动力车车体表面压力分布试验研究_北京京显信息技术有限公司

  1动力车表面压力分布实车测量

  1. 1试验列车

  动力集中型动车组编组方式为一动六拖 ,列车一端是动力车 ,紧接动力车为双层软座车 , 之后为单层软座车 ,另一端是控制车 (带流线型司机室的单层软座车) . 具体编组方式示于图 1.

  动力车(DDJ001)   +  双层客车(10881)   +  单层客车(10883)   +    单层客车(10882)

  单层客车(10884)   +  单层客车(10885)   +   控制车(10886)

  列车编组中 ,动力车与双层客车相邻 ,因此 ,动力车与双层客车共用一套数据采集系统进 行测量.

  1. 2  试验装置

  1. 2. 1     表面压力采样装置

  我国实车空气动力学试验均不能破坏车体表面 ,故本次列车表面压力采样装置仍采用拍 式感压片方式 .

  1. 2. 2     数据采集系统 列车表面压力测量是待列车速度稳定后由计算机控制扫描阀步进完成数据采集. 数据采集系统的结构及原理

  1. 3  试验方法

  1. 3. 1     测压点布置

  本列动车组因气密性要求 ,车体全部封闭. 测点采样导管进入车内非常困难 ,不宜大量布 置测点 ,为使有限的测点合理布置 ,在实车试验之前对动力车表面压力分布进行了数值计算,根据数值计算结果 ,按下述原则进行布点 :

  1) 测点集中布置在表面压力变化较大的动力车头部. 对于表面压力变化较为平缓的车身 及中间车只布置少量测点 ,用于验证数值计算结果 ;

  2) 空调进风口及冷凝风机进排风口处布置测点 ;

  3) 车窗位置布置测点.

  动力车 、双层客车共布置了 34 个测点 ,其具体测点布置见双层客车新风口布置在 车体端墙位置 ,为测量新风口处压力分布情况 ,并避免新风口进风对流场的干扰 ,将测点布置 在与之相邻的动力车对应位置上测压点布置在车体纵向对称面的一侧 ,为检查车体左右两侧压力分布的对称性 (列车运行 在线路的直线段 ,不考虑环境风影响的情况下 ,车体两侧的压力分布应是对称的) ,故在双层客车车体上布置了两个对称点.

  1. 3. 2     比较压的选取

  在测压试验中 ,差压传感器需要一 个比较压作为测量的基准 ,因此必须提 供一个稳定可靠的比较压. 实车测压试 验不同于风洞试验 ,来流受到各种因素 的干扰 ,不可能象风洞试验那样维持稳定状态. 因此 ,对实车试验而言 ,比较压200 km/ h 动车组动力车表面压力分布测点布置200 km/ h 动车组双层客车表面压力分布测点布置

  的选取是试验成功的关键. 本次实车测压试验采用恒温密封瓶装置. 需要注意的是 ,给传感 器提供比较压之前 ,恒温瓶口橡皮塞上的玻璃管应与当地大气压相通 ,待密封瓶内温度稳定 后 ,才能接入传感器比较压接口 ,因密封瓶内空气温度不受车内环境温度的影响 ,此时给传感 器提供的比较压为常数 ,即当地环境的大气压力.

  2. 3. 3     数据处理 列车表面上测点的压力系数定义为 :

  Pi   -    P ∞

  Ci    =  q ∞

  式中 :

  Pi  ———待测点空气压力 ;

  P ∞ ———无穷远处来流静压 ;

  q ∞ ———无穷远处来流动压 , q ∞ =  1 ρV2,ρ为当地大气密度 , V取列车运行速度 ;

  2     ∞    ∞无穷远处来流静压即为当地大气压力 , 即 P ∞ =  Pα , 因此 Pi   -   P ∞ 即为传感器所测之压力.

  1. 4  实车测压试验结果及分析

  试验列车运行速度 140 ～ 200 km/ h 速度范围内均进行了测压试验 , 从试验数据看 , 在上述 速度范围内 , 测点压力系数基本不变 , 说明列车运行速度大于 140 km/ h 以后 , 流动已进入自模 拟区. 为节约篇幅表 1 和表 2 只列出了列车运行速度为 170 km/ h 时的试验数据.

  从本次试验中所设置对称点的测试结果来看 (双层客车上对称点为24 、25) , 压力系数值很 接近 , 证明测试结果有效.

  测点号    1     2     3     4     5     6     7     8     9     10

  压力系数0. 897     0. 718     0. 995     0. 685     0. 556     0. 652     0. 435       -   0. 526     -   0. 169     -   0. 081

  测点号    11   12   13   14   15   16   17   18   19   20

  压力系数0. 253     -   0. 329     0. 559     -   1. 871     -   0. 382     -   0. 002     -   1. 297     -   0. 460     -   0. 047     -   0. 049

  测点号21   22   23   24   25   26   27   28   29   30

  压力系数-   0. 133     0. 112     0. 052     -   0. 063     -   0. 059     -   0. 023     -   0. 042     -   0. 039     -   0. 019     -   0. 041

  测点号 31   32   33   34

  压力系数  -   0. 133     -   0. 089     -   0. 121     -   0. 079

  动力车作为尾车 、速度     170  km/ h 时各测点测试结果

  测点号1     2     3     4     5     6     7     8     9     10

  压力系数0. 007     -   0. 011     0. 017     -   0. 034     -   0. 001     -   0. 002     -   0. 080     -   0. 163     -   0. 272     -   0. 090

  测点号    11   12   13   14   15   16   17   18   19   20

  压力系数       -   0. 033     -   0. 204     -   0. 156     -   0. 105     -   0. 168  -   0. 292     -   0. 305     -   0. 181     -   0. 048     -   0. 061

  测点号    21   22   23   24   25   26   27   28   29   30

  压力系数       -   0. 023     0. 008     -   0. 034     -   0. 041     -   0. 034       -   0.      -   0. 014     -   0. 041     -   0. 022     -   0. 022

  测点号31   32   33   34

  压力系数  0.      -   0. 027     -   0. 020     0. 014

  动力车司机室安装有单元式空调机组 , 为考察动力车头部空调装置进风口处压力分布情 况 ,在其进风口上 、下边缘分别布置两个测压点. 当动力车作为头车时 , 5 、6 # 测点的压力系数分别为 0. 652 和 0. 556 , 皆为正压 , 且进风口下边缘的压力系数较上边缘 小 ,说明气流在下边缘处流动速度较快 ;而动力车作为尾车时 ,5 、6 #  测点的压力系数分别为 - 0. 001 和 - 0. 002 , 为微负压. 单从动力车作为头车来看 , 空调进风口处于正压区 , 便于空调进 风 , 而且从纵向对称面的压力分布情况来看, 如果进风口设置靠前将更为有利. 但本 动车组为单端配置动力车的动力集中型动车组 , 另一端为不带动力的控制车 , 动车组在上下行 运行时 , 动力车始终处于工作状态 , 因此 , 空调新风风机选型时 , 必须以动力车作为尾车时空调 新风口处的压力分布情况作为计算依据.

  本次测压试验中在动力车车顶导流罩的前部布置了几个测压点 , 当动力车作为头车时 , 导 流罩中部测压点 11压力系数为正值 (0. 253) , 说明车顶导流罩对气流有较大的阻碍作 用 ; 而当动力车为尾车时 , 布置在车顶导流罩上的 3 个测点压力变 化出现拐点 , 可能出现流动分离现象. 因此 , 如能将车顶导流罩前移 , 使之与司机室流线型部分 连成一个整体 , 可减小空气阻力.当动力车作为头车时 , 导流板处的压力系数均为正值 , 且数值较大 , 说明导流板在一定程 度上增加了列车运行时的空气阻力 , 因此导流板的形状及对空气阻力的影响还需进一步研究. 从车体侧墙测压情况看 , 压力系数为负值 , 其变化范围为 - 0. 042 ～ - 0. 019 , **值较小 ; 为研究列车底部气流流动情况 , 本次测压试验中 , 在车厢底部也布置了测压点  , 其压力系数为负值 , 且与车厢侧面为一个量级 , 说明加装车底整流罩后(将除转向架部位外的车底外露部件包裹起来)  , 车体底部气流流动较为顺畅.

  1. 5  表面压力分布数值计算及与试验结果对比

  采用三维面元法对动力车进行了数值计算. 计算模型编组方式为 :动力车 + 中间车 + 动力车. 实车试验 、风洞试验及数值计算均表明中间车表面压力变化较平缓 , 计算中除头 、尾变 截面部分外 , 中间车 (包括动车车身) 的长度一般取 15 m 左右 ,就能得到其压力分布规律. 本次 计算整体长度取 30 m(头 、尾部分长共 8. 1 m ,等截面部分取 21. 9 m) .

  为本次计算结果. 从图上可以看出 , 控制车头部各处表面压力明显不同 , 而在列车 中部 , 由于车身形状不变 , 其表面压力变化平缓.为动力车计算与实车试验的对比 , 从可以看出 , 当动力车作为头车时 , 计算结果与试验结果一致 ;而作为列车尾部运行时 , 由于列车 尾部有流动分离 , 不满足势流理论 , 因此 , 采用基于势流理论的面元法的列车尾部数值计算结 果与试验结果相差较大.

  试验与计算结果对比

  2     结    论

  1) 当动力车作为头车运行时 , 空调新风口位于正压区 ; 而作为尾车时 , 空调新风口位于微 负压区 , 因此 , 作空调新风风机选型计算时 , 必须以动力车作为尾车的状态来考虑.

  2) 流线化车头部表面压力变化较大 , 列车中部表面压力变化平缓 ; 车底整流罩能较大程 度改善底部气流流动状态.

  3)  用面元法计算的列车头部表面压力分布与实车试验结果一致.

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