王明畅

（大连市金州新区第八高级中学，辽宁大连，116600）

高速列车地面效应与侧偏角关系研究

王明畅

（大连市金州新区第八高级中学，辽宁大连，116600）

通过严密合理的高速列车实验，探究了侧偏角与地面效应的关系，分析了地面效应对列车气动力的影响，评估了不同侧偏角下地面效应影响的大小。基于牛顿第二定律等原理，运用缩比、控制变量、数值模拟等方法，通过风洞试验及ANSYS 16.2数值模拟软件，得出结论：0°侧偏角下地面效应的影响不可忽略，15°侧偏角下地面效应的影响较小。为高速列车技术设计提供了理论依据。

高速列车；地面效应；侧偏角；牛顿第二定律；ANSYS

引言

随着高速铁路技术发展以及人们生活水平的提高，高速列车运行路线初具网络规模，成为重要出行方式之一。然而，高速列车也是一把双刃剑，在带给我们方便快捷的同时，如果发生危险，造成的损失是巨大的。高速列车是在地面上高速运行的物体，行驶中受到列车底部和地面之间气流的影响，始终存在着不可忽略的地面效应，影响着高速列车气动力预测。

本文通过实验、模拟测算，以及模拟结果，对实验数据进行了分析，并引出结合实际成本情况的风洞实验优化方案。

1 基础研究

1.1 关键技术及参数

前期地面效应的研究主要集中于飞机、飞行器及汽车等方面，像速度到达400公里/小时的高铁，涉及较少。研究地面效应与侧偏角关系有助于减小地面效应为气动力预测带来的误差，具体实验有风洞实验等。

（1）风洞实验：流体力学方面的风洞实验指在风洞中安置飞行器或其他物体模型，研究气体流动及其与模型的相互作用，以了解实际飞行器或其他物体的空气动力学特性的一种空气动力实验方法。

（2）侧偏角：侧偏角可以理解为列车行驶时底面与轨道平面的夹角。

（3）地面效应：是指高速运动的物体带动的气流对物体运行状态的影响，主要体现在气动阻力上。

（4）气动阻力：空气阻力就是一种常见的气动阻力，是指空气阻碍物体运动的力。汽车、船舶、铁路机车等在运行时，由于前面的空气被压缩，两侧表面与空气的摩擦以及尾部后面的空间成为部分真空，共同作用下形成了阻力。

1.2 进展及问题

早期风洞试验中地面效应的影响巨大，科学家们采用了很多应对措施，如切向吹气法和边界层吸气法。例如，美国洛克希德——佐治亚公司、美国艾姆斯研究中心、中国空气动力研究与发展中心等研究机构在较早时都使用过切向吹气法。这种方法是在固定地板表面适当位置开些缝，并沿地板表面吹出一股薄射流，给固定地板边界层中的气体增加能量, 以避免边界层增厚和分离，同时制作了各种风洞实验专用地板。

均匀抽吸地板和移动带地板技术是国外提出的、先进的地板边界层控制技术。联邦德国航空航天研究实验院则采用了边界层吸气法，Wulf[1]也曾制作了均匀吸气地板，他们都是在固定地板表面均匀布置许多吸气孔，以吸除固定地板内的低能量气体，可以避免地面边界层气体增厚和分离。但这些方法都是集中在地板的制作上，针对列车本身的改进非常少。Tyll等人[2]曾用移动带地板技术来消除地面效应，成功缩小了风洞实验与实际的误差，但是因为移动带速度有限，且对设备要求过高，其本身也会破坏流场，因而无法大面积投入使用。

对列车风洞试验地面效应问题的研究始于20世纪70年代。Guiheu C[3]与Kwon H等[4]早期研究了不同方式的风洞试验，发现地面效应将列车作为参照模型，即静止时的地面效应很高。易仕和[5]利用均匀抽吸地板进行了小比例缩比列车模型的试验研究，表明列车底部的形状会影响地面边界层和地面效应。孙振旭[6]在有无移动地面时，对1∶8缩比不带转向架的列车模型进行了数值模拟研究，表明地面边界层对列车气动力预测的影响非常之大。以上研究表明，地面效应对高速列车风洞试验的测量具有不可忽视的影响。同时可见上述研究仍存在三大不足：

（1）研究主要集中于地面效应对整车气动力的影响，对列车各部分的研究则相对欠缺；

（2）模型底部结构过于简单；

（3）由于真实列车规模较大，实现列车与地面的相对运动非常困难，而普遍采用的模型研究法忽视了地面效应。

2 实验过程

为了解决问题，进行实验。实验内容包括四个方面：

（1）以ANSYS数值模拟系统的数据为依据，校对风动数据；

（2）在来风速度10 m/s的简易风洞下进行气动阻力的测量；

（3）在山坡上释放列车模型，模拟真实行驶环境，测量数据；

（4）用表格、统计图等方式分析所得数据，给出风洞实验优化方案。

在实验中选择侧偏角作为自变量，不同情况下的气动阻力作为因变量，探究侧偏角与地面效应的关系。采用缩比模型，模型与实际运行列车相比为1∶400。列车置于铁轨上，铁轨制成流线型，防止多余阻力。列车在轨道上通过三个支架进行固定。计算外场即风洞壁面，长度尺度为0.2 m×0.1 m×1 m。风壁面固定，侧偏角通过在列车底部加垫模具来实现。由于实验模具本身只有7°和15°两个角度，所以本文中侧偏角探究了0°、7°、15°三个角度。

2.1 数值校验

本文利用ANSYS16.2模拟了湍流系统[7]。将真实数据与湍流模拟数据进行比对，表明来风速度与小型风洞风速一致，为约10 m/s，两者符合良好，证明了本文工作的准确性。通过数值模拟同时可获得列车表面压力云图和列车周围流线图，分别如图1和图2所示。

图1 列车表面压力云图

图2 列车周围流线图

2.2 固定底板小型风洞实验

在简易风洞实验中，通过流线型简易平台将列车连同轨道放在风洞中，并将车头用灵敏弹簧测力计连接在风机上，对列车3个侧偏角分别实验，通过连接在车头处的灵敏弹簧测力计反映出气动阻力值。同一侧偏角下进行3次实验取平均值，减小误差。

2.3 列车实际运行情况模拟实验

模拟实际列车行驶时，无法使用弹簧装置模拟气动阻力，因为弹簧不断变化的力难以通过牛顿第二定律进行动力学分析。本次实验在倾斜角约为15°的山坡上铺设轨道，由于轨道只有20 m，自由加速无法达到与风洞来风速度相当的速度，而气动阻力又受速度的影响，因此实际通过在轨道下加垫细沙来制造侧偏角。同样地，每个侧偏角下进行3次平行实验取平均值减小误差，并收集整理数据。

为最大限度模拟真实场景，保证实验准确性，采取助推方式使列车在14 m至15 m内处达到10 m/s的速度，该速度正好与风洞来风速度相当。

在14 m处与15 m处两点各放置一光电门，测量此处列车的加速度，并利用牛顿第二定律，结合实验前测得的摩擦力、斜面倾角等数据得出气动阻力的大小，其计算式为：

3 结果分析

地面效应是影响高速列车气动力预测的一个关键因素，也是制约风洞试验精度的一个重要原因。

ANSYS16.2湍流模拟系统给出的气动阻力数值约为0.02 N，与小型风洞的数值误差约为0.003 N，处于接受范围内，说明数值校验计算结果与实验结果拟合良好，从而表明本文采用的方法能够保持实验结果的精度，可以用于后续地面效应的研究。表1为本次实验得出的数据及误差分析。全面、有条理地记录了核心数据。

表1 不同侧偏角下气动阻力数据采集结果

由上述数据可见，在侧偏角增大的过程中，误差未增反减——0°侧偏角下的阻力基数较小，所以误差比例相对较大，然而随着侧偏角的增大，误差比例有缩小的趋势，是值得渴望的。在0°侧偏角下误差的突出影响意味着地面效应的影响不可忽略，为高速列车制造者提供了一个启示：在侧偏角较大时，可以不采用消除地面效应的设备，以减少成本；而在侧偏角接近0°时，就要尽量实现地面和高速列车的相对运动，以消除地面效应的影响。由于模拟横风是侧偏角应用的主要方面，所以体现在风洞试验中，0°侧偏角下的高速列车气动力预测必须考虑地面效应的影响，而在研究横风效应（即大侧偏角下）的气动力预测时，可以适当放松对设备的要求[8]。

4 结语

本次实验虽然进程非常复杂，但不乏逻辑性，且通过数值模拟严密论证了实验可行性。再进一步，分别探究了风洞和实际行驶下的气动阻力，通过比较分析，确定气动阻力和侧偏角的关系，从而真正优化了风洞实验。相信将来，在科研人员的努力下，一定会有更加成熟的风洞实验出现，在科学技术领域走得更远。

[1]Grosche F R, Holst H, Wulf R. Experiments on the feasibility of aero-acoustic measurements in the 3-m-low-speed wind-tunnel of the DFVLR-AVA[J]. 1975.

[2]Tyll J S, Liu D, Schetz J A, et al. Experimental studies of Maglev aerodynamics[C]//AIAA-95-1917, 13th Applied Aerodynamics Conf. 1995.

[3]Guiheu C. Resistance to forward movement of TGV-PSE trainsets: evaluation of studies and results of measurements[J]. French Railw. Rev, 1983, 1(1): 13-26.

[4]Kwon H, Park Y W, Lee D, et al. Wind tunnel experiments on Korean high-speed trains using various ground simulation techniques [J]. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 2001, 89(13):1179-1195.

[5]易仕和, 邹建军. 利用均匀抽吸地板进行高速列车模型地板边界层影响的试验[J]. 流体力学实验与测量, 1997, 11(2): 95-100.

[6]孙振旭, 郭迪龙, 姚远, 等. 高速列车地面效应数值模拟研究[J]. 计算物理, 2013 (1): 61-69.

[7]高级教程: icemCFD从入门到工程师[Z].

[8]孙振旭, 姚拴宝, 郭迪龙, 等. 高速列车横风气动力数值计算研究[J]. 科学技术与工程, 2012, 20(32): 8486-8497.

Study on Relationship between Ground Effect and Distortion Angle for High Speed Train

WANG Ming-chang
(No.8 High School of Jinzhou New District in Dalian, Dalian, Liaoning,116600, China)

Through a rigor and rational experiment on high speed train, relationship between the distortion angle and ground effect, including the analysis on the influence of ground effect on the aerodynamic force, as well as evaluation on the influence of ground effect under various distortion angles. Based on the classical Newton's second law, by using the methods such as ratio shrinkage, variable control and numerical simulation, through wind tunnel test and ANSYS 16.2 numerical simulation software, conclusions such as the ground effect under the distortion angle of 0 degree cannot be ignored, while 15 degrees can, can be drawn, providing a theoretical basis for the technological design of high speed train.

High Speed Train; Ground Effect; Distortion Angle; Newton's Second Law; ANSYS

U292.91+4

A

2095-8412 (2016) 06-1221-03

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.045

王明畅(1999-)，男，汉族，辽宁大连人，大连市金州新区第八高级中学高中在读。研究方向：理论物理。