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摘要：环境风洞是研究高速列车在不同环境工况下性能的主要实验设备。环境风洞可再现高速列车在实际运行过程中可能遇到的各种特殊环境。在环境风洞中，喷口的形式和尺寸直接影响到风洞的尺寸、高速列车实验时的模拟状况。本文通过数值模拟的方式探讨不同形式的喷口对高速列车在风洞中的流场，进而讨论高速列车在风洞中的换热状态，对高速列车环境实验风洞的建设提供参考。
关键词：高速列车、环境风洞、喷口、数值模拟；
引言
高速列车在运行中，会遇到高低温、高低湿、太阳辐射、降雨、结冰、降雪等各类气候环境。在高速列车气候环境风洞内，可对高速列车单节整车及主要系统（如空调通风系统、牵引系统、制动系统等）、主要部件（如变流器、变压器、空调机组、受电弓等）在不同温度、不同湿度、太阳辐射、降雨降雪、冻雨积冰等气候环境下的安全性、可靠性、舒适性等方面进行试验研究。
与常规空气动力学风洞不同，高速列车的气候环境风洞阻塞度大；高速列车的热力学性能与车体四周的风速有直接联系，因此要求风洞内列车四周的气流速度均匀一致。在风洞的设计中，试验段和收缩段喷口的设计选择直接影响试验段的速度场。需要对高速列车气候环境风洞中试验段和收缩段喷口的设计选择进行研究。
1 列车风洞概述
目前全球范围内专门用于地面轨道交通车辆试验的风洞有三座：1.维也纳全尺寸列车环境风洞；2.日本RTRI列车模型风洞；3.法国圣西尔列车模型风洞。
维也纳列车全尺寸环境风洞包括两个全尺寸风洞，风洞内可实现风速、高低温、降雨、降雪以及太阳辐射等环境试验。大环境风洞试验段尺寸（长×宽×高）为100m×5m×6m，最大风速250km/h；小环境风洞试验段尺寸（长×宽×高）为31m×5m×6m，最大风速120km/h。
图3 法国圣西尔列车模型空气动力学风洞
2风洞喷口形式
风洞试验段形式包括两大类：开口式和闭口式。其中开口式包括3/4开口式试验段，各类试验段图示如下：
（c）3/4开口试验段
图4 不同形式试验段
闭口试验段截面尺寸与收缩段出口尺寸相同；开口试验段一般在试验段处设置驻室，用于安装实验设备及测量设备；3/4开口试验段主要用于轨道交通试验用风洞，试验段设置驻室，驻室地板与收缩段出口低边界相接，驻室地板上设置模拟路面及测量装置。
上述三种试验段形式包括了绝大部分风洞试验段形式，日本RTRI和法国圣西尔列车模型风洞亦属于闭口试验段或3/4开口式试验段。维也纳全尺寸列车风洞的试验段形式与上述试验段形式均不相同，介于3/4开口式风洞与闭口试验段之间。
3高速列车气候环境风洞喷口的数值模拟
高速列车气候环境风洞被试件为全尺寸列车，考虑到车体迎风及周围风速的均匀性，试验段即收缩段喷口形式可参考维也纳列车全尺寸风洞。基本设计构想为列车投影面积与喷口面积之和等同于试验段截面积，可保证被试件四周风速与迎风风速相同。试验段与收缩段喷口之间过渡方式初步考虑以下形式：
图6 试验段与收缩段喷口采用90°过渡计算云图
图7 试验段与收缩段喷口采用6°过渡计算云图
分析计算结果：
对于过渡角度90°：喷口处和被试模型的迎风位置为最大风速，模型局部迎风风速为110m/s，试验段入口处存在明显涡旋，被试件四周沿气流方向速度较均匀。由于被试件顶部、底部流通空间大小不一致，被试件顶部、底部气流速度的均匀性比两侧较差；喷口速度场左右对称分布，且90%以上面积速度为350km/h，被试件周围风速沿程分布均匀，基本均布在75~80m/s范围内，且速度梯度逐步减小；
对于过渡角度20°：喷口处和被试模型的迎风位置为最大风速，模型局部迎风风速在110m/s，由于被试件的存在以及20°的扩散角度，试验段入口处存在明显涡旋，试验段中被试件四周沿气流方向速度较均匀，基本均布在75~80m/s范围内；
对于过渡角度6°：喷口处和被试模型的迎风位置为最大风速，模型局部迎风风速为100m/s，对比过渡角为20°和90°的情况可以发现，试验段入口处无明显涡旋，被试件迎风流场较好，两侧速度场对称分布。
4结论
1、通过对三种过渡形式的仿真分析，可以看出，三种形式均可以获得较好的流场及气流速度；但过渡角为6°时过渡段约占试验段长度的1/2，将会大大降低风洞的实用性；因此推荐过渡角度为90°或20°的试验段和收缩段喷口形式。
2、本文仿真为其中一种高速列车模型的仿真，后续可开展多种模拟尺寸的仿真，并通过建设缩比风洞，加工制造不同试验段形式，对不同形式的试验段和收缩段喷口进行测量，最终获得最优形式。
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论文作者:陈大伟1、王维斌1、端木兵雷2
论文发表刊物:《科技新时代》2018年11期
论文发表时间:2019/1/11
标签：风洞论文; 列车论文; 风速论文; 环境论文; 形式论文; 喷口论文; 尺寸论文; 《科技新时代》2018年11期论文;