高速列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)

第33卷第3期力學(xué)進(jìn)展VoL 33 No. 32003年8月25日ADVANCES IN MECHANICSAr高速列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)Joseph A Schetz航空與海洋工程系,維吉尼亞工學(xué)院和州立大學(xué),布萊克斯堡,弗吉尼亞24061;E-mail: tiger@vt. edu摘要著(zhù)重描述了高速列車(chē)與其它交通工具在空氣動(dòng)力學(xué)方面的差異,重點(diǎn)在包括磁懸浮列車(chē)( Maglev)在內的現代高速列車(chē).這些差異與下述因素緊密相關(guān);高速列車(chē)貼近地面或軌道運行、其長(cháng)徑比遠大于其它交通工具、兩列火車(chē)會(huì )擦身而過(guò),與道旁建筑物相互干擾、常受到橫風(fēng)的干擾、通過(guò)隧道時(shí)會(huì )產(chǎn)生隧道出入口效應.本文綜述了最新的相關(guān)信息,涵蓋實(shí)驗技術(shù)和實(shí)驗結果、理論分析和數值方法關(guān)鍵詞空氣動(dòng)力學(xué),地面車(chē)柄、硫懸列車(chē)03131引言相對于空氣的速度,系數A為滾動(dòng)機械阻力Gawthorpe2把單位列車(chē)質(zhì)量的阻力系數A/m取為早在多年前人們就已經(jīng)開(kāi)始關(guān)注列車(chē)的空氣動(dòng)0.00802)N/kg,其中m為列車(chē)質(zhì)量,B1為其它力特性.盡管列車(chē)空氣動(dòng)力特性和其它車(chē)輛有很多機械阻力,包括傳遞損耗和剎車(chē)阻力, Gawthorpe相似之處,但也有許多很重要的不同之處,例如,飛取B1/m為(15×10-4~2.0×10-3)N/kg,表示機氣動(dòng)特性需要考慮流線(xiàn)型機體,而列車(chē)卻不同,它單位列車(chē)速度(m/s)所引起的單位列車(chē)質(zhì)量的阻力貼近地面或軌道運行長(cháng)徑比遠大于其它交通工具、系數.B2為空氣動(dòng)量阻力,在列車(chē)運行時(shí),發(fā)動(dòng)機有時(shí)貼身駛過(guò)道旁建筑物或其它列車(chē)、易受橫風(fēng)的干熱力循環(huán)、發(fā)動(dòng)機冷卻和車(chē)內空調等過(guò)程需要吸入大擾、運行速度低,通過(guò)隧道時(shí)則會(huì )產(chǎn)生隧道出入口效量空氣,B2就與加速這些空氣所需要的能量有關(guān)應.雖然汽車(chē)和卡車(chē)也行駛于地面,且相互駛過(guò)時(shí)也 Gawthorpe2取B2/L為(0.2~0.25)kg/s,是單位列會(huì )受到橫風(fēng)影響,但是和列車(chē)相比,后者的長(cháng)徑比更車(chē)長(cháng)度m)、單位列車(chē)速度(m/)的阻力系數,式大、時(shí)速更高本文將詳細討論上述差異以及不同之中L為列車(chē)長(cháng)度,最后是外部氣動(dòng)阻力,主要表示處,重點(diǎn)是現代高速列車(chē)的特性為系數CMuhlenberglll回顧了關(guān)于列車(chē)阻力的早期研究,引用了1910年 Schmidt在美國、1913年 StrahlCVA=1/2pVASCD(2)在德國和1927年 Mukhachev在俄國發(fā)表的公式,式中p為密度,S為列車(chē)迎風(fēng)面積,CD為阻力出了類(lèi)似的公式.系數如果列車(chē)的迎風(fēng)面積為10m2而長(cháng)300m,CD多年來(lái),1926年發(fā)表的Davs公式以及后來(lái)的修正值的范圍約在1.0,對于高度流線(xiàn)型的列車(chē)此值小形式都一直被廣泛應用對于露天運行的列車(chē),點(diǎn),對于貨點(diǎn),對于貨運列車(chē)此值應小于10~15.因為氣動(dòng)阻這些公式的統一形式為力主要起因于表面摩擦阻力,表面摩擦阻力又取決于R=A+(BI+B2)V+CV雷諾數Re,所以氣動(dòng)阻力正比于速度的冪方,而數略小于2.由于部分表面摩阻已包括在B2中,在其中R為列車(chē)運動(dòng)總阻力,V為列車(chē)相對靜止空氣該公式用于速度很高的情況時(shí),根據V2推算這些阻的速度.當環(huán)境風(fēng)比較叨顯時(shí),以上公式可改為力就會(huì )過(guò)大R=A+ BIVG+ B2VA+CVA(1b)對于時(shí)速為(250~300km/h的流線(xiàn)型列車(chē)來(lái)說(shuō),總阻力的75%~80%起因于外部氣動(dòng)阻力2,式中v為列車(chē)相對地面的速度,而VA為列車(chē)在這中國煤化工30%為表面摩阻,約Annual Review Fluid Mechanics惠允翻譯此文( Published with是譯者加的CNMHGFuid Mechanics關(guān)鍵詞8%~13%為車(chē)首對于車(chē)尾的壓差阻力,38%~47%力系數CD會(huì )引起30%的誤差. willemsen(外推為和轉向部件相關(guān)的干擾阻力,還有8%~20%為導 German-Dutch高雷諾數風(fēng)洞實(shí)驗數據,與全尺度結電架和其它車(chē)頂設備的阻力.顯然,如果要著(zhù)手研果相比,吻合很好(誤差約10‰)究運行速度較高的列車(chē),比如磁懸浮列車(chē)( Meglev)對于任何一種地面車(chē)輛的風(fēng)洞和水洞實(shí)驗來(lái)或其它新概念列車(chē),外部氣動(dòng)阻力應是主要考慮對說(shuō),最具有挑戰性的問(wèn)題是恰當地模擬地面或車(chē)軌產(chǎn)生的重要影響在最簡(jiǎn)單的實(shí)際情況下,地面和風(fēng)是引言部分僅考慮無(wú)風(fēng)露天以及單個(gè)列車(chē)水平方靜止的,而車(chē)輛是運動(dòng)的而在風(fēng)洞或水洞中地面和向運行這些簡(jiǎn)單情況下的氣動(dòng)阻力下面將對更復雜車(chē)輛模型是靜止的,空氣(或水)是運動(dòng)的以上2種的情況進(jìn)行探討:(1)風(fēng),特別是橫風(fēng);(2)隧道內情況下的最終流場(chǎng)是不同的,來(lái)自與 ONERA(Oe運行(3)列車(chē)相互駛過(guò)或駛過(guò)站臺建筑物()氣動(dòng) National d' Etudes et de Recherches aerospatial)噪音,或者上述因素的綜合影響最后一章將介紹磁流場(chǎng)顯示動(dòng)畫(huà)證實(shí)了這一事實(shí).人們做了很多努力懸浮列車(chē)引起的一些特殊問(wèn)題.本文還引述了升力以模擬這些影響,比如應用抽吸技術(shù)或者使用鏡面側向力、力矩和流場(chǎng)分布等內容在每一章中,首先給對稱(chēng)布置的雙模型去除壁面邊界層,但是迄今為止出全尺度列車(chē)或實(shí)驗室尺度列車(chē)模型的實(shí)驗資料,然最令人滿(mǎn)意的方法是用傳送帶拖動(dòng)風(fēng)洞壁面技術(shù)后是簡(jiǎn)化理論分析和復雜的CFD模型介紹傳送帶的速度要和風(fēng)洞的氣流速度匹配,和汽車(chē)模2沒(méi)有橫風(fēng)時(shí)的單行列車(chē)型實(shí)驗相比,對高速列車(chē)實(shí)驗來(lái)說(shuō)這種技術(shù)更具有挑戰性. Baker和 Brockie的報告指出,不同類(lèi)型的風(fēng)洞地面模擬方法會(huì )引起不大于10%的阻力誤21實(shí)驗數據上節引用的阻力計算公式都是根據全尺度車(chē)軌是很重要的差,對升力的影響將更大,而對磁懸浮列車(chē)來(lái)說(shuō)升力實(shí)驗數據與亞尺度風(fēng)洞、水澗、實(shí)驗水池或實(shí)驗車(chē)軌也許有人會(huì )問(wèn)應用哪類(lèi)風(fēng)洞有利于得到高速列實(shí)驗數據綜合所得全尺度車(chē)軌實(shí)驗數據比較受歡車(chē)空氣動(dòng)力特性的可靠結果呢?在 Saint-Cyr氣動(dòng)迎,因為這可以避免尺度問(wèn)題以及下面將提到的其它重要因素的影響測力車(chē)廂和列車(chē)整合在一起,以的sNcm( Societe National des Chemins de技術(shù)學(xué)nicas)22m×175mx15m安裝有地面傳送帶便測量列車(chē)各部件上的阻力從總阻力值減去機械阻的風(fēng)潤可供參考剛!據 guihenL'的報告稱(chēng),應用這力就可得到氣動(dòng)阻力2,而測量列車(chē)總阻力時(shí)常應設備,法國的高速列車(chē)TGV的模型實(shí)驗和全尺度用和測量汽車(chē)總阻力相近的慣性運行技術(shù) coasting慣性運行實(shí)驗( (coasting test)的結果吻合良好technique)9.全尺度實(shí)驗除費用很高以外,還有其它問(wèn)題,其中最棘手的問(wèn)題是環(huán)境風(fēng)的影響,特別是上述的地面影響可采用使實(shí)驗車(chē)輛在軌道上運橫風(fēng),因為它對氣動(dòng)阻力影響很?chē)乐匦械姆椒▉?lái)減輕一些. Hamburg船舶學(xué)院在船模實(shí)鑒于全尺度實(shí)驗中的問(wèn)題,大部分高速列車(chē)驗水池中進(jìn)行的實(shí)驗,是在此水池的底面上牽引一個(gè)氣動(dòng)力特性研究是應用亞尺度模型在實(shí)驗設備上進(jìn)倒裝實(shí)驗模型,并得到了很理想的結果.很顯然,在行的在某些情況下,流動(dòng)條件是可以控制的,但也此實(shí)驗中必須要避免氣穴現象( cavitation)的影響會(huì )引起一系列嚴重問(wèn)題首先和進(jìn)行任何車(chē)輛的亞英國的鐵道研究所開(kāi)發(fā)了一種新式實(shí)驗設備,尺度模型氣動(dòng)實(shí)驗一樣,必須注意模型的縮比尺度如圖1所示,模型比例為1/25,軌道總長(cháng)136m,實(shí)要恰當.理想情況下模型的雷諾數He和馬赫數M驗模型的推進(jìn)系統是橡皮發(fā)射器,制動(dòng)系統包括活塞都要和全尺度車(chē)輛相匹配例如在全尺度情況下,缸、活塞、鋼纜和制動(dòng)鉤,其中活塞和制動(dòng)鉤通過(guò)鋼馬赫數為M<02,如果不考慮波傳播現象或它的作纜連接,用于實(shí)驗模型到達軌道終點(diǎn)時(shí)的制動(dòng)用并不重要,那么模型的馬赫數也只能是M<0.2;為了研究橫風(fēng)、隧道出入口及其它物理現象的影再如,假設相對于列車(chē)的氣流速度對模型和全尺度響,建造了一些特殊實(shí)驗設備,本文將在后面討論列車(chē)來(lái)說(shuō)是近似相同的,那么,實(shí)驗室的雷諾數Re對于各種阻力成分的實(shí)驗研究,這里首先考慮列就會(huì )明顯地遠小于全尺度車(chē)輛的雷諾數Re兩者的車(chē)車(chē)頭和車(chē)尾截面上的壓差阻力詳細的研究121比例等于模型與原型的尺度比這個(gè)問(wèn)題是所有車(chē)輛表明,如果模型沒(méi)有銳邊,大量細長(cháng)實(shí)驗模型測得的模型實(shí)驗都要遇到的,但對列車(chē)來(lái)說(shuō)這個(gè)問(wèn)題更為的壓差阻力沒(méi)有明顯差異圖2給出了典型的風(fēng)洞重要因為列車(chē)很長(cháng)列車(chē)的模型實(shí)驗存在許多特殊實(shí)驗壓力分布曲線(xiàn)和無(wú)黏面元方法( (inviscid panel問(wèn)題,因其存在一些小尺度的產(chǎn)生阻力的重要阻力構 method)預測曲線(xiàn)的比較.壓差阻力對列車(chē)總阻力的件,如轉向器、導電架和車(chē)廂間的間隔等.目前認為頁(yè)獻很小而目形阻多由車(chē)底動(dòng)來(lái)控制而不是由列實(shí)驗模型的尺度至少應是原型的1/103. Baker和車(chē)中國煤化工頭和車(chē)尾的形狀對Broe指出由模型實(shí)驗數據推算全尺度車(chē)輛的阻列CNMHG,高速列車(chē)總是設405模型橡皮發(fā)射器加速車(chē)架制動(dòng)管組制動(dòng)鉤圖1英國鐵道研究所研制的動(dòng)模型實(shí)驗設備(來(lái)自于So1,援授權再版350400450計算實(shí)驗2003004005006007003002001000圖2車(chē)頭模型上壓力分布測量和計算結果[2,1習計為可以雙向行駛的,牽引車(chē)廂和尾廂相同,因此車(chē)齊的門(mén)窗、細心設計車(chē)廂間隙結構和車(chē)底的機件.車(chē)頭和車(chē)尾的形狀可以假定一樣車(chē)尾的形狀更是無(wú)關(guān)體的氣動(dòng)設計是一個(gè)值得不斷關(guān)注的領(lǐng)域7.據報大局,原因是列車(chē)運行時(shí),車(chē)尾深浸在沿車(chē)身發(fā)展的導,通過(guò)在車(chē)頭、車(chē)裙、車(chē)底、轉向架以及內嵌構架個(gè)厚的湍流邊界層里上安裝整流器,可以把作用在這些機件上的氣動(dòng)阻力下面我們將考慮湍流邊界層及其對列車(chē)總阻力降低約20%的影響.流場(chǎng)數據表明,Cf(Cr≡Tv/(1/2pv2),其對高速電力列車(chē)來(lái)說(shuō),導電架的氣動(dòng)力學(xué)是一個(gè)中u為壁面剪應力的范圍高達000低至00較為重要的問(wèn)題因為升力影響到導電架和電力線(xiàn)的因為列車(chē)周?chē)牧鲃?dòng)是三維的系數沿車(chē)身及其周邊變化很大. Baker和 Brockie14推薦此系數的△SNCF(法國國營(yíng)鐵路公司)帶UIC車(chē)廂的火車(chē)值在0002-000之間. Sockel給出沿不同車(chē)體日日本電氣列車(chē)的邊界層厚度(6)的值(圖3,由圖3可知,邊界層位5oDB帶Avim車(chē)廂的車(chē)頭103移厚度(6)的范圍是6/8~6/12. Baker等對安裝在動(dòng)軌道上的列車(chē)模型實(shí)驗測量,得到了邊界層的剖面,他們的報告指出邊界層的形狀因子(H=6’/6,其中θ為動(dòng)量厚度)沿車(chē)身長(cháng)度方向保持為一個(gè)稍大△于10的常數. Parado等在風(fēng)洞中通過(guò)傳送帶上的模型實(shí)驗給出了沿車(chē)頂的邊界層剖面和TG0.0406080100120140模型后橫截面上的速度分布,結果見(jiàn)圖4第一節提及諸如轉向器、導電架等部件對總阻力都有所貢獻,對此值得特別注意所有的現代高速列中國煤化工的邊界層厚度測量結果車(chē)都應用了以下氣動(dòng)優(yōu)化措施,比如光滑的車(chē)身、平CNMHG406力問(wèn)題.最佳效果是應用升力處于中性狀態(tài)的導電架.代表性的工作有 Althammer[8的研究.應用整流器可使阻力減少約50%,而伸縮式導電架可使其阻力減少約90%同應用內燃機推進(jìn)的高速列車(chē)涉及更特殊的氣動(dòng)問(wèn)題,其中包括吸氣排氣和冷卻系統的設計,這一領(lǐng)域的技術(shù)也是諸如汽車(chē)等非鐵道領(lǐng)域的研究范圍.吸氣部分的設計受到列車(chē)雙向運行需要的限制,為了o E+-#H避免排氣被再次吸入,進(jìn)氣道一般布置在車(chē)底或兩0.00.20.60.8側,而排氣道布置在車(chē)頂,這種布置方案也有助于防U/Vr止吸入雨水、灰塵、碎渣,也可以降低排氣噪音和污a)x=4407mm處車(chē)頂邊界層外形染等.當時(shí)速超過(guò)約150km/h,人們發(fā)現進(jìn)氣道不能放在距車(chē)頭15倍車(chē)寬范圍內,也不能放在車(chē)頂的拐角區分析研究結果主要來(lái)自于兩類(lèi)分析,第一類(lèi)包括前節描述的那些簡(jiǎn)單參數相關(guān)關(guān)系,第二類(lèi)基于計算機處理,包括應用無(wú)黏方法,或者是應用了湍流、Reynods平均Ns方程(RANS)的復雜的CFD分析,基于數據相關(guān)關(guān)系的阻力分析,其阻力系數CD10001可表示為1(b)車(chē)尾300mm后尾流截面速度CD=CDL CB+Ar(lT-lL)/AL/2(3)其中CDL為牽引車(chē)或火車(chē)頭的阻力系數;CB為列圖4在風(fēng)洞中測量到的TGV模型附近的速度分布車(chē)尾部阻力系數;為車(chē)身摩擦阻力系數,包括轉(來(lái)自于 Parado等(1,鐵道技術(shù)研究所授權)向器、車(chē)輪、車(chē)廂連接部和底面的阻力影響;l和lx分別是列車(chē)全長(cháng)和牽引車(chē)部分的長(cháng)度. Cockell接觸力,所以不僅要考慮它的氣動(dòng)阻力,還要考慮升匯總了這些參數的典型數據值,其值見(jiàn)表1表1列車(chē)阻力和摩擦系數1IT IL CuAPT-P20HST2,110.110.0192MKI常規旅客列車(chē)2001180%載客量6.5Shinkansen 2000.062421.5224.50200160ICE102115200.120.200125a,APTP,高級旅客列車(chē);HST,高速列車(chē);ICE,城際快車(chē)b.星號表示估計值最簡(jiǎn)單的應用計算機分析的方法是無(wú)黏面元方?jīng)r下,基于無(wú)黏面元方法的CFD分析結果和實(shí)驗的法,在圖2中已給出此類(lèi)結果和實(shí)驗結果的比較兩壓力數據是吻合的四2種結果的符合程度還是不錯的.但是在有橫風(fēng)情況下RAPIDE項目涉及了CFD計算、模型實(shí)驗的吻合情況就急劇惡化另外,這種無(wú)黏面元方法不和全尺度實(shí)驗的驗證. Matschke等2給出了運行能分析黏性阻力,而黏性阻力對流線(xiàn)型和高r/42時(shí)速達280km/h總長(cháng)205m的城際快運列車(chē)(ICE值的高速列車(chē)來(lái)說(shuō),是非常重要的.應用黏性CFD2, Inter City Express)的一些很有意義的近期分析結程序研究鐵道空氣動(dòng)力學(xué)是從20世紀80年代初期果開(kāi)始興起的21. Gaylard的文章回顧了19年以前3中國煤化工影序的CFD研究由包括風(fēng)洞實(shí)驗驗的關(guān)于列車(chē)的CFD研究,并且指出在沒(méi)有橫風(fēng)的情證,CNMHG(a尾車(chē)的壓力分有和沉線(xiàn)圖y(b)牽引車(chē)廂的水平速度分量計算結果(c)牽引車(chē)廂的水平速度分量測量結果圖5列車(chē)1CE2流場(chǎng)計算(來(lái)自于 Dutschke等2習,wwR9,鐵道技術(shù)研究所授權)3橫風(fēng)效應約為10%,在大風(fēng)天氣里,如果橫風(fēng)按照BSF(Beaufort Scale Force)標準風(fēng)力為8級,則會(huì )引起氣動(dòng)阻橫鳳對列車(chē)空氣動(dòng)力特性有很多重要的影響也力增加約50%. Peter[的結論認為,如果列車(chē)運行許有人會(huì )認為,如果提高現代高速列車(chē)的運行時(shí)速就時(shí)速為(250~300)km/h,風(fēng)速15m/s,在迎風(fēng)角為可以減小給定橫風(fēng)分量時(shí)相對應的實(shí)際偏航角,從而30°最?lèi)毫拥那闆r下,將會(huì )增加60%的氣動(dòng)阻力可以減小橫風(fēng)的影響然而實(shí)際情況并非如此,實(shí)現橫風(fēng)不僅對氣動(dòng)阻力,而且對升力、側向力和氣現代列車(chē)的高速運行,必須通過(guò)改進(jìn)結構設計和提高動(dòng)轉矩都有影響,而這些參數對列車(chē)穩定性評估都材質(zhì)來(lái)盡可能地減輕列車(chē)的自身重量,這一些措施的是很重要的最近人們對這一課題的興趣越來(lái)越濃,最終結果是加大了橫風(fēng)的影響Hine和 Matschkel2把沒(méi)有動(dòng)力、輕質(zhì)、高速的車(chē)橫風(fēng)最直接的作用是對氣動(dòng)陽(yáng)力的影響橫風(fēng)速輛安裝在列車(chē)牽引位置上,實(shí)驗表明由于強風(fēng)作用而度和列車(chē)運行速度合成即形成偏航角,對于現代列使迎風(fēng)側車(chē)輪卸載而列車(chē)在離開(kāi)隧道時(shí)遇到強風(fēng)將車(chē)來(lái)說(shuō),在B<30°的情況下,偏航角和阻力系數之使列車(chē)陷入類(lèi)似的特別惡劣的運行環(huán)境間的簡(jiǎn)單相關(guān)關(guān)系由文獻24給出31實(shí)驗數據CD(6)=CD(0)(1+0.02)Gawthorpe2估計,和列車(chē)以時(shí)速150km/h在無(wú)風(fēng)中國煤化工尺度實(shí)驗得到,盡管這天氣里運行相比,日平均橫風(fēng)力引起的氣動(dòng)阻力增加CNMHGHeine和 Matschke(果.圖6給出了在不同列車(chē)外形軌道基礎和噪音隔離棚情況下的翻轉力道施加的慣性力時(shí)存在困難27Baker和 Humpherys曾試圖就各種風(fēng)洞模擬過(guò)程對模型氣動(dòng)力的影響得出-些結論,但是他們只研究了具有棱邊形的列車(chē)模型.他們首先得到的結論是:橫風(fēng)對地面車(chē)輛的平均側向力系數對風(fēng)澗模擬的種類(lèi)并不敏感,而圓角化的車(chē)輛將顯示出對Re數更大的依賴(lài)度.另一方面, Baker和 Humpherys發(fā)0040心|■開(kāi)放式道堤現升力系數非常依賴(lài)于實(shí)驗布置和實(shí)驗條件,并推薦噪音隔離柵應用高Re數和移動(dòng)模型在列車(chē)穩定性研究中氣動(dòng)轉矩是一個(gè)有意義的問(wèn)題,人們發(fā)現它主要由側向力引起,而升力的貢獻圖6不同風(fēng)速和不同道旁布置條件下列車(chē) InterRegio氣很小.對于高速列車(chē)的設計,轉矩隨偏航角的變化關(guān)動(dòng)轉矩來(lái)自于 Heine和 Matschkel20,系由圖7給出,牽引車(chē)廂上的壓力分布產(chǎn)生對轉矩TRANSs測果協(xié)會(huì )授權)的影響比后續車(chē)廂大.在偏航角<45°時(shí),轉矩與偏航角呈線(xiàn)性遞增關(guān)系,而偏航角>45°后轉矩就為在實(shí)驗室內試驗,使得特殊運行條件可以重復操一個(gè)定值作,易于測量,但也會(huì )引起模型尺度和相似條件的嚴風(fēng)洞實(shí)驗結果可以用來(lái)為列車(chē)在橫風(fēng)中運行設重問(wèn)題例如,在風(fēng)洞中具有偏航角的長(cháng)模型引起的定上限82.但Pee2以及 Baker和Hum氣流滯塞作用明顯增大.另外,應用傳送帶技術(shù)模擬 theres③s指出在應用沒(méi)有考慮大氣湍流影響的實(shí)地面作用,傳送帶是否也象模型那樣需要有一個(gè)偏轉驗數據時(shí)要加倍小心角?這些考慮會(huì )引起機械裝置的復雜性,而且傳送帶露出的外緣也會(huì )帶來(lái)干擾.實(shí)際上,如要模擬地面的關(guān)于橫風(fēng)對列車(chē)的總體影響研究正在進(jìn)行,包括問(wèn)題就來(lái)自于軌道基礎和支架列車(chē)可能運行在9°橫風(fēng)影響的各種方法還有通過(guò)柵欄來(lái)減少影響2,問(wèn)題是相當復雜的,因為最棘手的橫風(fēng)作用的橫風(fēng)中,此時(shí)有效偏航角相對運行方向為40°,這橫風(fēng)的影響并不局限于列車(chē)主體的氣動(dòng)特性.如就要求風(fēng)洞實(shí)驗時(shí)模型應有40°的偏航角相隨而來(lái)對電動(dòng)列車(chē)來(lái)說(shuō)橫風(fēng)可能導致車(chē)頂導電線(xiàn)路或列車(chē)的問(wèn)題是軌道受90°的橫風(fēng)干涉,而實(shí)驗中卻象列車(chē)導電架的故障②.故障的原因通常是橫風(fēng)施加給縮樣只設了40°的偏航角另一個(gè)問(wèn)題是在實(shí)驗室尺放儀的升力增加了,導電架上升從而脫離供電線(xiàn)路度下適當地模擬大氣邊界層在建筑物風(fēng)載研究中就有人關(guān)注了這一問(wèn)題, Cooper2也給出了他在做地面車(chē)輛實(shí)驗時(shí)得到的相關(guān)數據鑒于這些考慮,風(fēng)只有牽引車(chē)洞實(shí)驗趨向2個(gè)方面:其一是在風(fēng)洞中把相對較大尺度并有偏航角的模型放在抬高的周定的底板上,這一方法可以合理模擬雷諾數Re,但是不能體現移0.3后續車(chē)廂動(dòng)地面效應和大氣邊界層的作用;其二是把小尺度模型放在固定地板上,使其暴露在精心設計的大氣邊界層內對于橫風(fēng)的關(guān)注和研究主要集中在非穩定陣風(fēng)上, Bearman和 Mullarkey2在風(fēng)洞實(shí)驗中使用襟翼來(lái)產(chǎn)生陣風(fēng), Dominy和 Docto(在開(kāi)式風(fēng)洞( open-throat wind tunnel)中應用橫向噴射器產(chǎn)生陣0102030405060708090風(fēng).以上2個(gè)研究組都是做公路車(chē)輛實(shí)驗的偏航角/(°)所有這些考慮引發(fā)了眾多移動(dòng)模型實(shí)驗方案7在橫向風(fēng)作用下列車(chē)的氣動(dòng)轉矩特征(來(lái)自于圖1已描述其中一例,也已提及了船模水池中進(jìn)行Gawthorpe27, Elsevier Science授權)的列車(chē)模型實(shí)驗.主要想法是在風(fēng)洞中,把實(shí)驗模型沿地面軌道發(fā)射,以便模擬流動(dòng)的大氣邊界層.地面風(fēng)洞實(shí)驗表明,存在2個(gè)偏航角區,可通過(guò)列車(chē)效應和橫風(fēng)也可通過(guò)移動(dòng)模型實(shí)驗來(lái)模擬.當然,這背風(fēng)面的渦流型來(lái)區分.當偏航角<45°時(shí),就會(huì )形些實(shí)驗也帶來(lái)了新的問(wèn)題,比如為了保證列車(chē)模型成能平穩運行就需要實(shí)驗軌道足夠光滑、精確安裝.另中國煤化工現的現象相類(lèi)似的外,模型的載荷平衡間題也使得在區分氣動(dòng)載荷與軌后CNMHG地面邊界層脫落,然角大于60°后,背風(fēng)面的流場(chǎng)就類(lèi)似于橫風(fēng)中圓柱體后的流場(chǎng).如果偏航驗中,把偏航角為60°的模型安裝在地板上,通過(guò)油角在45°和60°之間,背風(fēng)面的流場(chǎng)就在以上兩種流顯示得到了列車(chē)背風(fēng)面的流型,圖8給出了這些模式之間變化7.192年Cin和Sque在風(fēng)洞實(shí)結果流動(dòng)方向流動(dòng)方向開(kāi)式分離截面IIS一截面II截面Iva)表面流線(xiàn)圖截面I截面Il截面IIl截面IV截面V(b)尾跡的軸向發(fā)展圖8列車(chē)在橫向風(fēng)中的尾跡渦(來(lái)自于Chiu和 Squire[37), Elsevier Science授權)32分析計算結果與實(shí)驗數據比較的詳細資料可見(jiàn) Copley③8上一節的式(4)給出一個(gè)簡(jiǎn)單的典型數據關(guān)和Chin的文章系自上一世紀90年代初期以來(lái),基于RANS控制Copley應用面元法( panel method)來(lái)分析偏方程和ke湍流模型的現代CFD計算方法已經(jīng)應用航運行的列車(chē)模型,并給出了與風(fēng)洞研究的比較結到包括橫風(fēng)的列車(chē)氣動(dòng)問(wèn)題的研究中.早期二維近似果.在現代設計的具有25°偏航角的車(chē)頭附近,三維的研究工作對于較大偏航角的情況比如90°來(lái)說(shuō)面元法可以給出不錯的流場(chǎng)預報,因為此時(shí)流動(dòng)幾乎人們認為有一定的有效性21沒(méi)有分離,尾跡流的影響也很弱.對偏航角更大或在基于RANS和重整化群理論kε湍流模型的沿車(chē)體更遠的部位,背風(fēng)面的流動(dòng)分離現象必須要考 TRANSAERO程序,.包含了風(fēng)洞實(shí)驗和全尺度模慮并加以模擬.對于這些問(wèn)題模擬計算,應用面元法型實(shí)驗數據,可用來(lái)研究列車(chē)空氣動(dòng)力特性,其中包是很困難的,除非通過(guò)實(shí)驗或邊界層分離計算等方括橫風(fēng)的影響研究.這一CFD程序應用了近8×10°法得到流場(chǎng)分離的位置并應用到面元法計算中.偏中國煤化工3種方法研究得到的航角很大的情況下,二維模型就可以成功模擬沿車(chē)體離開(kāi)車(chē)頭較遠區域的流場(chǎng).關(guān)于面元分析法以及人 CNMHG應用移動(dòng)模型和靜止力損失(△Ps)Now=k(1/2p1.2(APs)Tail=kr(1/2pVaail annulus) (6)a.o00靜態(tài)模型風(fēng)洞實(shí)驗注意對于長(cháng)列車(chē)來(lái)說(shuō),在車(chē)頭和車(chē)尾2處,車(chē)體與隧梓動(dòng)型實(shí)驗道之問(wèn)環(huán)面上的速度通常是不同的. hardy446給倉民度實(shí)驗出這些系數的估計值,對于流線(xiàn)化的車(chē)頭,kN約FD計算01或小一點(diǎn),而kr≤R2. Gaillard4認為和運行在露天相比,列車(chē)在隧道中運行時(shí)表面摩阻系數因子增長(cháng)為(1+221R,然而, vardy4.4指出這個(gè)因圖9關(guān)于全尺度和亞尺度、行使和靜止的列車(chē)側向力和轉矩子很難確定.據 Vardy估計,對于典型情況摩阻和車(chē)測量結果以及雷諾平均NS方程CFD計算結果的比較(來(lái)自于 Matschke等40,鐵道技術(shù)研究所授權)頭車(chē)尾壓差阻力的比值約為55Gawthorpe等47利用類(lèi)似的公式估算了隧道長(cháng)度、阻塞率和車(chē)體形狀對阻力的影響. Sockelllll給出4列車(chē)—隧道效應了限于長(cháng)隧道流線(xiàn)形車(chē)體的結果,但包含了列車(chē)加速度和周邊空氣的影響作用.比值T=CD/CD(0)隨高速列車(chē)的鐵路涉及到越來(lái)越多的隧道,其原因著(zhù)車(chē)長(cháng)的增加而減小,但在通常的阻塞率R=01有多種其中包括:(1)在人口密度高的區域有環(huán)境02范圍內,2與隧道長(cháng)度和列車(chē)速度沒(méi)有關(guān)系,方面的考慮;(2)不斷增長(cháng)的閑置平整地面的匱乏問(wèn)這與全尺度實(shí)驗結果相吻合2題;(3)高速運行要求車(chē)軌更直高速列車(chē)在隧道中4,2列車(chē)-隧道中的壓力波運行涉及到的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,體現在2個(gè)相互依當列車(chē)通過(guò)隧道時(shí),將產(chǎn)生一系列的壓縮波和膨賴(lài)的現象中,即壓力波的形成和阻力的增加·在長(cháng)隧脹波,并以近似聲速的速度沿隧道傳播.這些波在隧道中,阻力增加是主要的,而對于較短的隧道,在其道進(jìn)出口區域對列車(chē)和乘客引起一些問(wèn)題人們認為入口和出口的脈沖壓力則引起了更多問(wèn)題可以容忍的壓力變化范圍應在(1~4)kPa之間,脈41隧道中的氣動(dòng)阻力寬為(4~10)s,而現代高速列車(chē)運行都通近這些極限(.壓力波增加了列車(chē)結構的負載,同時(shí),如前隧道中列車(chē)的氣動(dòng)阻力能相當多地超過(guò)同一列文所述,壓力場(chǎng)還會(huì )影響氣動(dòng)阻力車(chē)在露天運行時(shí)的阻力,這主要依賴(lài)于列車(chē)在隧道中的阻塞率R( blockage ratio)、隧道和列車(chē)的長(cháng)度、圖10給出的單列ICE列車(chē)在雙軌隧道中運行車(chē)頭和車(chē)尾的形狀、空氣柱的存在、隧道橫向連接結時(shí)的壓力-時(shí)間曲線(xiàn),可以用來(lái)分析一些問(wèn)題.此壓力-時(shí)間曲線(xiàn)顯然描述了一個(gè)非常復雜的波動(dòng)過(guò)構、隧道壁面的粗糙度、列車(chē)的粗糙度以及在隧道中程,其中包括了利用圖1所示實(shí)驗設備得到的125是否有其它列車(chē)同時(shí)存在關(guān)于列車(chē)在隧道中的空氣模型實(shí)驗數據和全尺度實(shí)驗數據,而且很容易看到這動(dòng)力特性的實(shí)驗研究,可以在全尺度(Mtuo4和Ⅴardy& Heinkel2)或實(shí)驗室模型尺度條件下進(jìn)行,些結果吻合得很好(ΔP在6%之內)圖11給出一典可以應用圖2所示的實(shí)驗設備o或較新的移動(dòng)模型的計算結果,這將在下文詳細論述,它很有助于理型設備,后者可以以高達500km/h時(shí)速發(fā)射實(shí)驗模解這類(lèi)復雜流動(dòng)的主要特征.圖11a)為xt曲線(xiàn)型圖11(b)為離開(kāi)車(chē)頭20%車(chē)長(cháng)處某點(diǎn)上的超壓-時(shí)間曲線(xiàn)(△P-t).首先,當列車(chē)駛進(jìn)隧道時(shí),頭部產(chǎn)與其它車(chē)輛類(lèi)似列車(chē)阻力是壓阻和表面摩阻的生一個(gè)壓縮波,此壓縮波到達隧道出口時(shí)反射回來(lái)一合力,但是跟在露天中運行相比,在隧道中運行時(shí)這個(gè)膨脹波當列車(chē)尾部也進(jìn)入隧道時(shí),產(chǎn)生一個(gè)膨脹2類(lèi)阻力的值會(huì )有所改變在隧道的入口和出口產(chǎn)生波,并在出口反射一個(gè)壓縮波由圖10可見(jiàn)最大的很強的壓力波,在隧道內的水平壓力梯度沿列車(chē)發(fā)壓力脈沖發(fā)生在隧道中部(圖中用AB標記,這是由展.列車(chē)周?chē)牧鲌?chǎng)很明顯地改變了,特別是在車(chē)頭于頭部和尾部的反射波之間復雜的相互作用、車(chē)頭附下游或尾部的任何分離區都會(huì )受到影響,從而影響頭近壓力變化以及車(chē)身周邊摩擦作用等原因形成的隧部和尾部阻力道氣柱可以減小此壓力脈沖的強度0列車(chē)在隧道內運行的氣動(dòng)總阻力通常表示為頭現分析一下這些復雜的流動(dòng)現象此類(lèi)流動(dòng)問(wèn)題部損失系數kN和尾部損失系數k的函數4,其通中kN代表頭部滯止壓力損失,h代表尾部滯止壓煩中國煤化工其分析是很困難和一某些主要特征可以應CNMHG40(1.6)E名區1275(5.1)215(86)A壓線(xiàn)一)襪型長(cháng)圖10列車(chē)通過(guò)隧道過(guò)程中壓力歷史的全尺度測量和1:25模型尺度測量的比較(來(lái)自于Pope, BHR Group Ltd授權)用理想化模型來(lái)預測1.很多學(xué)者應用了一維非定A BCD EFGH常等熵流.對隧道入口壓縮波引起的壓升,圖121000.0比較了全尺度測量和理想化模型預測的結果.日20000下面的分析假設流動(dòng)是一維、非定常、絕熱、可壓縮流隧道和列車(chē)的壁面摩擦作用則根據準穩態(tài)假4000.0設在動(dòng)量方程中考慮,列車(chē)壁面所做的功放在能量方5000.00016.032.048.064080.0960112.0程中由此所得到的雙曲型偏微分方程可以應用特征時(shí)間/s線(xiàn)法來(lái)求解,文獻(1有更詳細的討論]圖11給(a)車(chē)尾軌跡和波的傳播線(xiàn)出應用這一方法得到的結果在此流動(dòng)過(guò)程的初期,瞬態(tài)壓力通常吻合得非常好,但是隨著(zhù)時(shí)間的延續,這一理論就低估了壓力波的衰減效應,原因可能是非定常摩擦、準穩態(tài)邊界條件假設、忽略傳熱、和/或40o假設列車(chē)和隧道壁面是多孔的有幾位學(xué)者已經(jīng)應用了三維非定常Euer方程30位置,車(chē)頭20m后來(lái)求解列車(chē)/隧道問(wèn)題25.圖13對CFD計算和0.016.032.048.064.0800960112.0模型實(shí)驗得到的壓力系數-時(shí)間曲線(xiàn)作比較是不錯時(shí)間/sb)車(chē)頭20m后一點(diǎn)的壓力歷史曲線(xiàn),R=0.363對于隧道中沿高速列車(chē)產(chǎn)生的非定常流場(chǎng),已圖11列車(chē)通過(guò)隨道過(guò)程壓力計算值(來(lái)自于 Schulte經(jīng)有幾個(gè)大尺度 RANS CFD研究,這類(lèi)流動(dòng)會(huì )引起Socket4y, Addison Wesley Longman授權)中國煤化工k應用了標記單元方法)、三維非定?？蒀NMH氣列車(chē)在隧道和露天運412行時(shí)的流動(dòng)過(guò)程.他使用了198×10個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)和道內的流場(chǎng).圖14給出了沿列車(chē)側面的瞬態(tài)渦量分176×10°萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)分別計算露天部分的流場(chǎng)和隧布圖,可以看出隧道內流動(dòng)的非定常性是很?chē)乐氐?列車(chē)型號1(R=01m)TGFo3D/ DEXTOP N. A=0.266運行的壓力系數比較BA3=30II(R=0.203)口Iv(R=0.159)Tg- tlo 3D:V/kmh-時(shí)間/s圖12列車(chē)進(jìn)入隧道后壓升,傘尺度測量和簡(jiǎn)單一維非定常計圖13列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)的瞬態(tài)壓力,模型尺度測量結果和三維算結果比較(來(lái)自于 Matsuo等1,BHR集團公司非定常 Euler方程數值計算結果的比較(來(lái)自于Gre授權)gorie等2),BHR集團公司授權)a)露天運行的列車(chē)(b)隧道中運行的列車(chē),從隧道中心君(c)隧道中運行的列車(chē),從隧道側壁看圖14列車(chē) Shinkansen側面渦的計算結果(來(lái)自于 Suzuk54, M Suzuki授權)40%555列車(chē)與列車(chē)之間以及列車(chē)與道旁列車(chē)行駛引起的滑流( slipstream)風(fēng)力會(huì )引起嚴建筑物的相互作用重的道旁問(wèn)題,它引起的高度紊流可能危及站臺上的乘客、小貨車(chē)、行李及包裹等.在第3節已經(jīng)討論過(guò),列車(chē)誘導的流場(chǎng)的主要特征是背風(fēng)面的強烈渦當單一列車(chē)在空氣中駛過(guò),它會(huì )誘導一個(gè)復雜的旋環(huán)境風(fēng)的變化引起的非定常作用會(huì )進(jìn)一步惡化上流場(chǎng)這就意味著(zhù)道旁建筑物或過(guò)行的其它列車(chē)上的述高度非均勻的流場(chǎng)現代高速列車(chē)設計中比較典型流場(chǎng)對這一列車(chē)來(lái)說(shuō)是很重要的,這是不同于其它車(chē)的車(chē)頭是細長(cháng)的,它和鈍形車(chē)頭相比,可以減輕車(chē)頭輛的原因是列車(chē)運行時(shí)往往和道旁建筑物或其它列引起的陣風(fēng)和平均滑流( slipstream)速度.然而,車(chē)車(chē)距離非常近.下文討論這些問(wèn)題尾的改進(jìn)設計會(huì )使得尾流變窄和集中,從而引起尾流51實(shí)驗研究陣風(fēng)加強.滑流( slipstream)速度直接隨著(zhù)車(chē)速的變車(chē)頭和車(chē)尾駛過(guò)后將依次引起靜壓的擾動(dòng)壓力化而改變,而很強地依賴(lài)列車(chē)外形. Penwarden峰值的大小和橫向衰減率是重要的研究對象部分來(lái)認為風(fēng)速大于20m/時(shí)會(huì )危及人類(lèi). Montagne2自于 Tsuzuku等人的全尺度實(shí)驗數據在圖15中在軌道旁安裝了圓柱體來(lái)近似人體,當TGV列車(chē)通給出,可以很清楚地看出車(chē)頭形狀和橫截面面積的影過(guò)時(shí)測量發(fā)現在車(chē)尾駛過(guò)后較大的風(fēng)力可達到側向響是很大的.壓力峰值依賴(lài)車(chē)速的平方.需要重點(diǎn)指距離18m處出的是壓力的改變率是很大的(壓力脈沖的時(shí)間尺度其次,列車(chē)駛過(guò)另一列停站或者同向或逆向行駛按比例取決于車(chē)頭通過(guò)所需要的時(shí)間),這會(huì )引起沖的列車(chē)時(shí),在行駛中的列車(chē)旁測得的壓力脈沖很強地擊載荷,給諸如車(chē)囪等物件帶來(lái)許多問(wèn)題.這種壓力依現象使得在道旁架設噪音隔離柵是很必要的,車(chē)速在過(guò)YH中國煤化工的距離,這和列車(chē)駛車(chē)駛過(guò)速度較慢的450km/h時(shí),這些隔離柵可以把壓力的峰值減小約傳CNMHG慮, RAPIDE計劃正在研究這類(lèi)情況2綱的壓力系數給出,這些值兒乎是速度的線(xiàn)性函數最近 Komatsu和 Yamada給出了關(guān)于高速列因而,壓力脈沖絕對值既是車(chē)速平方的函數,也是車(chē)車(chē)的一套全尺度實(shí)驗數據, Komatsu和 Yamada.應頭形狀的函數.側向加速度為車(chē)速平方的函數,其幅用一輛 Shinkansen系列300列車(chē)(見(jiàn)圖15(a),以值是很大的很高的相對速度駛過(guò)同類(lèi)列車(chē)和駛過(guò)其它高速列車(chē)文章中給出的大部分數據來(lái)自于全尺度實(shí)驗,時(shí),測得了壓力瞬態(tài)值和側向加速度.圖16中給出模型尺度的列車(chē)行駛實(shí)驗結果也常見(jiàn)圖1所示了部分結果壓力峰值的正偏移量和負偏移量以無(wú)量備就很適合這種研究,在 Johnson和Dll明的文系列車(chē)頭形狀截面圖側面圖截面積(m2)車(chē)頭長(cháng)度(m)圓形16.0OX尖頭形6.0700流線(xiàn)型109300斜面型11.2300X車(chē)速350km/h,其它車(chē)速270kn/h2300X(尖頭離開(kāi)車(chē)體側面的距離/m圖15高速列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)引起的壓力彼全尺度測量(來(lái)自于 Tsuzuki等5, WCRR'S9提供,鐵道技術(shù)研究所授權系列1000.15·系列300▲系列100系列700●系列300a300系列7000.00a300X0.15開(kāi)列車(chē)時(shí)速/kmh-1(a)壓力峰值-速度cr H中國煤化工度CNMHG章里可以找到利用此設備所做的一些最新研究工時(shí)的數據吻合得很好. Matschle等指出較長(cháng)的車(chē)頭作和較寬的軌道間距能得到吻合的數據,因為這種情況現在討論列車(chē)同時(shí)在隧道中運行時(shí)的一些重要可以避免流動(dòng)分離現象問(wèn)題.由于隧道中列車(chē)之間的相互作用非常依賴(lài)于進(jìn)一步的分析涉及到應用三維 Euler控制方程兩車(chē)進(jìn)入隧道的相對時(shí)間,所以這種情形很復雜例組的數值模擬. Pahlkel的文章給出了相關(guān)數值如,進(jìn)入時(shí)間改變僅4s就能使最強的壓力變化加倍模擬的一個(gè)具有代表性的算例. Pahokee詳細討( Vardy和 Anandarajah).在所有相關(guān)參數和變量論了列車(chē)隧道問(wèn)題相關(guān)數值計算的精度要求和應用中,不可能選擇一個(gè)有代表性的典型數據. Johnson問(wèn)題.例如在露天運行典型的列車(chē)駛過(guò)問(wèn)題的算例和 Dalley應用ETR500列車(chē)模型所做的模型尺度中,壓力信號變化僅是滯止壓力的±10%左右而跨實(shí)驗中,一列列車(chē)停在隧道入口附近而另一列列車(chē)駛音速飛機的特征壓力變化約為滯止壓力的10%量過(guò),測到的壓力脈沖隨車(chē)速的平方、車(chē)頭形狀和軌道級.這些問(wèn)題更加限制了網(wǎng)格要求對于數值預報和間距變化長(cháng)車(chē)頭設計可以顯著(zhù)減輕壓力脈沖對軌道全尺度實(shí)驗數據的吻合水平可以用圖17來(lái)說(shuō)明,在間距的敏感程度在Mani和voi的文章中給露天中,兩列ICE列車(chē)以時(shí)速250km/h相對行駛的出了兩列高速ETR500列車(chē)在隧道內并行的全尺度過(guò)程中,分別記錄車(chē)頭和車(chē)尾特殊位置的表面壓力數據車(chē)頭位置的壓力峰值-時(shí)間曲線(xiàn)計算得很準確,而在車(chē)尾位置上的計算值過(guò)大,有人把這歸因于忽略了沿52分析車(chē)體發(fā)展的厚邊界層的影響關(guān)于列車(chē)通過(guò)問(wèn)題的早期分析都做了不可壓無(wú)基于RANS的CFD數值方法在高速列車(chē)隧道旋流的假設.隨著(zhù)車(chē)速的提高這些假設就有局限性中相對行駛問(wèn)題的應用也有很少的幾個(gè)算例,三維非了. Tolmein2給出了理想化的列車(chē)通過(guò)隧道的二定常高Re數湍流的數值模擬的網(wǎng)格需求量很大,這維勢流解意味著(zhù)即使應用了高級算法和并行計算機,能用的三維面元法( panel method)也已經(jīng)被用來(lái)分析算網(wǎng)格也是很粗糙的.在 Kalro和 Tezduyar4文列車(chē)隧道問(wèn)題. Matschle等4的研究中,全尺度章中也提到了有限元法求解此類(lèi)問(wèn)題,計算得到的列和模型尺度的兩列高速列車(chē)上分別應用4700個(gè)格車(chē)尾部壓力降的最大值為12kPa,這和(14~16)kPa子,得到結果和一列高速列車(chē)通過(guò)另一列載貨列車(chē)實(shí)驗測量值很接近Euler模擬Euer模擬·實(shí)驗兩列ICE列車(chē)在露天軌道上行駛時(shí)速250km/h,軌道間距47m5000-730車(chē)窗同高面上的壓力7501000030.4050.6圖17兩列城際快車(chē)以250km/h駛過(guò)時(shí)的瞬態(tài)壓力,全尺度測量結果和三維非定常方程數值計算結果的比較(來(lái)自于 Pahlkel63, TRANSAERO授權)6氣動(dòng)噪音進(jìn)和離開(kāi)隧道、駛過(guò)道旁建筑物和其它列車(chē)時(shí)引起壓力脈沖會(huì )產(chǎn)生噪音.Iida等分析了消除這些不管在列車(chē)內部還是列車(chē)外部噪音都是高速列問(wèn)是車(chē)必須考慮的重要環(huán)境問(wèn)題.Hard站在乘客的音中國煤化工m/h以上時(shí)氣動(dòng)噪角度上討論了這個(gè)問(wèn)題前文已經(jīng)討論了,當列車(chē)駛次力CNMHG強度隨著(zhù)車(chē)速的6于高速列車(chē)氣動(dòng)聲415學(xué)的測量技術(shù)、分析方法和硬件研究的聲源,他們認為雙模型鏡象配置法( mirror- ImageTori&zlto6對全尺度 Shinkansen列車(chē)的幾 method)比單模型動(dòng)地板法更實(shí)用個(gè)聲源進(jìn)行了氣動(dòng)噪聲研究.圖18所示的車(chē)頭形Talotte等網(wǎng)介紹了他們關(guān)于車(chē)體不規則外形狀的改變會(huì )使在離開(kāi)軌道25m處測量得到的噪音值產(chǎn)生氣動(dòng)噪音的實(shí)驗和數值計算相結合的研究,其實(shí)減小2dB(A),同樣也減弱了在隧道入口處產(chǎn)生的壓驗研究是在低噪聲風(fēng)洞中進(jìn)行的,使用了理想化的不力波.上述車(chē)形的改變同時(shí)也注意了粗糙度、側門(mén)規則車(chē)體.氣動(dòng)聲學(xué)的計算則應用了非定常湍流大渦的縫隙和把柄,車(chē)頭底部也做了氣動(dòng)處理. Takaishi模擬(LES)和控制噪聲傳播的線(xiàn)性 Euler方程耦合等利用1:125模型的風(fēng)洞實(shí)驗和二維非定常算法RANS CFD程序研究了 Shinkansen列車(chē)的氣動(dòng)噪音關(guān)于轉向器對氣動(dòng)阻力和噪音的影響,正在進(jìn)行92m6.0mC(a) Shinkansen系列700低噪音系列列車(chē)(b) Shinkasen系列300列車(chē)700系列長(cháng)度/(c)橫截面分布圖18車(chē)頭形狀研究,減小氣動(dòng)噪音和隧道中運行時(shí)的壓力脈沖(米自于 Torri Itol627,wGRR99,鐵道技術(shù)研究所授權)廣泛研究車(chē)阿利用噴氣發(fā)動(dòng)機來(lái)推進(jìn)和空氣墊作懸浮支撐作為氣動(dòng)噪音、氣動(dòng)阻力以及升力等的源點(diǎn),還有各種建議高速列車(chē)在管道中連續運行網(wǎng),方案導電架也同樣引起關(guān)注86,7,Tori&Ito7對中使用各種推進(jìn)系統,包括簡(jiǎn)單的空氣壓差推進(jìn)技Shinkanson700系列列車(chē)和 Shinkanson300系列列術(shù)最近,人們的注意力幾乎全部集中在磁懸浮列車(chē)車(chē)進(jìn)行了全尺度測量和比較,得到前者的氣動(dòng)噪音及其推進(jìn)系統上因改進(jìn)導電架而減小了4dB(A), Althammer等[18磁懸浮列車(chē)和推進(jìn)系統的倡導可以追溯到多年的風(fēng)洞實(shí)驗報告指出,改進(jìn)的導電架可以減小噪音以前.Stix7綜述了20世紀90年代前的相關(guān)主題高達(13~16)dB(A),然而也遇到了較大的升力研究.鑒于很多實(shí)際因素,磁懸浮列車(chē)系統都運行在Ikeda7介紹了一種低噪音的導電架設計方案,以便高于地面10m的高架軌道上.有2種應用磁力的總克服上述問(wèn)題方案,相關(guān)的氣動(dòng)問(wèn)題也很不同.電磁懸浮(EMS7磁懸浮列車(chē)空氣動(dòng)力特性方案有個(gè)T型的軌道,磁懸浮列車(chē)的底部包在T型軌道外側(見(jiàn)圖19(a).引力磁體安裝在軌道底面人們已經(jīng)提出了很多新概念以代替高速列車(chē)中中國煤化工列車(chē)和軌道底部之間距傳統的車(chē)輪/軌道支撐系統和推進(jìn)系統.氣墊列CNMH與懸浮(ED方案列416車(chē)騎在軌道上,通常有一個(gè)矩形或U型的導向槽,軌漸減小,而后續車(chē)廂上的阻力增大,車(chē)頭和車(chē)尾上的道和列車(chē)底部安裝有互斥的磁體.對于這種結構,列阻力變化過(guò)程類(lèi)似而總阻力也隨著(zhù)偏航角的增大而車(chē)和軌道的間隙大的多,約為10cm.目前日本的磁按照線(xiàn)性關(guān)系增大. Peters指出,全尺度磁懸浮懸浮列車(chē)系統屬于帶有矩形導向槽的EDS類(lèi).如果列車(chē)惰力運行實(shí)驗得到的阻力和風(fēng)洞實(shí)驗結果是相應用較窄的U型導向槽,氣動(dòng)學(xué)家就必須特別注意符的升力和側向力,以保證列車(chē)剛好在軌道的正上面.實(shí)際上兩類(lèi)磁懸浮系統都不希望有車(chē)體產(chǎn)生的升力,原因是升力隨車(chē)速變化很劇烈,設計者更希望全部浮力小火車(chē)都由磁體產(chǎn)生電硫懸嚴系統BM3導向帶七磁體圖20電磁懸浮系統類(lèi)磁懸浮列車(chē)1:10模型的阻力系數隨氣9525m偏航角的變化關(guān)系(來(lái)自于 Peters時(shí), ndersocience筆國改計Enterprises Ltd授權)電力懸浮系統RDs圖21給出了側向力和升力數據.牽引車(chē)廂上的側向力遠大于后續車(chē)廂,而且大部分側向力來(lái)自于車(chē)頭.隨著(zhù)偏航角的增大,車(chē)頭的升力幾乎不變.但是整個(gè)列車(chē)的升力卻急劇增大.可以在車(chē)頭底部安裝整流器來(lái)減小車(chē)頭的升力停站釣氣霧>101.6mm為了模擬磁懸浮列車(chē)在高架軌道上運行,弗以A生吉尼亞工學(xué)院和州立大學(xué)在他們的1828cm懸浮磁體超導磁182.88cm×731.53cm的風(fēng)洞里,把一種特殊設備安裝在高速(150m/h)移動(dòng)的傳送帶上[s. Howell?表明在風(fēng)洞實(shí)驗中,安裝在固定軌道上的列車(chē)模型不能精確模擬磁懸浮列車(chē)的底部的流場(chǎng).上述設備圖19磁浮列車(chē)EMS和EDS系統示意圖如圖22所示,在風(fēng)洞中,EMS磁懸浮列車(chē)模型安裝在傳送帶上,模型底盤(pán)包在傳送帶外.在攴撐和滑71實(shí)驗研究輪前有一個(gè)巨大的傳送帶驅動(dòng)器,驅動(dòng)器的外形是Pers3綜述了早期EM列車(chē)結構氣動(dòng)特性的在對傳送帶上部和周?chē)鲌?chǎng)進(jìn)行精心研究的基礎上洞研究,軌道和轉向器之間的區域需特別關(guān)注,設計的,月的是把高架傳送帶引起的無(wú)黏和湍流擾否則轉向器上的阻力會(huì )達到整個(gè)車(chē)輪阻力的2/3然動(dòng)減小到最小,以便得到期望的均勻、無(wú)湍流的磁而,通過(guò)精心設計轉向器及其構件可以使列車(chē)阻力懸浮列車(chē)模型流場(chǎng)以上努力是成功的,得到了相當減咸小2倍.Peer根據船模水池實(shí)驗的結果,指均勻的流場(chǎng).傳送帶上沒(méi)有模型時(shí)的測量數據已經(jīng)出軌道和列車(chē)底盤(pán)之間的問(wèn)隙可以把此區域的摩擦由T等5啊詳細描述.利用這套設備已經(jīng)進(jìn)行阻力減小50%.因為目前的磁懸浮列車(chē)設計得比較了多種不同磁懸浮列車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)研究(78~80短,所以其總阻力受車(chē)頭和車(chē)尾的影響比傳統列車(chē) Grumman有2種流線(xiàn)化的EMS設計方案:美國的受的影響更大在車(chē)輪/軌道類(lèi)的列車(chē)中,車(chē)頭和車(chē)磁懸浮技術(shù)中, Lockheed提出的鈍頭EDS設計方尾的外形長(cháng)細比( (slenderness ratio)為125時(shí)可以高案,其懸浮系統的特點(diǎn)是有一個(gè)細窄的垂直葉片伸效運行.對磁懸浮列車(chē)來(lái)說(shuō),只要尖角處理得好,這入到列車(chē)中;另一個(gè)是來(lái)自于弗吉尼亞工學(xué)院的流值也是可用的.圖20給出了縮比模型的阻力實(shí)驗線(xiàn)形設計方案,列車(chē)運行在一個(gè)很淺的U型導向槽結果,包括了橫風(fēng)的影響,如果沒(méi)有橫風(fēng)(偏航角為0),雙車(chē)廂列車(chē)的阻力幾乎平均分布在牽引車(chē)廂和后中國煤化工制在模型的導向淺槽據包括了力和力矩續車(chē)廂上隨著(zhù)偏航角的增大,牽引車(chē)廂上的阻力逐CNMH利量表面摩阻,平均流速和湍流流速的測量,以及簇叢法(tuts)表面流圖23和圖24分別給出了阻力和升力的比較,其的流場(chǎng)顯示中IGE和OGE分別指考慮地面效應( in-ground圖21 TRSNSRAPID TOG磁懸浮列車(chē)牽引車(chē)廂的升力和側力系統隨偏航角的變化關(guān)系(來(lái)自于 Peters3圖22架起的移動(dòng)軌道磁懸浮列車(chē)實(shí)驗設備,電磁巷浮系Inderscience Enterprises Ltd授權)統(EMS)模型安裝在傳送帶上,Ⅴ irginia理工學(xué)院18288mm×18288mm風(fēng)洞300.05圖23風(fēng)洞實(shí)驗剛力系數,包括 Grumman電磁懸浮系統(EMS)磁懸浮列車(chē)、 Lockheed電動(dòng)懸浮系統(EDS)磁壯浮列車(chē)和 virginia理工電動(dòng)懋浮系統(EDS)磁懸浮列車(chē),軌道運行,即考慮地面交應IGE( (in-ground effects,以及無(wú)軌道運行,即沒(méi)有地面交應OGE( out-of-ground effec).CD阻力系數,Be為雷諾數所有數據來(lái)自于文獻(75,78~80s02°892000004000008000001000000圖24風(fēng)洞實(shí)驗升力系數,包括 Grumman電磁懸浮系統(EMS)磁懸浮列車(chē), Lockheed I電動(dòng)懸浮系統(EDS)、磁懸浮列車(chē)和 irginia理工電動(dòng)浮系統(EDs)磁懸浮列車(chē),軌道運行,即考慮地面交應 IGE (in-ground effects以及無(wú)軌道運行右她面應OGEout-of-ground effects).CL為升力系數;中國煤化工獻8~80])CNMHGeffect)和不考慮地面效應( out-ground effect),即是否的分析方法,后者在22節中已經(jīng)討論過(guò)對于在矩應用了傳送帶首先可以看到,當以車(chē)寬為特征長(cháng)度形導向槽上運行的EDS列車(chē), Barrows等2試圖的Re數超過(guò)約400000后,升力系數CL對Re數的模擬渦分離現象的影響,其方法是把流場(chǎng)看作定位在依賴(lài)關(guān)系就消失了其次,對于流線(xiàn)化的外形,當列車(chē)兩平行平板之間的一個(gè)點(diǎn)源,流場(chǎng)中動(dòng)能就和渦分離靠近軌道運行時(shí)阻力會(huì )增加,升力也有所改變.對于引起的阻力有關(guān),研究得到一個(gè)車(chē)頭的優(yōu)化外形鈍頭車(chē)形來(lái)說(shuō),升力會(huì )增加而阻力改變很小流線(xiàn)化磁懸浮列車(chē)都靠近軌道和地面運行,其中EMS車(chē)形阻力水平很適當,而升力水平也可行;而鈍頭車(chē)系統最近一般認為列車(chē)和軌道之間的黏性影響很形的阻力和升力都偏高,從空氣動(dòng)力學(xué)的角度出發(fā)這是磁懸浮列車(chē)設計過(guò)程中應當避免的.圖25中給大,因此低精度無(wú)黏面元法( inviscid panel method)難以模擬這種重要現象,如當列車(chē)運行太靠近地面或出了 Grumman設計方案的尾跡測量數據的一個(gè)例軌道時(shí)可能發(fā)生“舉翻”( ift reversal)另一方面,子,這些數據將和下文的CFD計算結果作一比較為了多學(xué)科設計和優(yōu)化(MDO)研究等目的,需要種簡(jiǎn)單而耗費不高的分析方法yl等發(fā)現渦面元法 (vortex panel method)雖然精度低,但能夠在一定程度上模擬黏性影響,而且不需要復雜的 RANS CFD模型.圖26給出了渦流圖形,表示 Grumman磁懸浮列車(chē)設計時(shí)考慮地面影響和不考慮地面影響的差異.圖27給出了應用圖25 Virginia學(xué)院設計的 Grumman磁懸浮列車(chē)尾跡流OGE橫截面上的速度等值線(xiàn)圖(來(lái)自于Tyl等r可,AIAA授權日本的 Yamanashi磁懸浮列車(chē)實(shí)驗線(xiàn)測得了大量的有用的全尺度實(shí)驗數據,涵蓋了磁懸浮列車(chē)運行的各個(gè)方面,包括空氣動(dòng)力學(xué)56.最近的磁懸浮列車(chē)設計都是EDS類(lèi)的,列車(chē)運行在矩形導向槽圖26 Grumman磁懸浮列車(chē)渦面元法結果.OGE表示沒(méi)上,導向槽的高度達車(chē)高的一半.車(chē)頭根據廣泛的有考慮地面影響IGE考忠地面影響(來(lái)自Tyd等思CFD研究(下文將介紹)精心設計,以便使列車(chē)通過(guò)作者授權隧道時(shí),氣動(dòng)噪音、阻力和壓力脈沖降到最小目前實(shí)驗的車(chē)頭有2種形狀,一種很長(cháng),車(chē)體圓角(稱(chēng)為氣動(dòng)圓角)也很小,另一種的外形象鴨嘴(稱(chēng)為雙尖點(diǎn)).目前許多實(shí)驗都集中在列車(chē)高速運行時(shí)縱向、水平和轉動(dòng)穩定性上,包括在曲線(xiàn)軌道上轉彎或駛過(guò)其它列車(chē).列車(chē)實(shí)驗速度高達550km/h,而列車(chē)對開(kāi)時(shí)的相對速度高達96km/h時(shí)速500km/h時(shí)的氣動(dòng)升力約為50kN,露天運行和隧道運行沒(méi)有較大差RANSI&異.在直軌和曲軌上運行時(shí)速高達500km/h后,橫渦量法向和縱向位移偏度為±10mm.列車(chē)駛過(guò)其它物體時(shí)的側向力比縱向力大,轉矩也是這樣,這些影響作用和傳統列車(chē)測量結果相似. Yoshimura等1的報04告給出了各種氣動(dòng)剎車(chē)系統的實(shí)驗結果,他們發(fā)現這對于高速磁懸浮列車(chē)來(lái)說(shuō),這些系統很管用磁暴浮列車(chē)壓力分布, Sinclair等|8272分析中國煤化工解和禍面元法計算結果早期的磁懸浮列車(chē)的氣動(dòng)分析模仿了傳統列車(chē)CNMHG了2種方法得到的同一個(gè)二維車(chē)體頂部和底部的壓力分布,其一是渦面元法,其二是 Siclari等8的二維 RANS CFD計算方法,它們都考慮了地面的影響,通過(guò)比較可以看出2種結果相當吻合.值得特別說(shuō)明的是渦面元法得到的列車(chē)底部的壓力分布很正確,這是其它無(wú)黏低精度方法做不到的根據這一成功的計算,渦面元法已被應用到磁懸浮列車(chē)外形設計的多學(xué)科設計和優(yōu)化程序代碼中783.。,這種方法已經(jīng)被證實(shí)能夠預測最小阻力外形,和 RANS CFD研究結果十分接近.實(shí)際上,來(lái)自多學(xué)科的設計和優(yōu)化的程序精確設計了有一個(gè)突出的較低的唇沿的車(chē)(4)從上前方向看頭外形,這些都被最新的 Shinkansen系列列車(chē)所采用.就象上面討論的那樣,磁懸浮列車(chē)的車(chē)頭外形的選擇是開(kāi)展廣泛的 RANS CFD研究的主題,當然這些研究要聯(lián)合風(fēng)洞實(shí)驗,有時(shí)甚至是全尺度實(shí)驗鴨嘴或雙尖點(diǎn)車(chē)形以及氣動(dòng)圓角外形都是通過(guò)這些研究得到的6.87.運行在矩形導向槽上的雙尖角設計方案的計算流場(chǎng)由圖28給出scla等849應用 RANS CFD方法得到了EMS磁懸浮列車(chē)的設計方案,后來(lái)在弗吉尼亞工學(xué)院進(jìn)行了實(shí)驗研究.圖29給出的車(chē)頭和車(chē)尾的流場(chǎng)計算結果和風(fēng)洞中測量的結果相當吻合阿圖29 Grumman磁懸浮列車(chē)尾部流場(chǎng)的雷諾平均NS方程CFD數值解(來(lái)自于 Sicklari等,AIAA授權)Klopfer和 Mental應用 ANS CFD技術(shù)得到了EDS磁列車(chē)的設計方案,此列車(chē)運行在U型導向淺槽上,圖30給出了車(chē)體和導向槽上部和周?chē)牧鲌?chǎng),和平頭車(chē)尾附近尾跡流中的渦流圖Re-ox to,nMa=1),a)力等值線(xiàn)圖30運行在U-型窄槽上的帶有電動(dòng)系統的磁懸浮列車(chē),及流場(chǎng)雷諾平均NS方程CFD數值解(來(lái)自于 Klopfer和 Metha,AAA授權)參考文獻1 Muhlenberg J D. Resistance of a Freight Train to ForwardMotion. FRA/ORD I, IL, III: 78-04. US Fed. Railr. AdminWashington, DC, 19782 Gawthorpe R G. Aerodynamics in railway engineering. 1.Aerodynamics of trains in the open air. In: Proc WorldCongr Inst Mech Eng Railw Eng Int, 1978.7vb)流線(xiàn)圖3 Peters J L. Aerodynamics of high speed trains and Maglev圖28運行在電動(dòng)懸浮系統矩形導向槽的磁懸浮列車(chē),鴨嘴車(chē)MA Dorgham ed. Impact of Aerodynamics on頭和雙尖車(chē)頭上流場(chǎng)計算(來(lái)自于 Miyakawa等s日本力學(xué)工程協(xié)會(huì )授權中國煤化工 ts de ICNMHGRev Gen Chemins Fer5 Baker C J, Brockie N J wind tunnel tests to obtain aerody-24 Peters J L. Bestimmung des aerodynamischen wnamic drag coefficients: Reynolds number and ground sinandes des ICE/V im Tunnel und auf freier Streckeulation effects, J wind Eng Ind Aerodyn, 1991, 38: 23~28nbahntech Rundsch, 199如6 willemsen E High Reynolds number wind tunnel experi559~561ments on trains. J wind Eng Ind Aerodyn, 1997, 69/ 71: 25 Gawthorpe R G. Train drag reduction from simple design437~447hanges. In: MA Dorgham ed. Impact of Aerodynamics7 Werle H. Simulation de l'effet de sol au tunnel hydrodyVehicle Design. London: Inderscience, 1983. 308/341namique. Et film 412. Paris: ONERA, 196926 Heine C, Matschke G. Full scale tests on side wind effects on8 Bernard M. La souffierie a veine longue de l'InstitutAgrotechnique de Sain Cyr-L'Ecole. Rev Gen Chemins Ferof wind breaking devices. In: B Schulte- Werning, R Gre-1973, Januarygore,A Malfatti, G Matschke, ed. Proc Brite/ Euram Proj9 Guiheu C. La resistance a l'avancement des rames TGv.Symp Transient Aerodyn Railw Syst Optim, Paris, 1999PSE. Rev Gen Chemins Fer, 1982, Januarywiesbaden, Ger: Verlag Vieweg, 2000, In press10 Pope C w. The simulation of flows in railway tunnel using 27 Gawthorpe R G. Wind effects on ground transportation. J1/25th scale moving model facility. In: A Haerter, ed, Aero- Wind Eng Ind Aerodym, 1994, 52(1-3): 7392dynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels, New York: El- 28 Cooper R K. Atmospheric turbulence with respect to moing ground vehicles. J wind Eng Ind Aerodyn, 1984,:l1 Sockel H. The aerodynamics of trains. In: Schetz J A, Fuhs215~238A E, ed. Handbook of Fluid Dynamics and Fluid Machinery.29 Bearman P W, Mullarkey S P. Aerodynamic forces on roadlew York: Wiley Sons, 1995. 1721-1741vehicles due to steady side winds and gusts. In: Proc RA12 Mackrodt P A. Zum Luftwiderstand, von Schienenfahrzeu-Conf Veh Aerodyn, Loughborough. London. UK: R Aero-gen. DFVLR AVA IB. 251 80C 08. Gottingen, Gernaut Soc London, 1994DFVLR, 19800 Dominy R G, Docton M R Passenger vehicles in uMackrodt P A, Steinheuer J, Stoffers G. Aerodynamischross winds. In: Proc RAes Conf Veh Aerodyn, Loughborimale KopHformen fur Triebzuigen, DFVLR IB 152 79A 27gh. London. UK: R Aeronaut Soc London, 1994Gottingen, Ger: DFVLR, 198031 Baker C J, Humphreys N D. Assessment of the adequacy14 Brockie N J, Baker C J. The aerodynamic drag of high speedof various wind tunnel techniques to obtain aerodynamictrains. J wind Eng Ind Aerodym, 1990, 34: 273 290data for ground vehicles in cross winds. J wind Eng Ind15 Baker C J, Wright N G, Johnson, Gaylard A P Inland Sur-brody,1996,60:49~68fance Transport LINK Scheme. Final Proj Rep, Univ Birm- 32 Kronke I, Sockel H Model tests about cross wind effectsingham. Birmingham, UK, 1999ntainers and wagons in atmospheric boundary layers16 Paradot N, Talcotte C, Willaim A Guccia L,Bouhadanaind Eng Ind Aerodyn, 1994, 52: 109N119L Methodology for computing the Alow around a high speed 33 Baker C J, Humphreys N D. Aerodynamic forces and metrain for drag estimation and validation using wind tun-nents on containers on fat wagons in cross winds from mov-nel experiments. In: Proc World Congr Railw Res, Tokyoing model test. FR 91017. Dep Civ Eng Nottingham UnivTokyo: Railr Tech Res Inst(CD-Rom), 199917 Schulte-Werning B, Matschke G, Williame A, Malfatti A, 34 Baker C J. The wind tunnel determination of crosswindMancini G, Pecorni M. High speed trains with bogie fair-rces and moments on aeed train. In: B Schulteings: European research into reducing aerodynamic dragferning, R gregoire,AG Matschke, ed.Procand noise. In: Proc World Congr Railw Res, Tokyo. TokyoBrite/ Euram Proj SympAerodyn Railw Syst Op-Railr Tech Res Inst(CD-Rom),1999tim, Paris, 1999. Wiesbaden, Ger: verlag Vieweg, 2000. In18 Althammer K, Baldauf W, Lolgen T.Considerations forWorld COngr 35 Suzuki E, Azakami M, Sawano E. Results of running testsRailw Res, Tokyo: Tokyo: Railr Techst(CD-Rom)of the MLXO1 Yamanshi Maglev test line vehicles. In: PWorld Congr Railw Res, Tokyo. Tokyo: Railr Tech Res Inst19 Maeda T, Kinoshita M, Kajiyama I, Tanemoto K. Aerody(CD-Rom),1999mamic drag of Shinkansen electric car; series 0, series 200, 36 Suzuki M, Tanemoto K, Maeda T. Wind tunnel tests orseries 100. Q Rep Railr Tech Res Inst, 1989, 30(1):48-56aerodynamic characteristics of vehicles under cross-winds20 Peters J L, windkanalurerhalte vonIn: Proc World Congr Railwrzeugen Unter WindeinTech Res Inst(CD-Rom),1999Bruken mit und ohne Schutzeinrichtun-gen. L333-TB07 /90. 37 Chiu T W, Squire L C. An experimental study of the flowGer: Krauss Maffei Verkehrstechnik, 1990over a train in a crosswind at large yaw angles up to 902I Gaylard A P. The application of computational fluid dywind Eng ind Aerodynenamics to railway aerodynamics. In: Proc World Congr 38 Copley C. The three-dimensional flow around railway trainsInst Mech Eng, 1993. 207, 133nJ wind Eng Ind Aerodyn, 1987, 26: 21-522 Schulte-Werning B, Matschke G, Gregoire R, Johnson T. 39 Chiu T W. Prediction of the aerodynamic loads on a railwayRAPIDE: A project of joint aerodynamics research of thetrain in a cross-wind at large yaw angles using an integratedEuropean high-speed rail operators. In: Proc World Congrtwo- and three-dimensional source/vortex panel methodRailw Res, Tokyo. Tokyo: Railr Tech Res Inst(CD-Rom)wind Eng Ind Aerodyn, 1995, 57: 193940 Matschke G, Schulte-Werning B, Gregoire R, Beremnger T,23 Matschke G, Schulte-Werning B, Fauchier C, Gregoire R∴"RO: Results of a eroGaylard A. Numerical simulation of the flow around a six-中國煤化工odynamics. In: Procoach high speed train. In: Proc World Congr Railw Res,Tokyo. Tokyo: Railr Tech Res Inst(CD-Rom),1999CNMHGO: Hair Tech Res inst41 Matsuo K, Aoki T, Mashimo $, Nakatsu E Entry compres-de la rame TGV 001 a grande vitese, INf Tech SNCF Equipion wave generated by a high-speed train entering a tunnelParis No 12. Paris: SOc Natl Chemins Fr, 1973In: Proc Int Sym Aerodyn Vent Veh Tunn, gth, Aosta va58 Komatsu N. Yamada F. The reduction of the train draftley, Italy. London: ME Publ, 199712 Vardy A E, Reinke P. Estimation of train resistance coeff-ressure in passing by each other. In: Proc World congrcients in tunnels from measurements during routine opera-Res, Tokyo. Tokyo: Railr Tech Res Inst(CD-Rom)1999tion. Proc world Congr Inst Mech Eng, 1999. 213F, 71m87 59 Johnson T, Dalley S. 1/25 scale moving model tests for the43 de Wolf w B, Demmenie EAFA. A new test facility for theTRANADERO project In: B Sculte-Werning, R Gregoirestudy of interactingwaves and their reduction intunnels for high-speed trains.A Malfatti, G Matschke, ed. Proc Brite/Euram Proj SympVent veh Tunn, 9th Aosta Valley, Italy. London: ME Publ,Transient Aerodyn Railw Sys Optim,Paris, 1999, wieg-baden, Ger: Verlag Vieweg, 1999, In press44 Vardy A E Aerodynamic drag on trains in tunnels. 1. Syn-60 Vardy A E, Anandarajah A Initial design considerations forthesis and definitions. In: Proc World Congr Inst Mech Engrail tunnel Aerodynamics and thermodynamics. In: Proc1996.210,29~38Int Symp Aerodyn Vent Veh Tunn, 4th, York, englandCranfeld, UK: BHRA Fluid Eng Cent, 1982.353036645 Vardy A E. Aerodynamic drag on trains in tunnels. 2. Pre- 61 Mancini G, Violi A G. Preasure wave effects of highdiction and validation. In: Proc World Congr Inst MechEng,1996.210,39~49trains running parallel on large and medium sized tunnels of46 Gaillard M A. Aerodynamic measurements with high-speedalian high speed lines. In: Proc World Congr Railw ResTokyo. Tokyo: Railr Tech Res Inst(CD-Rom), 1999ains(250 km/ h)in the Heitersburg tunnel. In: Proc Int 62 Tollmein W. Luftwiderstand und Druck-verlaufbei der FahrtSymp Aerodyn Vent Veh Tunn, 3rd, Sheffield, UK. Cran-field. UK: BHR.A Fluid Eng Cent, 1979on Zugen in einem Tunnel. VDI-Zeit, 1927, 71(6):47 Gawthorpe R G, Pope C W, Green R H Analysis of train 63 Pahlke K. Application of the standard aeronautical CFDSymp Aerodyn Vent Veh Tunn, 3rd, Sheffield, UK. Pap ClLethod FLOWer to trains passing on open track. In: BCranfield, UK: BHRA Fluid Eng, 1979Schulte- Werning, R Gregoire, A Malfatti, G Matschke, ed48 Gawthorpe R G. Pressure confort criteria for rail tunnels op-Proc Brite/Euram Proj Symp Transient Aerodyn Railw Sys-erations. In: A Haerter, ed. Aerodynamics and Ventilationtem Optim, Paris, 1999. Wiesbaden, Ger: Verlag Viewegof Vehicle Tunnels. New York: Elsevier,1991,173-1881999. In press49 Schulte M, Sockel H Pressure transients in railway tunnelsV, Tezduyar T'E. Parallel finite element computationn: SChneider, H Troger, F Ziegler, ed. Trends in Applica.of 3D incompressible flows. In: W G Habashi, ed. solu-tions of Mathematics to Mechanics, Harlow, UK: Longmantion Techniques for Large-scale CFD Problems. New York:989.33~50 Kim D-H, Min D, Oh I-G. Experimental study of the aero-65 Hardy aE. Railway passengers and noise. In: Proc Worldongr Inst Mech Eng, 1999. 213F, 173-180dynamic countermeasures for reducing the micro-pressure 66 lida M. Fukuda, Kikuchi K, Murata K, Yamauchi N In-and pressure fluctuations in high-speed train-tinterfaces. In: Proc World Congr Railw Res, Tokyo. Tokyoasound problems near tunnel portals of high-speed railwayRailr Tech Res Inst,(CD-Rom),1999Proc World Congr Railw Res, Tokyo. Tokyo: Railr Tech51 Howe M S. Review of the theory of the compression waveRes, Inst(CD-Rom),1999generated when a high-speed train enters a tunnel. In: Proc 67 Torii A, Ito J. Development of the series 700 ShinkansenWorld Congr Inst Mech Eng, 1999. 213Ftrain-set (improvement of noise level). In: Proc World52 Gregoire R, Rety J M, Masbernat F, Morinere v, bellenoueCongr Railw Res, Tokyo. Tokyo: Railr Tech Res Inst(CD-M, Kageyama T. Experimental study(scale 1/70th) and nu-herical simulations of the generation of pressure waves and 68 King W FIll. A precis of developments in the aeroacousticsnicro-pressure waves due to high-speed train-tunnel entryof fast traing. J Sound Vib, 1996, 193(1);349~358In: Proc Int Symp Aerody Vent Veh Tunn, 9th, Asota Valley 69 Takaishi T, Zenda Y, Shimizu Y Wind tunnel tests for re-Italy. London: ME Publ. 1997ducing aeroacoustic noise from high-speed trains. In: Proc53 Pahlke K. Application of the standard aeronautical CFDold Congr Raila Res, Tokyo. Tokyo: Railr Tech Res Instmethod FLOWer to ETR 500 tunnel entry. In: Schulte-Werningregoire R, Malfatti A, Matschke G. Proc 70 Talotte C, Lazure H, Gradoz Sagawa A A cooperation studyBrite/Euram Proj Symp Transient Aerodyn Railw Syst Op-between RTRI and SNCF on aeroacoustics: numerical sim-tim, Paris, 1999. wiesbaden, Ger: Verlag Vieweg, 1999, Inations and measurements of the aerodynamic noise of cabody irregularities In; Proc World Congr Railw Res, Tokyo54 Suzuki M. Computational study on fow-induced vibrationTokyo: Railr Tech Res Inst(CD-Rom),1999of high-speed train in tunnel. Proc Int Conf Flow Induc 71 Ikeda M. Passive lift supprvib, 7th, Lucene, 2000autograph. In: Proc World Congr Railw Res, Tokyo55 Tsuzuku H, Nakajima S, Sakai K. Analysis of the relation-Tokyo: Railr Tech Res Inst(CD-Rom), 1999ship between nose shape of high-speed train and the pressure 72 Guienne P. High speeds and Aerotrain. In: High Speeddistribution against wayside equipment. In: Proc WorldGround Vehicles. VKI Lect Ser Brussels, Belg: von Kar-Congr Railw Res, Tokyo. Tokyo: Railr Tech Res, Inst(CDman Inst, 1972A TTEL56 Penwarden A D. Acceptable Wind Speeds in Towns. BRE中國煤化工 Lect Ser4.Bs,BegCP I57 Montagne M S. Mesure du souffle provoque par le, passageCNMH2,267(2):102~11375 Tyll J, Liu D-J, Schetz J A, Marchman J F, Experimen0426. New York: Am Inst Aeronaut Astronaut, 1998tal studies of Maglev aerodynamics. AIAA J, 1996, 34(2): 84 Siclari M, Ende R, Carpenter G. Navier-Stokes Compu-2465~247076 Howell J P. Aerodynamic response of Maglev train modelstations for a Magnetically Levitated Vehicle(Maglev)to a crosswind gust. J wind Eng Ind Aerodyn, 1986,Ground Efect. AIAA 95-1908-CP. New York: Am Inst205~213Aeronaut Astronaut, 199577 Tyll JS, Eaglesham M A, Schetz J A, Deisenroth M. Mook D85Tyll J S, Schetz J A Concurrent Aerodynamics Shape/CostT An MDo Design Methodology for the Concurrent Aero-Design of Magnetic Levitation Vehicles Using MDO Tech-dynamic/cost Design of MAGLEV Vehicles. AIAA 96-4036niques. ALAA 96-4935. New York: Am Inst Aeronaut As-New York: Am nst Aeronaut Astronaut. 199678 Liu D, Marshakov A, Marchman J F Ill, Schetz J A. Aero-86 Miyakawa J, Hosaka S. Aerodynamic design of frontal shapedynamic Evaluation of Two Maglev Vehicle Designs. SAlfor JR Maglev train. In: Proc Int COnf Speedup TechnolPap 960905. Warrendale, PA: SAE Int, 1996Railw Maglev Veh, Yokohama. Tokyo: Jpn Soc Mech Eng79 Pulliam W, Tyll J, Marchman J F Ill, Schetz J A. Aerody-1993.315~319namics of the AMT Maglev Train Design. AlAA 96-2476, &7 Takao K, Yoshimura M, Sakai K Aerodynamic design oftheNew York: Am Inst Aeronaut Astronaut, 1996JR Maglev train frontal shape, part IL. In: Proc Int Conf80 Wilt J A, Tyll J S, Schetz J A, Marchman J F IlL. Aerody-Speedup Technol Railw Magley Veh, Yokohama. Tokyo:Jpn Soc Mech Eng, 1993. 174-18namic Performance of Electro-dynamic Suspension Maglev 8 Siclari M, Carpenter G, Ende R. The Application ofVehicle. AIAA 97-0821. New York: Am Inst AeronautAstronaut, 1997Navier-Stokes Computations to the Design of High-Speed81 Yoshimura M. Saitounoda h. characteow-Drag Magnetically Levitated(Maglev) Vehicle Shapes.istics of the aerodynamthe vehicle on the Ya.AIAA 93-2950. New York: Am Inst Aeronaut Astronautnashi Maglev testHosaka STech Res Fnst Rep,199913(9):25~2889 Klopfer G H, Mehta U B. Aerodynamic Computations for82 Barrows T, Me Callum D, Mark S, Castellino R C. Aerody-High-Speed Magnetic- Flight System. AIAA 95-0749,Newnamic Forces on Maglev Vehicles. DOT/FRA/NMI-92/21York: Am Inst Aeronaut Astronaut, 1995S Dep Transp. Washington, DC, 1992(中國科學(xué)院力學(xué)研究所胡宗民張德良姜宗林譯自83 Tyll J S, Schetz J A, Mook D T. Low-Order methods for Aerodynaof high-speed trains. Annu Rev Fluid Mech,Two Dimensional Bluff Bodies in Ground Effect.AIAA982001,53(2):371~414,中國科學(xué)院力學(xué)研究所施紅輝校)AERODYNAMICS OF HIGH-SPEED TRAINSJoseph A SchetzAerospace and Ocean Engineering Departmeht, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, Virginian 24061tiger@vt. eduAbstract This review highlights the differences between the aerodynamics of high-speed trains and othertypes of transportation vehicles. The emphasis is on modern, high-speed trains, including magnetic levitation(Maglev)trains. Some of the key differences are derived from the fact that trains operate near the ground or atrack, have much greater length-to-diameter ratios than other vehicles, pass close to each other and to tracksidestructures, are more subject to crosswinds, and operate in tunnels with entry and exit events. The coverageincludes experimental techniques and results and analytical and numerical methods, concentrating on the mostrecent information availableKeywords aerodynamics, ground vehicles, Maglev trains中國煤化工CNMHG