？？？？ 編者按：2014年6月7日，科技部立項(xiàng)的國(guó)家科技支撐計(jì)劃“中國(guó)高速列車關(guān)鍵技術(shù)研究及裝備研制”（2009-2014）在青島通過(guò)驗(yàn)收。該項(xiàng)目的標(biāo)志性成果——時(shí)速350公里高速動(dòng)車組CRH380系列已經(jīng)成為我國(guó)高速鐵路網(wǎng)的主力裝備，安全運(yùn)營(yíng)里程已超過(guò)4億公里。作為項(xiàng)目的一個(gè)課題，力學(xué)所楊國(guó)偉研究員牽頭開(kāi)展了“高速列車空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)及評(píng)估技術(shù)”研究，通過(guò)參研人員5年多的共同努力，在CRH380系列氣動(dòng)定型設(shè)計(jì)和高速列車空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)兩個(gè)方面取得重要進(jìn)展。我們將分兩期介紹用于高速列車空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研制情況。

高速列車空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的利器（1）

世界上獨(dú)一無(wú)二的高速列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研制成功

在2014年收官之前，中國(guó)在一天之內(nèi)開(kāi)通了貴廣、蘭新和南廣三條高鐵，使全國(guó)高鐵的總里程達(dá)到1.6萬(wàn)公里，已在全國(guó)基本形成了“四縱四橫”的框架。高鐵的迅猛發(fā)展，令國(guó)人十分振奮，也贏得了世界目光。使從事高速列車技術(shù)和裝備的科技工作者倍感欣慰。特別是，隨著“一帶一路”構(gòu)想的實(shí)施，高鐵出海、出國(guó)的前景廣闊。目前，中國(guó)高鐵里程已超過(guò)世界高鐵運(yùn)營(yíng)里程的一半，是當(dāng)之無(wú)愧的“世界第一”。此外，它還創(chuàng)造了若干個(gè)“世界第一”。例如，運(yùn)營(yíng)時(shí)速最高。 2010年12月3日，在京滬高鐵棗莊至蚌埠試驗(yàn)段，CRH380AL新一代高速動(dòng)車組創(chuàng)造了時(shí)速486.1公里/小時(shí)的世界鐵路運(yùn)營(yíng)第一速。這可是噴氣飛機(jī)低速巡航的速度啦！又如，輪軌試驗(yàn)時(shí)速最高。2011年12月，中國(guó)南車研制的試驗(yàn)列車（又稱500公里試驗(yàn)列車）落成，設(shè)計(jì)速度500公里/小時(shí)，在高速列車國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造了605公里/小時(shí)的最高輪軌試驗(yàn)速度。再上一層樓！目前，中國(guó)已經(jīng)構(gòu)成了譜系最全的動(dòng)車組“大家庭”，擁有從200公里/小時(shí)-500公里/小時(shí)各種時(shí)速等級(jí)的動(dòng)車組。讓我們來(lái)看這個(gè)“大家庭”的成員吧：初期引進(jìn)的CRH1、CRH2、CRH3、CRH5，時(shí)速為200-300公里/小時(shí)不等，引進(jìn)后提升到350公里/小時(shí)；后面自主研發(fā)的有CRH380系列，時(shí)速可達(dá)380公里/小時(shí)。之后還有CRH380AM時(shí)速500公里試驗(yàn)車和為城際鐵路研發(fā)的CRH6系列動(dòng)車組。“和諧號(hào)”速度達(dá)到了350公里/小時(shí), 是目前世界運(yùn)營(yíng)鐵路的最高時(shí)速。

力學(xué)所楊國(guó)偉研究員率領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，針對(duì)國(guó)家任務(wù)需求，開(kāi)展了多種頭型方案在無(wú)橫風(fēng)以及不同強(qiáng)度橫風(fēng)運(yùn)行場(chǎng)景下的氣動(dòng)性能和氣動(dòng)噪聲評(píng)估研究，完成了單車隧道通過(guò)、明線及隧道會(huì)車場(chǎng)景下的壓力波分析。通過(guò)綜合性能比較，篩選出5種性能優(yōu)良的高速列車頭型，進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，最終選定出CRH380A高速列車頭型。通過(guò)近幾年運(yùn)營(yíng)檢驗(yàn)，CRH380A高速列車氣動(dòng)性能優(yōu)良，被國(guó)際相關(guān)組織評(píng)為世界上目前設(shè)計(jì)最好的十種高速列車之首，已成為我國(guó)高端制造裝備的名片。他們還針對(duì)CRH380B研制，在分析原型車CRH3的氣動(dòng)阻力源的基礎(chǔ)上，完成了風(fēng)擋、空調(diào)整流罩、裙板、受電弓整流罩等結(jié)構(gòu)部件的多方案氣動(dòng)性能比較，確定了改進(jìn)方案并通過(guò)了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，又通過(guò)線路試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)方案的有效性。CRH380B型高速列車總阻力比CRH3型車減小8%左右。

氣動(dòng)力學(xué)的知識(shí)告訴我們，對(duì)于時(shí)速350公里/小時(shí)運(yùn)行的高速列車，氣動(dòng)阻力占總阻力的85%以上，所以研究高速列車的氣動(dòng)特性是關(guān)系到高鐵運(yùn)營(yíng)中節(jié)能和降噪的關(guān)鍵。高速列車的氣動(dòng)性能，和飛行器、汽車等運(yùn)輸工具一樣，要通過(guò)理論分析、數(shù)值計(jì)算與仿真以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等途徑獲取。試驗(yàn)驗(yàn)證包括模型實(shí)驗(yàn)和線路試驗(yàn)。如何進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)?zāi)?？目前高速列車氣?dòng)性能只能在低速風(fēng)洞中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

人們發(fā)展風(fēng)洞的歷史有150余年了，開(kāi)始是因?yàn)檠兄骑w行器的需求，現(xiàn)在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)已經(jīng)是飛行器研制工作中的一個(gè)不可缺少的重要組成部分（參見(jiàn)圖1）。目前，風(fēng)洞不僅在航空和航天工程的研究和發(fā)展中起著重要作用，隨著工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，在交通運(yùn)輸、房屋建筑、風(fēng)能利用和環(huán)境保護(hù)等部門中也得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。例如，所謂的“汽車風(fēng)洞”（參見(jiàn)圖2）就是研究各類汽車的氣動(dòng)性能。

圖1？ 研究飛機(jī)氣動(dòng)性能的航空風(fēng)洞

？

圖2？ 研究汽車氣動(dòng)性能的汽車風(fēng)洞

？

利用風(fēng)洞作實(shí)驗(yàn)的依據(jù)是運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理。在實(shí)際情況中，物體（飛行器、汽車、高速列車等）一般是在靜止的空氣中運(yùn)動(dòng)。但在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，則是實(shí)驗(yàn)氣體在靜止的物體模型（固定在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段內(nèi)）周圍流動(dòng)。這種實(shí)驗(yàn)方法，流動(dòng)條件容易控制，可以重復(fù)地、經(jīng)濟(jì)地取得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)中的流動(dòng)狀態(tài)必須與實(shí)際流動(dòng)狀態(tài)相似，即必須滿足“相似律”的要求。要搞清楚相似律的全部問(wèn)題，大概需要寫一部專著，不是我們這篇短文可以囊括的。但是，有一條基本的相似條件并不是難以理解的，那就是“幾何相似”，或者說(shuō)模型和實(shí)物必須按比例縮小（或放大）。例如，在力學(xué)所實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，高速列車模型外形尺寸的縮比為1:8。如果我們要實(shí)測(cè)高速列車結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)特性，車頂上受電弓架等細(xì)致結(jié)構(gòu)也都應(yīng)當(dāng)在模型中體現(xiàn)出來(lái)，才能滿足幾何相似條件。此外，“動(dòng)力學(xué)相似”條件則會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)氣流的速度提出要求。

然而，汽車風(fēng)洞存在來(lái)流速度偏低的缺點(diǎn)，因?yàn)閷?shí)際汽車的時(shí)速一般不會(huì)高于200公里/小時(shí)，所以汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)氣流的速度大多不能滿足模擬時(shí)速350公里/小時(shí)高速列車的要求。盡管航空風(fēng)洞可以滿足模擬速度的要求，但是難以模擬高速列車特別關(guān)注的地面效應(yīng)、明線交會(huì)、隧道通過(guò)和隧道會(huì)車等運(yùn)行場(chǎng)景。為了克服常規(guī)風(fēng)洞的缺點(diǎn)，力學(xué)所決定針對(duì)高速列車研制的需求，發(fā)展大型雙向動(dòng)模型空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。楊國(guó)偉研究團(tuán)隊(duì)提出了利用高壓空氣驅(qū)動(dòng)高速列車模型的創(chuàng)新思路；通過(guò)關(guān)于動(dòng)模型加速、減速原理的多方案驗(yàn)證，確定了動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)的實(shí)施方案；并于2013年底，在北京懷柔力學(xué)所錢學(xué)森工程科學(xué)實(shí)驗(yàn)基地，建成了擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（參見(jiàn)圖3）。該平臺(tái)的最高實(shí)驗(yàn)速度可達(dá)500公里/小時(shí)，模型縮比為1：8，模型質(zhì)量可達(dá)100千克以上，具有雙向?qū)﹂_(kāi)運(yùn)行模式，而且可以安裝隧道模型（參見(jiàn)圖4）。由于列車模型在軌道上按照實(shí)際的時(shí)速來(lái)運(yùn)動(dòng)，所以“地面效應(yīng)”便可以模擬研究了。由于有兩條對(duì)稱設(shè)置的軌道，每次試驗(yàn)中可以使兩個(gè)列車模型在相反方向上相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了“明線交會(huì)”場(chǎng)景的模擬。由于可以按要求設(shè)置隧道模型也是滿足1:8縮比的幾何相似要求，采取了分段制作的方式，各段之間使用螺栓（Bolt）連接，端面貼有膠帶以保證段間密封不漏氣的要求，這樣就可以模擬“隧道通過(guò)”和“隧道會(huì)車”等場(chǎng)景。當(dāng)然，對(duì)于“隧道通過(guò)”場(chǎng)景的模擬，如果只需考慮單軌單列的情況，也可以在該實(shí)驗(yàn)室的單軌單車的小型動(dòng)模型裝置上進(jìn)行，那里所使用的隧道模型的截面尺寸會(huì)相應(yīng)縮小的。

圖3？ 力學(xué)所錢學(xué)森工程科學(xué)實(shí)驗(yàn)基地的高速列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)