高速列车空气动力学行为与外形、结构协同设计基础理论研究

列车超过250km/h速度穿越隧道时，强交变载荷、气压爆波会导致列车和隧道结构疲劳破坏，接触网振动幅值过大造成弓网接触失效；明线运行时，气动阻力占总阻力的75%以上，气动噪声成为列车的主要噪声源。但高速铁路的气压爆波传播、弓网气固耦合、车隧结构疲劳损伤、界面流动控制减阻和气动噪声源辨识等机理仍是未解决的学术难题。本项目采用国内唯一、国际领先的动模型实验装置，结合数值分析、风洞实验、实车实验，对车隧耦合气动效应、减阻降噪等基础理论开展研究，揭示高速列车/隧道耦合空气动力学行为规律，得到隧道内系列气动载荷谱；研究列车表面流动分离及控制机理，提出高速列车界面流动控制减阻方法，得出高速列车气动噪声产生机理及衰减规律；构建高速列车气动外形、结构协同设计模式。研究成果用于提升高速列车运行品质，完善高速列车空气动力学基础理论和研究体系，为我国高速列车研制和高速铁路隧道设计提供理论基础。

从引进消化吸收到自主独立设计阶段，在高速列车气动\声学优化方面已开展了广泛而有成效的研究。随着车速的提高，气动\声学问题凸显，须从机理角度出发开展协同研究、进一步发掘气动\声学优化潜力，以满足高铁气动安全性及环境舒适性方面不断提升的需求。.本项目采用数值分析、模型实验、实车试验相结合的方法，对车隧耦合气动效应、减阻降噪等基础理论开展研究，得到如下结论：.（1）车/隧耦合空气动力学行为研究方面.•构建了隧道气压爆波非线性脉冲波激化模型。完成了不同缓冲结构、隧道口形式等对气压爆波的影响规律研究，得到理论最优缓冲结构形式：帽檐斜切式与缓冲结构的组合形式。.•构建了车隧耦合的受电弓瞬变流场多尺度仿真模型，开发了对应动模型平台试验技术。完成了隧道结构参数、列车外形和车速等参数对列车及受电弓气动特性的影响规律研究。.（2）界面流动控制气动减阻研究方面.•构建了基于改进型DDES的高速列车瞬态流场精细化仿真模型。完成了车体附面层厚度、气动阻力分布规律研究，指出摩擦阻力占总气动阻力一半左右。.•头车和尾车设置抽吸气能有效减小列车阻力（整车最大减阻6%）；底部低速抽吸气可降低列车气动阻力，超过临界抽吸速度时，列车阻力反而增大。尾车尾部设置喷流装置对尾车阻力影响最大；随着喷流速度增大，尾车阻力减小。.（3）气动噪声源图谱及近场声能传递规律研究方面.•开展了噪声图谱实车试验研究，构建了车外噪声源随车速变化图谱；构建了气动噪声仿真模型，分析了多种车型不同部位的噪声贡献；完成了200km/h以上动车组噪声的基本组成和主要能量传递途径研究。.•构建了车外噪声源的频谱分解模型，给出了气动噪声源和轮轨噪声源的相对能量比例；结合声辐射模型，构建了车外辐射噪声组合预测模型。.（4）气动外形、结构协同设计研究方面.•提出了基于流曲线的头型控制型线参数化新方法，实现了高速列车外形参数化建模。.•建立了列车气动性能与流线型长度、曲面形式、纵剖面型线、水平剖面型线、前窗过渡曲线之间的映射关系模型。.•构建了列车外形、结构协同设计平台，实现了全过程自动化。优化后头部气动阻力减小12.2%，气动噪声降低2dB。.研究成果用于提升高速列车运行品质，完善高速列车空气动力学基础理论和研究体系，为我国高速列车研制和高速铁路隧道的顶层优化设计提供理论基础。