动车组过隧道时设备舱气动效应动模型试验

牛纪强,梁习锋,周　丹,刘堂红

(中南大学 轨道交通安全教育部重点实验室,湖南 长沙 410075)



动车组过隧道时设备舱气动效应动模型试验

牛纪强,梁习锋,周丹,刘堂红

(中南大学 轨道交通安全教育部重点实验室,湖南 长沙 410075)

随着高速铁路的快速发展,为了适应高寒多风沙环境,设计封闭式设备舱.在过隧道和交会等恶劣工况下,封闭式设备舱容易产生较大压差.采用动模型试验方法,对动车组以不同车速(200、250、300 和350 km/h)通过隧道和隧道内交会进行试验模拟,建立相应的数值计算模型来相互验证.结果表明,数值计算与动模型试验波形吻合,幅值相差低于6.8%.对于单车过隧道,车体表面和设备舱内压力峰峰值与车速的平方呈线性关系.对于隧道内交会工况,车表面压力对于速度更加敏感,车体表面压力峰峰值与车速的三次方呈线性关系.设备舱内压力峰峰值明显小于车外表面压力峰峰值.设备舱内不同位置处的压差峰峰值有明显波动,相对隧道中心交会而言,单车过隧道工况对速度更敏感.

动车组(EMU)；隧道；设备舱；压差；动模型试验

列车高速运行时,会引起列车周围气流产生一系列变化,如压力、速度等变化,形成列车风等,列车交会时会产生交会压力波,高速穿越隧道时会产生活塞风、反射波等,统称为列车气动效应.我国幅员辽阔,铁路沿线气候及环境复杂多变,导致列车气动效应更加复杂多变.随着高速铁路的快速发展和大规模建设,为了保证高速列车在高寒风沙地区中的安全运营,新型高速列车采用封闭式的设备舱来隔绝设备舱内部设备与外界风沙,保证设备舱内设备处于比较稳定的温度环境中,有效地减少风沙雨雪进入设备舱.国内外学者对列车隧道内的气动效应进行大量研究,且已相对成熟[1-4].当列车在高速运行时,封闭的设备舱内、外会形成较大的压力差,尤其在列车明线交会、过隧道以及隧道内交会等较恶劣的运行环境下,造成气动交变载荷作用在设备舱上,将会对设备舱结构强度和疲劳安全造成巨大威胁,对列车的运行安全造成严重影响.

目前,高速列车设备舱的通风散热基本采用在裙板两侧设置大面积格栅的方式来保证.设备舱两侧设置大面积格栅导致设备舱内部压力与外部压力具有很好的跟随性,且无明显的时间差,导致设备舱内、外的显著压差存在[5].梅元贵等[6-12]采用实车试验方法对列车车厢内压力变化进行大量研究.对于一些裙板处设置格栅的设备舱气动效应的研究相对较少,且鲜有涉及封闭式设备舱的气动效应的研究[13-15].

本文采用动模型试验的方法,对以200、250、300和350 km/h车速单车通过隧道和于隧道中心内等速交会的列车的封闭式设备舱内外耦合气动效应(主要是压力及压差)进行初步研究.

1　动模型试验系统

1.1动模型试验台

利用中南大学的“动车组空气动力特性动模型试验系统”对高速列车封闭式设备舱气动效应进行动模型试验研究.动模型试验系统由试验台、动力系统、加速系统、控制系统、测试系统、制动系统、数据处理系统和试验模型构成.试验线全长164 m,分为3段：发射段、试验段和减速段.在试验段上可以安装各类隧道模型,用于动车组交会和动车组过隧道试验.动模型试验台由线间距固定的2条轨道组成,按线间距为5 m、模型缩比为1∶20设计.本次试验动车组模型采用头车+中间车+尾车的三车编组1∶20缩比列车,车身采用工程轻质高强度泡沫材料制作,模型列车及几何外形尺寸如图1所示.图中,以车高H=0.193 m(车轮地至车顶距离)为特征长度.为了获得列车隧道内运行时的最恶劣气动性能,根据文献[16]中最不利隧道长度的计算公式,按照本次试验的模型列车总长19.8H、最高速度350 km/h等参数计算可知,本次试验单车过隧道时的隧道最不利长度为240 m,缩比1/20后长度为12 m,且试验隧道为单洞双线隧道,隧道有效净空面积为0.26 m2,线间距为0.25 m.隧道模型如图2所示.

图1　模型列车及尺寸Fig.1　Train model and size

图2　隧道试验模型Fig.2　Test model of tunnel

1.2 传感器及采集系统

由于动模型试验的压力变化较快,要求传感测量通道具有足够的响应速度.该次试验采集板的采样频率为10 000 Hz.压差测点是利用压力传感器的两个进气孔,一个测量列车表面压力,一个测量车体表面对应的车内位置处的压力,两者的差值为该处车内、外压差；绝压力测点是堵死传感器的背压孔,认为此处为大气压(动模型试验段海拔固定,试验期间温差、湿度等变化很小,因此,可以认为列车运行环境大气压恒定,不用连接大气压力传感器),只利用压力传感器的一个进气孔来测量压力.设备舱内部和动车组表面压力测量采用压阻式压力传感器,其中与传感器静压孔连接的橡皮管口垂直于布点处列车表面切线方向,用来测量车体表面压力；与传感器背压孔连接的感压片紧靠用于测量车体表面压力的静压孔橡皮管旁边的车内,感压片与传感器连接的橡皮管垂直于列车运行方向.压差传感器采用通过橡皮管连接的压阻式压力传感器和感压片来测量设备舱内、外压差,如图3所示.

图3　压差传感器Fig.3　Differential pressure sensor

压差传感器信号经两级放大和二阶低通滤波后,消除了轨道不平顺和模型机械振动引起的高频杂散干扰,对应的整个量程范围输出为±5 V标准电压信号,送入高速A/D转换器进行采集.每个压力信号通道采用独立的电路结构和A/D转换器,并以相同的时基信号控制同步采样,从而保证各通道数据的快速采集以及在时间和空间上的一致性.

试验当天温度为25 ℃,湿度为60%,在测试前对传感器系数进行及时标定.

1.3相似方法

利用雷诺数的自模拟性现象可以明显地简化模型试验的条件.在该次隧道内动车组设备舱空气动力学动模型试验中,主要关心设备舱内、外压力及压差.根据相似理论分析,一般要求满足主要的相似准则有马赫数Ma和雷诺数Re.这样保证模型试验得到的压力与实车运行时的压力是一致的.该次试验车速不低于200 km/h,模型为1∶20的缩比尺度列车,因此本次试验列车的Re不低于6.0×105,大于动模型试验系统的临界雷诺数Recr(3.6×105左右)[17],满足试验要求.

1.4设备舱模型

设备舱内部空间及吊挂件几何外形尺寸按照真实缩比制作,吊挂件按照实际情况布置在设备舱内,新风入口与排风口尺寸均按照实际缩比尺寸在中间车上开凿,由于模型底部有铝合金支架,为避免支架干扰,开口位置在垂直方向上移了10 mm左右.设备舱的内部布置如图4所示.

通风机的流量按照缩比后设置,模型中进风口风机体积流量为0.225 m3/min,排风口风机体积流量为0.125 m3/min,风机流速保持不变.在列车弹射前,设备舱内流场充分发展,采用对12 V直流风机单独进行供电的方式来保证风机的长时间运行.

图4　设备舱模型内部布置Fig.4　Internal layout of train compartment

1.5测点布置

该次动模型试验列车模型为3车编组,设备舱位于中间车,因此,测点主要布置在中间车上.共布置13个监测点,其中,编号1、4、6、9、11为动车组车外表面压力测点,编号2、3、5、7、8、10为设备舱内部压差测点,12和13号为设备舱内部压力测点.1号为头车鼻尖测点,主要用于辅助辨别速度；2～13号均位于中间车上, 2～7号为交会侧测点,8～11号为靠近隧道壁测点, 12和13号为车内测点,如图5所示.

图5　测点布置Fig.5　Arrangement of measuring points

2　动模型试验与数值计算对比

为了保证数据的可比性,提高数据可信度,针对动模型试验工况,建立相应的数值计算缩比模型.在数值计算中,风机特征参数、监测点的布置均与动模型中采用的一致.为了节约计算资源,该次数值计算选用2个工况：1)列车以350 km/h车速通过隧道；2)列车以350 km/h车速于隧道中心交会.如图6、7所示分别为列车以350 km/h车速通过隧道和于隧道内交会时,车体表面和设备舱部分测点试验与数值计算结果的对比曲线.图中，p为测点压力.从图6、7可知,通过动模型试验所得的压力及压差波形与数值计算所得的波形曲线具有较高的吻合度.

图6　列车单车过隧道数据的对比Fig.6　Data comparison of train going through tunnel

图7　列车隧道内交会数据对比Fig.7　Data comparison of trains passing through tunnel

如表1所示为当列车以350 km/h车速通过隧道和于隧道内交会时,车体表面和设备舱壁面部分测点试验与数值计算波形的峰峰值Δp.从表1的数据对比可知,动模型试验和数值计算波形的峰峰值相差4.7%～6.8%,满足工程精度的要求.

表1动模型与数值计算结果对比

Tab.1Data comparison between dynamic model test and numerical calculation

单车过隧道/测点序号△p/Pa动模型试验数值计算偏差/%列车外表面压力/11252426515.0设备舱内壁面压力/13211022536.8设备舱内、外压差/5171017975.1隧道内交会/测点序号Δp/Pa动模型试验数值计算偏差/%列车外表面压力/11704273714.7设备舱内壁面压力/13604463605.2设备舱内、外压差/5242125425.0

3　单车过隧道设备舱气动效应研究

3.1单车过隧道时设备舱气动压力变化

如图8所示为列车表面9和11号测点压力变化峰峰值随车速v的变化曲线.可知,车体表面9号和11号测点压力变化峰峰值与车速的平方呈线性关系,随车速的增加而增大.

图8　车体表面压力幅值随车速的变化曲线Fig.8　Pressure of train changes with speed

如图9所示为当动车组分别以200、250、300和350 km/h速度通过隧道时,设备舱内12和13号测点压力变化峰峰值随车速的变化曲线.可知,设备舱内部压力变化峰峰值与车速的平方近似呈线性关系,随车速的增加而增大；设备舱内压力变化峰峰值明显小于车外表面压力变化峰峰值.可见,压力波传播到设备舱内过程中能量有明显损失,且与进风口与排风口处风机对压力传播的抵抗有一定关系.

图9　设备舱内压力幅值随车速的变化曲线Fig.9　Pressure in equipment cabin changes with speed

如表2所示为动车组不同车速通过隧道时,设备舱内压差变化峰峰值及RMS.从表2的数据可知,设备舱内不同位置处的压差变化峰峰值有明显波动.为了便于比较设备舱内压差变化与车速的关系,计算设备舱内所有测点压差的RMS.当车速为200、250、300和350 km/h时,设备舱内测点压差峰峰值最大差距分别为10.2%、22.6%、15.3%和9%.

表2　设备舱内压差变化峰峰值

如图10所示为设备舱内各测点压差变化峰峰值的RMS随车速的变化曲线.可知,设备舱内压差变化峰峰值的RMS随车速的增大而迅速增大,且与车速的2.8次方呈线性关系.

图10　设备舱内、外压差幅值随车速的变化Fig.10　Differential pressure of equipment cabin changes with speed

3.2隧道内列车交会时设备舱气动压力变化

如表3所示为当动车组以不同车速于隧道中心交会时的车体表面压力变化峰峰值.可知,车体表面不同位置处压力变化峰峰值变化明显.

表3　车体表面压力变化峰峰值

如图11所示为车体表面测点压力变化峰峰值的RMS随车速的变化曲线.可知,车体表面压力变化峰峰值与车速的三次方呈线性关系,即隧道内交会对速度更加敏感.

图11　车体表面压力幅值随车速的变化曲线Fig.11　Pressure of train changes with speed

图12　不同车速下列车表面压力波形Fig.12　Pressure wave on surface of train under different speed

如图12所示为车体表面11号测点压力的变化曲线.可知,由于列车进入隧道速度不同,不仅导致压力波幅值不同,而且引起列车头尾入洞存在不同时间差,进而导致作用在车体上相同位置处的压力波形存在显著差异.

如表4所示为当动车组以不同车速于隧道中心等速交会时的设备舱内压力变化峰峰值.可知,设备舱内不同位置处的压力变化峰峰值变化存在差异,最大差异不超过6%,基本在2%左右.

表4　设备舱内压力变化峰峰值

如图13所示为设备舱内部13号测点压力变化曲线.可知,由于列车运行速度不同,引起隧道内的压力波形及幅值存在较大差异,加之压力波传播到设备舱不同位置存在时间差,导致设备舱内不同位置处的压力波有一定差异.

图13　不同车速下设备舱内的压力波形Fig.13　Pressure wave in equipment cabin under different speed

如表5所示为当动车组以不同车速于隧道中心交会时的设备舱内压差变化峰峰值.可知,车体表面不同位置处的压力变化峰峰值变化存在差异,当车速为200、250、300和350 km/h时,设备舱内测点压差峰峰值最大差距分别为12.5%、6.9%、3.2%和0.8%.

表5设备舱内、外压差变化峰峰值

Tab.5Differential Δp(pressure peak - peak value) of

equipment cabin

测点序号Δp/Pa200km/h250km/h300km/h350km/h2848105215832475372911211620248757301178151224217718117815702486877612251637248510711111415952450RMS754114615872468

如图14所示为设备舱内各测点压差变化峰峰值的RMS随车速的变化曲线.可知,设备舱内压差变化峰峰值与车速的平方呈线性关系；对于设备舱内压差变化而言,单车过隧道工况对速度更敏感.

如图15所示为设备舱内部5号测点压差变化曲线.可知,引起隧道内压力波形及幅值存在较大差异,加之压力波传播到设备舱内不同位置存在时间差,进而导致设备舱内不同位置处压差波有明显差异.

图14　设备舱内、外压差幅值随车速的变化Fig.14　Differential pressure of equipment cabin changes with speed

图15　不同车速下设备舱内、外压差波形Fig.15　Differential pressure wave in equipment cabin under different speed

4　结　论

(1) 列车单车通过隧道和于隧道中心等速交会两过程,设备舱外表面压力变化峰峰值均基本一致；设备舱内部各测点压力变化相差较小,但正、负峰值有一定差异；设备舱内不同位置处压差变化幅值差距相对较大.

(2) 单车过隧道车体表面压力变化峰峰值与车速的平方呈线性关系；隧道内交会车体表面压力变化峰峰值与车速的三次方呈线性关系.对于车体表面压力,隧道内交会对于速度比单车过隧道更加敏感.

(3) 设备舱内部压力变化峰峰值与车速的平方关系近似呈线性关系,随着车速的增加而增大；设备舱内压力变化峰峰值明显小于车外表面压力变化峰峰值.

(4) 设备舱内不同位置处压差变化峰峰值有明显波动.相对隧道中心交会而言,单车过隧道工况对速度更敏感.

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Equipment cabin aerodynamic performance of electric multiple unit going through tunnel by dynamic model test

NIU Ji-qiang, LIANG Xi-feng, ZHOU Dan, LIU Tang-hong

(KeyLaboratoryofTrafficSafetyonTrack,MinistryofEducation,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China)

A closed equipment cabin was designed to help train adapt the high, cold, wind and sand environment with the rapid development of high-speed railway. While trains going through and crossing in tunnel, there will be a big differential pressure appear in the closed equipment cabin. High-speed trains going through and crossing in tunnel with different speeds (200, 250, 300 and 350 km/h) were simulated by using dynamic model test method. Results of numerical simulation and test data were verified by each other. Results show that pressure waveforms of numerical simulation and test data were consistent, and amplitude difference between them was less than 6.8%. For the conditions of train going through the tunnel, there is a linear relationship between the amplitude of train surface pressure change and the square of train speed. For the conditions of trains crossing in the tunnel, the surface pressure is more sensitive to velocity, and there is a linear relationship between the amplitude of train surface pressure change and three power of train speed. The pressure change amplitude inside equipment cabin is significantly smaller than the one of train outside surface. The differential pressure change amplitude inside equipment cabin at different positions fluctuates significantly, and differential pressure caused by train going through tunnel is more sensitive to velocity than the one caused by train crossing in tunnel.

electric multiple unit (EMU); tunnel; equipment cabin; differential pressure; dynamic model test

2015-05-14.浙江大学学报(工学版)网址： www.journals.zju.edu.cn/eng

高铁联合基金资助项目(U1134203, U1334205)；国家自然科学基金资助项目(51575538)；湖南省自然基金资助项目(14JJ3028)；中南大学教师研究基金资助项目(2013JSJJ014)；湖南省研究生科研创新资助项目(CX2015B046)；中国铁路总公司科技研究开发计划重点课题资助项目(2013J008-E)； 中国铁路总公司科技研究开发计划资助项目(2013B001-A-2).

牛纪强(1988-)，男，博士生，从事列车空气动力学研究. ORCID: 0000-0002-0768-0788. E-mail: jiqiang_niu@163.com

通信联系人：梁习锋，男，教授. ORCID: 0000-0002-7396-1123.E-mail: gszxlxf@163.com

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.07.006

U 266

A

1008-973X(2016)07-1258-08