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高速磁浮列车空气动力学性能浅析

发表时间：2021/6/16 来源：《探索科学》2021年5月作者：王峰、张籍弟

[导读] 本文针对高速磁浮列车，在不同间距明线线路交会、单车过单、双线隧道及隧道内交会时的气动性能进行了初步研究。

长春轨道客车股份有限公司技术中心王峰、张籍弟 130062

摘要：本文针对高速磁浮列车，在不同间距明线线路交会、单车过单、双线隧道及隧道内交会时的气动性能进行了初步研究。
关键词：磁浮列车；气动性能；研究。
        采用数值计算的方法，研究高速磁浮列车在线间距为5.1m、5.4m及5.6m的明线线路同车等速交会时的气动性能；为明确列车通过隧道时的气动特性，研究了线间距5.1m时，高速列车在100 m2、120 m2、140 m2及160 m2的双线隧道内同车等速交会时气动性能，同时分析单车通过断面为70 m2、80 m2、100 m2、120 m2及140 m2隧道时的气动性能。对比分析高速磁浮列车明线交会压力波，列车过隧道时车体、隧道表面压力变化、车内压力变化、隧道口微气压波等，研究结果为高速磁浮列车设计和制造提供科学依据。
        对高速磁浮列车实车模型，分别以400km/h、500km/h及600km/h速度在线间距为5.1m、5.4m及5.6m明线线路上同车等速交会时，车体表面压力进行了分析：
        （1）列车交会压力波头波先出现正波，然后迅速变成负波，头波的正、负峰值在另一交会列车头部鼻尖到达时产生；尾波则先负波后正波，尾波的负、正峰值在另一交会列车尾车鼻尖点到达时产生。
        （2）列车表面交会侧测点压力波正、负峰值极峰峰值远大于非交会侧。线间距对测点压力波动影响主要体现在对向车辆头、尾车流线型经过时间段。
        （3）高速磁浮列车明线交会时，列车车身表面最大压力正峰值、最小压力负峰值的绝对值和最大压力峰峰值在5.1m的线间距条件下，均不超过±6000Pa的限值，且随着线间距的增大，测点压力值均有较大幅度的降低。
        （4）车速600 km/h交会时，线间距由5.1 m增加至5.6 m，最大压力正峰值由3031 Pa降低至2306 Pa，降低约24%；最小压力负峰值的绝对值由3950Pa降低至3548Pa，降低约10%；列车表面最大压力峰峰值由5379Pa降低至4392Pa，降低约18%。
        （5）车表面最大压力峰峰值近似与线路间距的2.2次方成反比。

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        （6）下表所示为两列车分别以400 km/h、500 km/h和600 km/h的车速等速交会时，列车表面测点中最大压力正峰值、最小压力负峰值及最大压力峰峰值：
        对磁浮列车以分别以350km/h、400km/h、500km/h及600km/h速度，单车通过70m2、80m2、100m2、120m2及140m2隧道时，车体、隧道表面压力、车内压力及隧道口微气压波进行了分析：
        (1)当列车以600km/h的车速通过70m2的隧道时，车身表面测点（除鼻尖点外）最大压力的正峰值为4914Pa，且随着隧道断面面积的增加，及车/隧阻塞比的降低，列车表面测点最大压力正峰值大幅降低。
        (2)当列车以600km/h的车速通过70m2的隧道时，隧道壁面测点最大压力的正峰值为9406Pa，且随着隧道断面面积的增加，及车/隧阻塞比的降低，隧道壁面测点最大压力正峰值大幅降低，当隧道断面面积增加至120m2时，隧道壁面测点压力最大正峰值降低至5596Pa，断面面积为140m2时，压力最大正峰值为4667Pa。
        (3)当列车以600km/h的车速通过小于等于100m2断面的隧道时，密封指数取20s，会导致车内压力的3s变化率超标，当密封指数提升至40s，车内压力的3s变化率大幅降低，远低于0.8KPa/3s的标准，因此，对于这三种断面的单车过隧道工况，列车密封指数可适当低于40s。
        (4)时速600km/h高速磁浮列车突入隧道导致的微气压波问题激化，即使140m2的隧道断面条件下，出口20m处的微气压波幅值已达412Pa。
        对磁浮列车分别以350km/h、400km/h、500km/h及600km/h速度，于100m2、120m2、140m2及160m2隧道，线间距为5.1m的隧道内同车等速交会时，车体及隧道表面压力及车内压力变化进行了分析：
        （1）当列车以600km/h于100m2的隧道内等速交会时，车身表面测点最大压力的正峰值为11046Pa，且随着隧道断面面积的增加，及车/隧阻塞比的降低，列车表面测点最大压力正峰值大幅降低。当断面面积增加至160m2时，时速600km/h列车表面最大压力正峰值为6005Pa。
        （2）当列车以600km/h的车速于100m2的隧道内等速交会时，隧道壁面测点最大压力的正峰值为15867Pa，且随着隧道断面面积的增加，及车/隧阻塞比的降低，隧道壁面测点最大压力正峰值大幅降低，当隧道断面面积增加至160m2时，隧道壁面测点压力最大正峰值降低至8370Pa。
        （3）当列车以600km/h的车速于小于等于100m2隧道断面内等速交会时，密封指数取20s，会导致车内压力的3s变化率超标，当密封指数提升至40s，车内压力的3s变化率大幅降低，远低于0.8KPa/3s的标准，因此，对于断面小于100m2的列车于隧道交会工况，列车密封指数可适当低于40s。当隧道断面为120m2、140m2及160m2时，20s的密封指数已经满足0.8KPa/3s的标准要求。
参考文献：
[1]吴子牛.空气动力学.北京：北京航空航天大学出版社，2002