受电弓设备对列车气动特性影响的风洞试验
张雷，杨明智
(中南大学 交通运输工程学院，轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙，410075)
摘 要：
掌握在强侧风作用下受电弓设备(受电弓和导流罩)对高速列车气动性能的影响，通过风洞试验对强侧风下高速列车运行时的气动性能进行测量和分析。实验结果表明：当侧滑角小于15°时，列车模型阻力系数随着侧滑角的增大而增加，当侧滑角为15°时，阻力系数出现拐点，拐点后阻力系数开始下降，其侧向力系数的绝对值和升力系数随着侧滑角的增大而增加；受电弓设备对头车的影响较小，但可使中车侧向力系数的绝对值及阻力系数明显增加，使尾车的阻力系数明显减小，而侧向力系数明显增加；受电弓设备中“浴盆”式导流罩对高速列车阻力系数的影响强于“挡板”式导流罩的影响，但对升力系数及侧向力系数的影响弱于“挡板”式导流罩的影响。
关键词：
中图分类号：U270.1 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)12-3894-05
Wind tunnel experimental of impact on aerodynamic characteristics for vehicle by pantograph equipment
ZHANG Lei, YANG Ming-zhi
(Key Laboratory of Traffic Safety on Track, Ministry of Education, School of Traffic & Transportation Engineering,
Central South University, Changsha 410075, China)
Abstract: In order to study the impact of pantograph equipment (pantograph and the dome) on the aerodynamic performance of high-speed trains in cross wind, the aerodynamic properties of high-speed train were measured and analyzed by wind tunnel test. The results show that when the yaw angle is less than 15°, the train resistance coefficient increases with the increase of yaw angles; when the yaw angle is 15°, drag coefficient meets the inflection point, and it declines after the inflection point, and the absolute value of side force coefficient and the lift coefficient increase with the increase of the yaw angle. The impact of pantograph equipment on head car is smaller, but the absolute value of side force coefficient and the drag coefficient of middle car increase significantly. The drag coefficient of the last car reduces, and its side force coefficient increases significantly. The effect of bathtub dome on the drag coefficient of high-speed train is stronger than that of baffle dome , while the effect on the lift coefficient and the side force coefficient is weaker than that of “baffle” dome.
Key words: pantograph; dome; high-speed train; aerodynamic characteristics; wind tunnel
强侧风作用下，高速列车气动性能恶化，严重影响列车运行的稳定性，因此，容易造成列车脱轨、倾覆事故[1-2]。我国建铁路沿线多有风区，尤其在青藏和兰新线风区多且风速高[3-4]，而在高风速高车速的条件下，受电弓设备的安装会使列车周围流场变得更为复杂，不仅会影响受电弓的受流质量，消弱弓网系统的跟随性、稳定性，增加弓网的磨损度[4-7]，严重时会导致列车气动力显著增加，使列车脱轨、倾覆的可能性大大增加[8-10]。由侧风导致的列车事故在世界各国时有发生，大风给铁路运输安全、人民生命财产造成严重威胁[11-13]。为此本文作者通过风洞试验对受电弓设备影响下的列车气动性能进行研究，从而为我国铁路既有线路和新建线路的提速及高速铁路的发展提供空气动力学方面的科学依据。
1 试验装置及测试方法
1.1 风洞和试验模型
本次试验在中国空气动力研究与发展中心宽×高为8 m×6 m的风洞中进行。该风洞为直流式、闭口、串列双试验段大型低速风洞。试验在第二试验段进行，风洞长度为15 m，稳定风速为20~70 m/s[14]。
列车模型比例为1:8，本次试验中，高速列车采用三节车编组，受电弓设备(受电弓和导流罩)安装在动车组模型中间车的后部，在受电弓模型周围采用“挡板”式和“浴盆”式2种导流罩，如图1和图2所示。
图1 受电弓和“挡板”式导流罩模型
Fig.1 Models of pantograph and “baffle” dome
图2 受电弓和“浴盆”式导流罩模型
Fig.2 Models of pantograph and “bathtub” dome
1.2 测试方法
为了测量在受电弓设备的影响下列车在不同侧滑角下的气动特性，在给定的动压条件下，采用六分量天平测量列车模型的气动力。列车模型在进行风洞试验时，除了要求风洞的流场足够均匀外，还需要有地板来模拟地面效应。在进行高速列车试验研制的列车试验地板中间设置有1个直径为7 m、可旋转360°的转盘，通过转动转盘能够研究动车模型在不同侧滑角条件下的气动性能[15]。其他为固定部分，地板前、后缘加工成流线型，以减少对气流的干扰，地板之间有倾斜的缝隙，以降低地板附面层的影响。
2 实验结果分析
为模拟列车实际运行状态，实验中受电弓处于升弓状态。来流速度为60 m/s，并通过转动转盘使动车模型与来流方向成0°，5°，10°，15°和20°的侧滑角，得到高速列车模型在受电弓设备影响下所受阻力系数、升力系数和侧力系数，并分析其特性。
2.1 阻力系数
图3所示为列车模型阻力系数随侧滑角变化曲线。从图3可知：当侧滑角小于15°时，列车模型各车及整车的阻力系数随着侧滑角的增大而增加，当侧滑角为15°时，列车模型阻力系数出现拐点，拐点后阻力系数开始下降。
受电弓设备对头车阻力系数影响较小，由于受电弓安装在中车尾部，所以，其对中车和尾车的阻力系数影响较大。受电弓设备使中车的阻力系数增大，而“浴盆”式导流罩对中车阻力系数的影响明显强于“挡板”式导流罩的影响，这是因为“浴盆”式导流罩为四周有挡板的结构，来流到达其正面的挡板时会使中车阻力明显增加，而“挡板”式导流罩为仅两侧有挡板的结构，气流可从两挡板之间流过。当侧滑角为15°时，中车阻力系数达到最大，此时，阻力系数比无受电弓设备时增加了1.32倍。由于受电弓设备中导流罩的存在，会阻挡部分尾流流过尾车，因此，安装受电弓设备后，尾车阻力系数会减小，其中“浴盆”式导流罩使阻力系数下降的更为明显；当侧滑角为15°时，相比无受电弓设备时阻力系数下降了24.8%，受电弓设备会使整车阻力系数明显增加，而2种形式的导流罩相比，由于“浴盆”式导流罩的设置阻碍了气流沿列车车身方向的直线流动，使来流产生绕流，造成整车阻力的明显增大，因此，“挡板”式导流罩对整车减阻的效果优于“浴盆”式导流罩的效果。
图3 列车阻力系数随侧滑角变化曲线
Fig.3 Resistance coefficient curves of train with change of yaw angle
2.2 升力系数
图4所示为列车模型升力系数随侧滑角变化曲线。由图4可知：当侧滑角小于20°时，升力系数随着侧滑角的增大而增加，其中整车升力系数上升最为明显。
有受电弓设备与无受电弓设备相比，头车和中车升力系数随侧滑角变化曲线基本重合，即受电弓设备对头车和中车的升力系数影响较小；受电弓设备对尾车的升力系数影响较大，受电弓设备的安装可以使尾车升力系数降低，“挡板”式导流罩使升力系数降低的更为明显，当侧滑角为20°时，与无受电弓设备时升力系数相比下降了20.4%。由于受电弓设备仅对尾车升力系数影响较大，因此，其对整车升力系数的影响规律与对尾车升力系数的影响规律基本一致，即“挡板”式导流罩缓解整车升力的效果较好。
2.3 侧向力系数
图5所示为列车模型侧向力系数随侧滑角变化曲线。从图5可知：当侧滑角小于20°时，列车模型侧向力系数的绝对值随着侧滑角的增大而明显增加，这是由于随着侧滑角的增加，车辆被风面的膨胀区加大，负压增加，侧向力随之增加。侧向力的增大会使列车倾覆的可能性增加。
受电弓设备对头车侧向力系数影响较小，而对中车和尾车的侧向力系数影响较大，受电弓设备使中车和尾车侧向力系数的绝对值增大。由于受电弓安装在中车尾部，所以，其对中车的侧向力系数的影响最为明显。由于“挡板”式导流罩为两侧有挡板的结构，当气流流经此处时，会在导流罩迎风板的背侧形成负压区，从而使中车的侧向力增加，同时，背风板也受到相同方向的侧向力，中车侧向力会进一步增大，而“浴盆”式导流罩四周皆有挡板，气流在四周形成均匀绕流，因此，“挡板”式导流罩对中车侧向力系数的影响明显强于“浴盆”式导流罩的影响；当侧滑角为20°时，各车侧向力系数的绝对值最大，相比无受电弓设备时，“挡板式”导流罩使中车侧向力系数绝对值增加了1.22倍，尾车的侧向力系数绝对值增加了1.38倍，而“浴盆式”导流罩使中车侧向力系数绝对值增加了71.6%，尾车的侧向力系数绝对值增加了93.5%，即相对“挡板”式导流罩，安装有“浴盆”式导流罩列车模型中车和尾车的侧向力系数绝对值较小，因此，“浴盆”式导流罩对整车侧向力缓解效果较好。
图4 列车升力系数随侧滑角变化曲线
Fig.4 Lift coefficient curves of train with change of yaw angle
图5 列车侧向力系数随侧滑角变化曲线
Fig.5 Side force coefficient curves of train with change of yaw angle
3 结论
(1) 受电弓设备对头车的阻力、升力和侧向力系数以及中车的升力系数影响较小。
(2) 当侧滑角小于15°时，列车阻力系数随着侧滑角的增大而增加，当侧滑角为15°时，阻力系数出现拐点，拐点后阻力系数开始下降；受电弓设备会使中车的阻力系数增加，使尾车阻力系数减小，“浴盆”式导流罩使中车阻力系数增加和尾车阻力系数减小的效果强于“挡板”式导流罩的效果，但“浴盆”式导流罩会使整车的阻力系数增加，因此，“挡板”式导流罩对整车减阻效果较好。
(3) 列车升力系数随着侧滑角的增加而增大，但受电弓设备仅对尾车的升力系数有影响，安装受电弓设备可以使尾车升力系数降低，“挡板”式导流罩使升力系数降低的更为明显，其缓解列车升力的效果较好。
(4) 列车侧向力系数的绝对值随着侧滑角的增加而增大，受电弓设备会使中车和尾车侧向力系数的绝对值增加，而“挡板”式导流罩使中车和尾车侧向力系数绝对值的增加比“浴盆”式导流罩的大，因此“浴盆”式导流罩对列车侧向力缓解效果更好。
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(编辑 赵俊)
收稿日期：2010-12-17；修回日期：2011-03-20
基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2010QZZD020)
通信作者：张雷(1986-)，男，山东菏泽人，博士研究生，从事列车空气动力学研究；电话：13667327480；E-mail：englishtvcom@126.com
摘要：为了充分了解和掌握在强侧风作用下受电弓设备(受电弓和导流罩)对高速列车气动性能的影响，通过风洞试验对强侧风下高速列车运行时的气动性能进行测量和分析。实验结果表明：当侧滑角小于15°时，列车模型阻力系数随着侧滑角的增大而增加，当侧滑角为15°时，阻力系数出现拐点，拐点后阻力系数开始下降，其侧向力系数的绝对值和升力系数随着侧滑角的增大而增加；受电弓设备对头车的影响较小，但可使中车侧向力系数的绝对值及阻力系数明显增加，使尾车的阻力系数明显减小，而侧向力系数明显增加；受电弓设备中“浴盆”式导流罩对高速列车阻力系数的影响强于“挡板”式导流罩的影响，但对升力系数及侧向力系数的影响弱于“挡板”式导流罩的影响。
