧压差变化曲线，图8为CRH380A型动车组在郑西高铁巩义隧道（3 368 m）交会过程中的车体两侧压差变化曲线。由于试验条件有限，两列动车组的交会隧道长度及隧道内辅助设施的布置都有所不同，但大量的试验研究结果表明，隧道长度及辅助设施的布置对车外压力的变化趋势有一定的影响，对车体两侧压差的变化趋势基本没有影响。

图7 350/350 km/h九子仙隧道交会时CRH2C车体两侧对称测点压差曲线

由图7和图8可以看出，在隧道交会过程中，CRH2C型动车组和CRH380A型动车组的车体两侧压差变化有如下规律：

（1）两列动车组相应测点的车体两侧压差变化波形基本相同，但幅值有所不同。

（2）车体两侧压差在另一列交会动车组头部和尾部经过时分别出现一个较为明显的峰谷值；在动车组通过隧道并在隧道内交会的整个过程中，车体两侧压差除了受到交会的影响外，还要受到与车体两侧不同距离的隧道壁的影响。

（3）头、尾车等截面和尾车端部两侧对称测点，在交会时有明显的空气压力差，但作用时间较短；在隧道内非交会区段，两侧压差较小。头车端部两侧对称测点始终存在明显的压差，交会时压差更大。

进一步比较隧道交会过程中CRH2C型动车组和CRH380A型动车组的车体两侧压差最大值，如图9所示，两列动车组不同横断面的车体两侧压差最大值有如下规律：

（1）CRH2C型动车组在武广线九子仙隧道（2 728 m）交会过程中，头车、尾车端部和等截面两侧对称测点的压差最大值基本随交会速度的提高而增大。相同速度隧道交会时，头、尾车端部两侧压差均比等截面两侧压差大。

（2）CRH380A型动车组在郑西线巩义隧道（3 368 m）交会过程中，车体两侧对称测点的压差最大值较为稳定，与速度关系不大。端部与等截面两侧对称测点的压差没有绝对的大小比对关系。

（3）相同速度隧道交会时，CRH2C型动车组头车端部和等截面两侧压差最大值均比CRH380A型动车组大，而两列动车组尾车端部和等截面两侧压差最大值基本相当。

（4）头型的改进能够有效地减小动车组车体两侧的压差，使不同断面的车体两侧压差变化趋于稳定，有利于改善动车组的横向气动性能。

图8 350/350 km/h巩义隧道交会时CRH380A车体两侧对称测点压差曲线

图9 CRH2C和CRH380A不同车体断面两侧压差散点图

3 结 论

通过对比CRH2C型动车组和在其基础上进行头型优化改进的CRH380A型动车组在不同工况下的试验数据，发现两列动车组不同的头型对车外压力和车体两侧压差的波形变化趋势基本没有影响，对压力波动幅值有一定的影响。与CRH2C型动车组相比，经过头型改进后的CRH380A型动车组的隧道内气动效应得到了显著地改善，主要体现在：

（1）有效地改善了车外流场分布，使车外压力变化幅值沿列车纵向趋于平稳。

（2）有效地减小了车体两侧的压差，使不同横断面的车体两侧压差变化趋于稳定，改善了动车组的横向气动性能，提高了旅客乘坐舒适度。

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Test Research on Aerodynamics Effects in Tunnels of Different Nose Shapes of CRH2Cand CRH380A EMUs

ZH ANG Yan，CHEN Houchang，HE Dehua
（Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

EMUs have different aerodynamic effects due to different nose shapes.In order to investigate their aerodynamic effects in tunnels，the test data of CRH2CEMU have been compared under different running conditions with those of CRH380A EMU，which is an improved version based on the former.The results show that the improvement of nose shape will help to improve the distribution of external pressure field and passenger comforts.

EMU；head type；aerodynamic；test research

U266.2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.01.03

*铁道部科技研究开发计划重大课题（2010J001-E）

�）女，助理研究员（

2013－08－20）