平地横风环境动车组非定常气动特性的试验研究_崔志国.pdf

第 20 卷 第 3 期2023 年 3 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 3March 2023平地横风环境动车组非定常气动特性的试验研究崔志国1，黄尊地2，周镇斌2，常宁2，公衍军1(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111；2.五邑大学 轨道交通学院，广东 江门 529020)摘要：在定常横风环境影响下，动车组在平地工况运行的稳定性、舒适性及安全性将会恶化。为了揭示其恶化的机理，开展动车组在平地工况伴随定常横风下运行的风洞试验，得到列车表面压力随时间变化的曲线后，再对列车受到的非定常气动载荷时域特性和频域特性进行分析。风洞测试结果表明：在相同风速和同一风向角下，平地动车组车体表面迎风侧18号测点和背风侧916号测点，其同侧各测点压力平均值在一定范围内波动，总体相差不大。当风向角为90时，测点压力的幅值和最值随风速的增大而增大，其平均值与风洞来流风速的二次方成正比，即非定常气动压力振动剧烈，波动幅度明显增大。当合成风风速为60 m/s时，测点气动压力的平均值、最小值和最大值随风向角增大呈现先增大后减小的趋势，呈现正弦函数变化规律；当风向角增加到75时，出现拐点，即最值点；车体表面两侧测点的幅值随风速的增大而增大，即非定常气动压力振动剧烈，振动幅度明显增大。而横风风速和风向角对非定常气动载荷的主振动频率带的影响不大；车体中部两侧测点的频率峰值均集中在018 Hz范围内，主振动频率均集中在04 Hz区间内，还明显存在频率为46 Hz，68 Hz和1014 Hz的3个频域带。研究结论可为高速动车组、城际动车组的车体设计提供理论依据和数据参考。关键词：横风环境；动车组；非定常气动特性；试验研究；车体设计中图分类号：U270.1 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）03-0802-10Experimental research on unsteady aerodynamic characteristics of EMU in crosswind environmentCUI Zhiguo1,HUANG Zundi2,ZHOU Zhenbin2,CHANG Ning2,GONG Yanjun1(1.CRRC Qingdao Sifang Co.,Ltd.,Qingdao 266111,China;2.School of Rail Transportation,Wuyi University,Jiangmen 529020,China)Abstract:Under the influence of the steady cross wind environment,the stability,comfort and safety of the EMU running in flat ground conditions will deteriorate.In order to reveal the mechanism of its deterioration,a wind tunnel test was carried out for the EMU to run under the condition of flat ground with steady cross wind.Obtaining the curve of the train surface pressure changing with time,the time-domain and frequency-domain characteristics of the unsteady aerodynamic load on the train are analyzed.The test results of wind tunnel are 收稿日期：2022-09-30基金项目：广东省基础与应用基础研究基金联合基金青年基金资助项目(2019A1515111052)通信作者：黄尊地(1987)，男，山东嘉祥人，副教授，博士，从事轨道交通空气动力学研究；Email：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20221896第 3 期崔志国，等：平地横风环境动车组非定常气动特性的试验研究shown as follows.Under the same wind speed and the same wind direction angle,measuring points No.18 are on the windward side,and No.916 are on the leeward side of the surface of EMU running on level ground.The average pressure of each measuring point on the same side fluctuates within a certain range,and the overall difference is not big.When the wind angle is 90,the amplitude and maximum value of the pressure at the measuring point increase with the increase of the wind speed,and the average value is proportional to the square of the wind speed of the wind tunnel.That is,unsteady aerodynamic pressure vibrates violently,and the fluctuation range increases significantly.When the synthetic wind speed is 60 m/s,the average,minimum and maximum aerodynamic pressure of the measuring point increases first and then decreases with the increase of the wind angle,showing a sinusoidal function change law.When the wind angle increases to 75,the inflection point appears,that is,the maximum point.The amplitude of the measurement points on both sides of the vehicle body surface increases with the increase of wind speed,that is,the unsteady aerodynamic pressure vibrates violently,and the vibration amplitude increases significantly.However,the crosswind wind speed and wind angle have little effect on the main vibration frequency band of the unsteady aerodynamic load.The frequency peaks of the measuring points on both sides of middle car body are concentrated in the range of 018 Hz.The main vibration frequency is concentrated in the range of 04 Hz,and there are obviously three frequency bands of 46 Hz,68 Hz and 1014 Hz.The research conclusions provide theoretical basis and data reference for the body design of high-speed EMUs and intercity EMUs.Key words:crosswind environment;EMU;unsteady aerodynamic characteristics;experimental study;body design 根据国家中长期铁路网规划，构建“八纵八横”高速铁路主通道，其中“八纵”通道中的沿海通道、京沪通道，“八横”通道中的京兰通道、沿江通道经常受定常季风或瞬时横风影响。虽然个别路段建有防风设施，但不能覆盖全域，横风环境严重影响高速动车组的行车稳定性、舒适性和安全性，所以非常有必要开展风载荷下动车组气动特性研究。环境风为定常或者随机的风载荷，车体承受的气动力及力矩均在一定的均值范围内出现周期波动14。受圆柱扰流及卡门涡街的启发，动车组横风非定常气动特性的研究从二维模型开始，马静等5-7均建立二维列车横断面模型，采用大涡模拟等计算方法，分析得出定常横风作用下，无论是平地运行还是高架运行的动车组，列车气动力及周围流场都呈现明显的非定常特性，特征频率主要集中在03 Hz。列车是三维近地面运行的交通工具，分析非定常气动特性不能忽视其三维效应。杨志刚等8建立三维缩比模型，采用大涡模拟算法，分析得出实车非定常现象峰值频率为0.52 Hz，斯特劳哈尔数在0.050.2范围内；刘加利等9建立CRH2三维模型，采用大涡模拟算法，分析得出非定常现象的频谱出现在030 Hz范围内，主频集中在05 Hz范围内。除了采用大涡模拟算法分析，郗艳红等10建立三维高速列车模型，采用分离涡算法，分析得出峰值频率主要集中在04 Hz范围内；张亮等11建立三维高速列车模型，采用分离涡算法，分析了不同运行工况下的非定常气动特性，其主频集中在 5 Hz 以内；李玉坤等12建立某新型城际动车组的三维模型，采用分离涡模拟不同行驶工况，分析得出峰值频率主要出现在050 Hz，主频出现在08 Hz范围内。不同于其他文献的静态网格，柳润东等13采用滑移网格建立高速列车在横风条件下经过风障域的三维模型，分析得出其主频集中在0.55 Hz范围内。定常横风或者随机风环境下，引起气动效应的非定常性1416，已恶化不同路况运行的列车舒适性问题。国内外学者基本都采用数值仿真方法研究，很少开展试验分析测试。综上所述，本文开展CRH6型城际动车组的风洞试验，测试记录平地工况定常横风下车体表面压力随时间变化的曲线，803铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 3月进行傅里叶变换分析其气动载荷的非定常时域特性及频域特性，得到主频范围及变化规律。1 平地动车组风洞试验1.1风洞装置在中南大学高速列车研究中心的风洞基地进行风洞试验。风洞实验室装置由闭口回流式结构设计而成，风洞内的风量可以循环往复使用。该装置包括低速试验段和高速试验段。风洞试验在这 2个试验段进行，其中低速试验段三维尺寸为3.2 m2 m1.6 m(长宽高)；高速试验段三维尺寸为 3.4 m1 m0.8 m(长宽高)。除此之外，风洞装置还包括动力系统、扩张段、收缩段、稳定段、过渡段、回流段和支撑架等设备组成。具体布局如图1所示1718。1.2风洞模型及测点布置高速试验段的最大来流风速达到60 m/s，即车速可达216 km/h。风洞试验在此试验段完成。采用比例为 1:100 的动车组模型、轨道模型和道床模型。高速试验段可以放置横向或者竖向的试验模型，