不同湍流条件下高速列车空气动力特性的实验研究外文翻译资料

不同湍流条件下高速列车空气动力特性的实验研究

中南大学交通运输工程学院交通安全教育部重点实验室，湖南长沙410075

摘要

在风洞中研究了大气边界层高速列车的空气动力特性。 此外，通过改变由风洞中的尖塔收集产生的湍流强度来进行不同的大气边界层模拟。 用眼镜蛇探头测量的湍流信息用于描述大气边界层。 此外，还研究了速度对大气边界层的影响。 在雷诺数为7.5times;105时测量列车的不稳定气动力和表面压力，其平均值和标准偏差用于描述和解释湍流和观察趋势随变化湍流强度的影响。

关键词：高速火车；风洞；大气边界层；湍流；气动特性

1.介绍

在列车运行期间发生的大气边界层处于湍流状态。此外，沿线复杂的道路状况加剧了火车周围的流场过渡。众所周知，湍流在自然界和工程中是一个非常普遍的现象，也是最复杂的流动现象之一，具有强烈的随机性，流体流动的混沌状态呈现出广泛的三维涡度不同的时空尺度。湍流往往恶化其他现象。例如，湍流恶化了列车的空气动力学性能，导致列车的涡流脱落频率更接近列车的共振频率，进一步加剧了列车振动。特别是对于高速物体，甚至可能引发严重事故，严重威胁生命财产。到目前为止，飞机主要发生严重事故。随着火车速度的提高和复杂地形的高速铁路建设，对火车的湍流的损害将越来越严重。

随着高速铁路的发展和列车速度的提高，对大气边界层高速列车的不稳定空气动力负荷的影响越来越受到重视。通过数值模拟和实际车辆测试，对火车不稳定气动特性进行了大量研究[。仁等人通过分析列车振动特性，研究了从车轮/轨道界面到高速动车组车体的动态频率转移。贝克等人研究了地面和雷诺数在列车阻力测试中的影响，发现模型试验与全尺寸试验之间的阻力幅度有显着差异，列车表面边界层的影响在火车上的空气动力学性能大于地面效应。根据Kim和Geropp的研究，Kwon等和Zhang等，地面效应不会明显改变列车周围的流动结构，受影响地区主要集中在列车底部。 Cheli等模拟了具有不同湍流强度的大气边界层列车的空气动力学性能，并研究了湍流强度对列车气动性能的影响，侧滑角为30-90°。 Bocciolone等人报道，列车的气动力系数受到湍流强度的显着影响，特别是在大的侧滑角。 Cheli等还研究了不同湍流条件下侧滑角的重载阻力系数的变化，发现不同湍流条件下的影响在高偏航角下尤其明显。还研究了具有不同湍流强度的流场中具有不同形式倒角的柱的流动。田村等研究了具有不同形式的倒角的正方形柱周围的流动结构，发现湍流对方柱的空气动力的影响比均匀流动具有0.4％的湍流更显着，湍流增加了升力的方柱。 Tieleman等研究了直角棱镜的表面压力分布，发现压力系数随着湍流强度的增加而增加。

湍流可以改变火车周围的流场，也会影响涡流形成和涡流脱落。火车表面的涡流明显改变了列车的气动力和压力振幅及其波动。确定这些变化的规律是非常重要的，以及火车周围的流场变化对火车空气动力性能的影响有多大。湍流对圆柱形物体周围空气动力，压力和流动结构的影响及其机理，已经被过去许多学者深入研究和分析。但是，对于一个具有较大细长比，靠近地面的火车，列的研究成果并不一定完全适用于火车的情况，尽管它们具有很高的参考价值。另外，大气边界层湍流强度对火车空气动力学性能的影响一直是研究的重点，研究内容很少分析列车在没有侧滑角的湍流中的空气动力学性能的细节。本文的目的是使用根据CEN标准进行的风洞试验来研究不同湍流条件下列车的空气动力学性能。并研究湍流如何影响火车上的气动力和压力。分析了湍流的机械效应。湍流强度对火车气动力，表面压力及其波动程度的影响进行了定性和定量分析。总结一些规则，这也有助于列车设计，对安全列车运行具有一定的指导意义。所开展的工作对于不同的铁路组织来说，是为了进一步了解车辆空气动力学以及如何影响安全和效率。

本文的组织结构如下：第2节介绍了模型，设备，测试方法和策略。 在第3节中，描述了在风洞中模拟的湍流条件，并提出了湍流的细节。 在第4节中，以不同的方式比较和分析了不同湍流状态下火车的阻力和压力。 描述了火车空气动力学性能与湍流的变化，并说明了湍流影响测试结果的方式。 最后，第5节得出结论。

2.实验方法

2.1介绍风洞和模型

在中南大学高速铁路建设国家工程实验室的风洞高速试验段进行了试验。 如图1所示，风洞试验段截面积为3times;3 m2，试验段长度为15 m，风洞最大风速可达94 m / s，湍流强度为空风洞介绍中的小于0.5％。

图1. 风洞双闭合试验段

在这个测试中，使用由两辆相同的汽车组成的1：8比例的火车作为测试模型。 火车模型的大小如图1所示。H（462.5 mm），W（425 mm）和L（6680 mm）分别是模型的高度，宽度和长度。 以单轨道压载和轨道（STBR）和CEN标准配置的结构建模。 将1：8比例的STBR接地（见图2b和c）固定在地板上，高度为0.27H（125mm），上下宽度分别为0.88H（375mm）和1.63H（694mm）；图2c上的TOR是铁路顶部的缩写。 火车和飞机的安装位置也如图2a所示。

图2. 模型型号尺寸和安装位置

2.2设备和数据采集系统

在这个测试中，使用了能够测量风速三个方向的具有高频响应（高达20 kHz）的四孔压力探头的Cobra 270探头（见图3a）来测量流量参数 如速度，湍流强度和雷诺剪切应力。 探头在工厂完全校准，无需额外校准即可使用。 测试流速超过20 m / s，处于探头测试范围。

图3. 眼镜蛇探头和压力扫描阀：（a）眼镜蛇270探头；（b）高频压力扫描阀

使用Scannivalve制造的高频压力扫描阀（ZOC33 / 64PxX2）进行表面压力测量，如图3b所示，压力扫描阀的精度约为plusmn;0.03％。 在此测试中，采样频率为1 kHz，每个通道采集的数据点数为10,000。

用中国空气动力学研究开发中心制造的两个具有高频能力的六组分力平衡（TH0702A和TH0702B）用于监测和记录列车的不稳定气动力。 对于六组分力平衡，使用8个应力/应变计的组合确定三方向力和力矩。 为了提高收集数据的准确性，确保适当的样本量，收集的频率和采样时间分别为1 kHz和3 min以上。 试验前30分钟激活天平，确保其稳定性。 表1提供了两个平衡的一些参数，如拖曳和提升方向的精度。 图4列出了天平，火车模型和支架之间的连接和固定部件。 为增加火车模型的刚度和减少振动，钢架内安装有钢架（见图4右图）。

表1.余额参数

图4.安装平衡

在测试中测量的空气动力和压力定义了空气动力学系数。 根据CEN标准，归一化系数定义如下：

其中rho;= 1.225 kg / m3； Uref是在P1中测量的进入流量的平均参考速度（图6中的黑点）； S，参考面积为0.175平方米； 而D是火车的阻力。 差值（P-Pinfin;）是由压力扫描阀测得的压差； Pinfin;是风洞外的静压； CP是压力系数; Cd是阻力系数。

2.3测试方法与策略

为了表征进入的流量和边界层，确保测试位置的准确性，使用Cobra探针，直径约15 mm的钢杆和三维数控运动框架组装流场测量装置。 如图5所示，将眼镜蛇探头安装在钢杆末端，将钢杆固定在垂直于流动方向的三维数控运动框架上。

图5. 边界层测试：（a）镇流器边界层；（b）火车边界层

图6. 测量位置

位置S1-S16用于测量镇流器的边界层（见图5a）；这16个监视位置（S1-S16），如图6所示，沿流动方向分布在不同的位置。对于每个位置，沿对称线在垂直方向上有超过40个测量点（见图6b）。为了提高边界层的测量精度，在垂直方向上靠近壁的相邻测量点之间的距离为2mm。在边界层测试中，Cobra探针的采样频率和采样时间分别为2 kHz和20 s。钢杆停留时间超过30秒，确保钢杆稳定。位置X1-X6用于测量列车的边界层（见图5b）。线1和线2，如图6所示，用于测量湍流信息，如雷诺剪切应力分布，湍流强度分布和平均速度分布。使用P1（黑点）和P2（红点）分别测量参考速度Uref和参考湍流强度Iu（Z = 0.65H）。

如图7所示，大约62个小孔沿着6个曲线（曲线-1，曲线-2R，曲线2L，曲线-3R，曲线3L和曲线-4）均匀间隔开。 其中曲线1，曲线-2R和曲线2L分别为主导车; 其他的都在尾巴上。 塑料管用于连接这些小孔和压力扫描阀; 其中一个被放置在铅车内，另一个被放置在尾车内。

图7. 测量点布局

3. 风洞模拟的湍流条件

3.1边界层测量

在主要实验之前，进行了一系列测试，以检查风洞的运行状况和大气边界层仿真系统的性能。 在这个试验中，没有尖塔的风洞中的湍流强度为0.3％，满足小于1％的要求。

在实验中，使用眼镜蛇探头获取流场的一些信息，如速度，湍流强度，雷诺剪切应力等。 为了保证采样频率和测量时间，保持平均数量的稳定性，采样频率为2 kHz，每个测量点的停留时间长达60 s。 采样频率和测量时间均大于Snyder 和Macdonald 推荐的值。 每测量点重复边界层的测量至少3次。

沿着流动方向的镇流器和列车的流动速度为0.99Uref的壁法线坐标的边界层厚度delta;99如图8a所示。 8b表示位置S3的平均速度分布与其他平均速度分布不同，其变化梯度最大。由于斜率的加速效应，平均速度曲线（BL-ballast，图8b所示的黑色曲线）表明靠近点S3的气流被镇流器前沿加速，这导致BL镇流器厚度减少。镇流器的边界层（BL-ballast，图8a所示的红色曲线）表明，在过渡点（S3）之后，气流与点S3下游的镇流器表面分离，这导致BL镇流器厚度增加，随着BL镇流器在近似位置x = 0.5L处的过渡。通过该位置，BL镇流器厚度沿流动方向增加（S3-S12）。这一趋势可以在图8b中观察。当气流流过镇流器的末端时，它与镇流器的斜坡分离，导致BL镇流器厚度再次增加。在该试验中，镇流器的边界层厚度不超过0.325 H（150 mm），不大于列车高度的30％，满足CEN标准的要求。。列车的边界层（BL列，图8a所示的黑色曲线）表示BL列的厚度首先增加然后减小。在位置X3处，BL列的厚度接近零。另外， 8c表示位置X3处的平均速度分布的梯度最大。因此，气流在位置X3与火车表面分离。超越位置X3，BL列的厚度沿着流动方向稳定地增加;这一趋势也在图8c中观察到。从列车尾部的气流分离导致列车的列车深度在列车末端迅速增加，如图9a所示。

图8. 没有尖顶的流场的边界层分布和平均速度分布：（a）压载和列车的边界层；（b）镇流器的平均速度曲线；（c）列车的平均速度曲线

图9. 安装尖顶

3.2流入湍流条件模拟

在风洞中模拟了边界层变化的湍流强度对列车空气动力学性能的影响。首先，对包括边界层在内的列车运行环境进行模拟。平均速度分布和湍流强度分布必须满足湍流场边界层模拟的要求。在边界层模拟中必须有合理的雷诺应力恒定面积。

1979年，使用风洞试验，尖塔被设计成能够产生湍流涡流的湍流发生器。尖塔的迎风板宽度决定了涡流的尺寸和下游的湍流强度。在具有尖顶的风洞中获得的平均速度分布和湍流特征与大气数据相当。1981年，欧文指出，在与尖顶相距4.5-6H的距离处，可以获得在横向上具有均匀分布的期望速度。边界层厚度和湍流特性均满足这一要求。大气边界层速度分布分布呈指数关系；换句话说，大气边界层中的速度与高度呈指数关系。在Li等人的研究中通过这种方法在风洞中成功地模拟了功率指数为0.16和0.3的大气边界层。

该方法也用于模拟大气边界层，并在风洞的上游区域水平均匀排列不同数量的尖顶，以模拟不同的湍流强度。图9所示出了在风洞的上游区域中均匀布置8个尖顶。

为了清楚地了解湍流的机理，并描述了流场的湍流结构，采用眼镜蛇探头测量边界层的湍流场信息，如雷诺剪切应力和湍流强度。

图10所示出了通过平均速度分布，湍流强度分布和沿线1的雷诺剪切应力分布（x = S5）所描述的两种类型的风速U1和U2的湍流场，没有列车，由3个尖峰产生。 U1和U2分别约为20m / s和30m / s。图中所示的平均速度曲线U（z）/ Uref。 图10a示出了具有高度Z / H的有利的功率分布。图10b所示的湍流强度分布Iu随高度的增加迅速下降；当达到一定高度时，湍流稳定。由于尖塔的高度，尖顶在风洞流场上部的影响相对较小。雷诺剪切应力分布如图10c所示来证明大气边界层模拟的准确性。在壁附近发生最大湍流剪切应力现象，如图10所示，在每个流速下的雷诺剪切应力分布图中可以观察到经典的湍流边界层理论预测。 如图10c所示，入流速度增加湍流强度和雷诺剪切应力，但不改变其高度分布趋势。这意味着测量结果表现出很强的规律性，因此它是有效和可信的。

图10. 不同速度下流动方向的湍流流场特征：（a）平均速度曲线；（b）湍流强度剖面；（c）雷诺剪切应力剖面

对于四个模拟湍流条件，平均速度U（z）的垂直轮廓相对于在黑点P1（x = S5，z = 2.16H）测量的风速Uref归一化。 表2显示了与风洞中产生的四个湍流条件相关的尖塔数。 在红点P2（x = S5，z = 0.75H）处测量的沿风向Iu的湍流强度。 黑点和红点如图6所示。

表2. 湍流强度Iu对应于尖顶数量

平均速度U（Z = 0.65H）和湍流强度Iu的横向分布用于评估列车宽

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