J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 98 (2010) 277–298
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Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics
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The flow around high speed trains
Chris Baker ✕
School of Civil Engineering, University of Birmingham, Edgbaston, Birmingham, B15 2TT, UK
a r t i c l e i n f o
Article history:
Received 4 March 2009
Accepted 18 November 2009
Available online 23 December 2009
Keywords:
High speed trains Aerodynamics Cross winds Boundary layers Wakes Slipstreams
a b s t r a c t
This paper considers aspects of the aerodynamic behaviour of high speed trains. It does not specifically address the many aerodynamic problems associated with such vehicles, but rather attempts to describe, in fundamental terms, the nature of the flow field. The rationale for such an approach is that the flow fields that exist are the primary cause of the aerodynamic forces on the train and its components which result in a whole range of aerodynamic issues. This paper thus draws on a wide range of model scale and full scale experimental and computational work and attempts to build up a comprehensive picture of the flow field. Attention is restricted to trains in the open air (i.e. tunnel flows will not be considered) for both still air conditions and crosswind conditions. For still air conditions the flow field will be described for a number of flow regions i.e.
- around the nose of the train;
- along the side, roof and underbody of the train;
- the wake of the train;
Calculations of the nature of the wind relative to the train will be presented for a variety of train speeds and wind speeds. For crosswind conditions, the nature of the flow field around typical trains, including surface pressure distributions, will be presented. In addition the aerodynamic admittances/ weighting functions for different types of train will be discussed. Finally some remarks will be made as to the relevance of the data that has been presented to current issues in train aerodynamics.
amp; 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.
- Introduction
This paper aims to set out a description of the flow field around high speed trains in the open air. It will approach this from a fairly fundamental point of view, and will not specifically address practical issues and problems associated with the aerodynamic behaviour of trains, although these will be briefly discussed at the end of the paper. Such an approach is adopted in the hope that such a description will clarify the basic flow mechanisms that exist around high speed trains, and will thus inform future consideration of a range of more practical issues.
The basic tools in the study of train aerodynamics are full scale testing, wind tunnel testing and CFD calculations, as indeed is the case in other fields of aerodynamics. In the case of the study of train aerodynamics, all of these approaches are fraught with difficulties. Full scale measurements have to be made in very turbulent flows and very often a large number of runs have to be carried out to enable the mean and unsteady flow patterns to be elucidated. Baker et al. (2001) describes the technique of lsquo;lsquo;ensemble averagingrsquo;rsquo; through which the results of a large
✕ Tel.: 44 1214145067; fax: 44 1214143675.
E-mail address: c.j.baker@bham.ac.uk
number of runs are considered together. Results obtained using this technique will be used extensively in what follows. Both wind tunnel tests and CFD calculations are made difficult because of the large length/height ratio of high speed trains that makes wind tunnel models or computational grids very long and thin, and which both require specialist techniques and expertise. This point having been made however, experimental and computational techniques will not be discussed at any length in what follows, although where the nature of the technique has the potential to seriously affect the results that are being presented then this will be pointed out.
Section 2 discusses the aerodynamics of high speed trains in conditions of zero cross wind. The discussion is framed in terms of three flow regions, viz.
- the nose region around the front of the train;
- the boundary layer region along the length of the train (for the train side, train roof and train underbody);
- the wake region behind the train.
This scheme is based on that developed by the author in Baker et al. (2001), although in this paper the number of flow regions is reduced from the five in Baker et al. (2001) to the three listed
0167-6105/$ - see front matter amp; 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved. doi:10.1016/j.jweia.2009.11.002
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Fig. 1. Velocities in the nose region of the ICE service train (z0 = 0.5 m).
Fig. 2. Pressure time history measured during the passage of two ETR 500 trains (x axis is an arbitrary time) (Mancini and Malfatti 2001).
Fig. 3. Results of the potential flow calculations of Sanz-Andres and Santiago- Prowald (2002) (Pressure coefficient traces are shown for 2D and 3D computa- tions. The x axis parameter T is the time from the passing of the nose of the train normalised by train speed and dist
高速列车周围的流体
克里斯贝克
（伯明翰大学土木工程学院，伯明翰埃德巴斯顿，B15 2TT，英国）
摘 要：本文考虑了高速列车空气动力学行为的各个方面。它没有具体解决与这种车辆相关的许多空气动力学问题，而是试图从根本上说明流动场的性质。这种方法的基本原理是，存在的流场是列车及其部件上的空气动力的主要原因，这导致了一系列空气动力学问题。 因此，本文借鉴了广泛的模型尺度和全尺寸实验和计算工作，并试图建立一个全面的流场图。 对于静止空气条件和侧风条件，注意力仅限于露天列车（即不考虑隧道飞行）。对于静止空气条件，流场将针对许多流域进行描述，即：
●在高速列车车头附近；
●沿着火车的侧面，车顶和车身底部;
●火车尾迹;
将针对各种列车速度和风速来计算风相对于列车的性质。对于侧风条件，将呈现典型列车周围的流场的性质，包括表面压力分布。 此外，还将讨论不同类型列车的空气动力学导纳/加权功能。最后，将对已提交给列车空气动力学当前问题的数据的相关性进行一些评论。
1、简介
本文旨在对露天高速列车周围的流场进行描述。 它将从一个相当基本的角度来看待这个问题，并且不会具体地解决与列车的空气动力学行为相关的实际问题和问题，尽管这些将在本文的最后讨论。采用这种方法是希望这种描述能够澄清高速列车周围存在的基本流动机制，从而为将来考虑一系列更实际的问题提供信息。
列车空气动力学研究的基本工具是全尺寸测试，风洞测试和CFD计算，其他空气动力学领域也是如此。在研究列车空气动力学的情况下，所有这些方法都充满了困难。必须在非常湍流的流动中进行全尺寸测量，并且通常必须进行大量的运行以使得能够阐明平均和不稳定的流动模式。贝克等人（2001）描述了#39;#39;整体平均#39;#39;技术，通过该技术可以一起考虑大量运行的结果。使用该技术获得的结果将在下面广泛使用。风洞试验和CFD计算都很困难，因为高速列车的长/高比大，使得风洞模型或计算网格非常长而薄，并且都需要专业技术和专业知识。然而，已经提出了这一点，实验和计算技术将不会在后面的任何长度进行讨论，尽管如果技术的性质有可能严重影响正在呈现的结果，那么将指出这一点。
第2节讨论了在零横风条件下高速列车的空气动力学特性。 讨论的框架是三个流域，即：
●火车前部周围的车头区域;
●沿列车长度的边界层区域（用于火车侧，火车车顶和火车底板）;
●火车后面的尾流区域。
该方案基于作者在Baker等人的研究中开发的方案（2001年），尽管在本文中，流动区域的数量从Baker等人的5个减少，上面列出的三个--Baker等人的上游和列车鼻尖区域在这里被一起考虑，以及Baker等人的近尾流和远尾流区域同样合并。对于每个流域，作者及其同事的工作以及其他调查员的工作被认为是尽可能完整地描绘了火车周围的流域。
图1. ICE服务列车的车头区域的速度（z0 = 0.5米）。
图2. 在两辆ETR 500列车通过期间测量的压力时间历史（x轴是任意时间）（Mancini和Malfatti 2001）。
图3. Sanz-Andres和Santiago-Prowald（2002）的潜在流量计算结果（压力系数轨迹显示为2D和3D计算.x轴参数T是从列车标准化后通过的时间。 火车速度和火车中心的距离）。
图4. 边界层测量的合成（Brockie和Baker，1990; Schetz，2001; Sockel，1996）。
然后，第3节继续考虑横风中火车周围的流动场。这首先考虑风速相对于列车的性质，即平均速度分布，湍流分布和功率谱。然后，考虑到许多作者的工作，开发了火车周围流动的定性图像，并且就稳定和不稳定的表面压力而言，还讨论了高速列车周围的压力分布的性质。最后，根据空气动力学导纳和空气动力学加权函数讨论了这些压力总和给出横风力矩的方式。然后在第4节中提出了一些结论性意见，并列出了结果对高速列车空气动力学当前问题的影响。
2. 火车周围没有横向风
在本节中，将考虑高速列车机头上游和下游的流量。在该区域中，空气速度和压力的变化基本上是无粘性的。空气速度的典型变化如图1所示，围绕14车ICE服务列车的前部。该数据来自轨道式风速测定法，用于测量这些列车周围的滑流的全尺寸实验。这些实验以大纲（RAPIDE Consortium，2001）进行了报道，并由作者及其在Sterling等人的同事进行了相当长的讨论。 （2008B）。来自这些实验的数据将在下文中广泛使用以说明许多效果。图1中的数据是来自17次列车通行证的数据的“整体平均值”。对齐该数据（在对应于图中所示的速度轨迹的峰值的点处）和在所有运行中平均的所有其他点处的数据。因此，沿列车的位置x被定义为从这个速度峰值测量。横向距离y0定义为距轨道边缘的距离，垂直距离z0定义为距轨道顶部的距离。对于所示结果，在轨道侧测量速度，没有平台存在（z0 = 0.5m）。空气速度数据u除以列车速度v，得到归一化值U.从图1中可以看出速度峰值是急剧定义的，并且如预期的那样，远离列车减少。在所有情况下，整体的标准偏差很小 - 大约0.02-0.03，这表明在该流动区域中，运行变化很小。
图1中所示的速度变化伴随着压力变化。 图2显示了由ETR 500引起的典型压力变化（Mancini和Malfatti，2001）。 这些测量结果来自作为欧盟TRANSAERO主要项目的一部分进行的列车通过测试。 可以看出，火车头周围的压力迅速增加然后减小。
图5. ICE服务车速度测量（z0 = 0.5米;在没有平台的轨道侧进行测量）（Sterling等，2008b）。
图6. ICE服务车速度测量（z0 = 0.5米;在轨旁进行测量）（Sterling等，2008b）。
对于任何特定的火车，这种效果在运行之间是高度可重复的。因为这些流动是无效的，所以可以通过相当简单的计算方法很好地预测它们 - 如下面的图3所示，来自Sanz-Andres和Santiago-Prowald（2002）的潜在流量计算。 可以使用更复杂的面板方法来计算不同类型的火车头形状周围的压力和速度变化的细节（例如图2中所示的欧拉方法的结果）。 鼻子形状越钝，速度和压力扰动越大。
2.2．边界层区域
2.2.1．火车侧面
在过去的几十年中，许多研究人员使用传统的基于列车的皮托管探头，热线探头等在列车上进行了边界层测量。这些测试已经在各种列车类型的全尺度和模型规模上进行。从这些实验中可以推导出标准边界层参数，例如位移厚度和形状参数（尽管注意这些参数是经典的二维边界层，而不是在火车周围发现的复杂的三维流动）。其中一些实验的数据总结在下面的图4中，其中来自风洞的数据和Brockie和Baker（1990）对英国HST的全面测试，以及Schetz（2001年）给出的模型尺度结果的数据相关性），报道了Sockel（1996）早期对其他各种列车的工作。这些图中给出的所有尺寸都是等效的满量程值。请注意，Schetz（2001）和Sockel（1996）的结果是针对实际的，稍微松散定义的边界层厚度。 Schetz（2001）指出，该厚度与位移厚度之间的比率在8和11之间，即一个数量级。
可以看出，所有模型尺度结果彼此大致一致，并且首先显示沿着列车长度的总边界层厚度和位移厚度的稳定发展，其次显着地形成参数的值。 低于人们对平衡边界层所期望的1.4的值。 Brockie和Baker（1990）的测量结果以及动量积分方程的考虑表明，侧壁（列车车辆侧）边界层距离二维非常远，并且在侧面上有一个偏离的侧面。 火车和屋顶上的汇合（见下文）。 然而，全尺度HST结果有些不同，并且沿着列车显示很少增长，尽管形状参数与模型尺度测量一致。
获得关于列车上边界层状态的信息的不同方法来自使用在轨道侧或平台上的静止风速计进行的测量。 上面已经描述了对德国ICE进行的测量（RAPIDE Consortium，2001; Sterling等，2008b）。 图5显示了沿列车所有位置进行的测量。 在x = 0 m附近可以看到最后一节中描述的鼻子周围的非粘性速度峰值，但是与边界层速度相比，可以看出这些峰值的速度较小。 在离火车每一个距离处，速度沿着火车稳定地增加到x = 350米附近的尾流区域。 （该区域将在下面详细讨论）。
图6示出了相同的数据，但是以沿着列车长度的不同距离的传统边界层速度分布格式绘制。 可以看出，随着x的增加，边界层逐渐变厚，如预期的那样。
图7显示了从该数据获得的边界层位移厚度和形式参数。此外，这些参数还给出了在站台上方进行的类似的一组全尺寸测量，以及在没有平台模拟的情况下在半列高度进行的一组模型尺度实验（Sterling等，2008b）。请注意，对于平台实验，z定义为距平台顶部的距离，以及距离火车侧的距离。可以看出，在所有三种情况下的位移厚度沿着列车的长度增长，轨道侧满刻度值大于其他实验的那些。这并不奇怪，因为前者的测量是在靠近地面的区域进行的，该区域暴露在空气动力学粗糙的转向架中，而后者则是从靠近火车更平滑区域的区域获得的。形状参数再次显着小于图4中的平衡值。也许从这些数据中得出的主要观点是在满量程测量中车辆前部附近的位移厚度值较大，表明存在主要的流动扰动在图1和2中所示的模型尺度测量中没有复制的鼻子周围。可以推测这是由于在模型试验中在车头附近存在不切实际的层流边界层，而在全尺寸试验的雷诺数较高时不存在。
诸如列车侧面的湍流边界层的特征还在于它们的不稳定流动特征 - 湍流的大小由湍流强度表征，并且通过诸如积分时间或长度尺度的参数来表示尺度。就整体平均数据而言，来自静止探针的速度数据已经为ICE服务序列获得，湍流强度可以近似为（1-集合标准偏差）/整体平均值。图8示出了沿着列车的该参数对于在轨道侧进行的测量和在平台上在大致相等的位置进行的测量的曲线图。可以看出，在两种情况下，湍流强度沿着列车或多或少是恒定的，但是，如所预期的，轨道侧测量值比平台测量值显着更高。这些值约为0.05-0.1，这是板边界层的fl的典型值。图9显示了这两种情况的速度自相关。 从这些图中可以发现积分长度和时间尺度（包含最大湍流能量的尺度）为4.7米，轨道测量值为0.067 s，平台测量值为4.1 m和0.059 s。 因此，整体长度标尺约为单个托架长度的20％。
最感兴趣的最终边界层参数是表面摩擦系数（Cf），因为表面蒙皮摩擦在很大程度上决定了列车的整体阻力。图10显示了HST模型的局部皮肤摩擦系数和Brockie和Baker（1990）的全尺寸结果。可以看出，正如预期的那样，皮肤摩擦力非常依赖于规模和表示如果要准确预测阻力，在风洞试验或计算中需要尽可能大的比例。值得注意的是，局部皮肤摩擦的大多数个体值落在或低于可接受的平滑壁相关的皮肤摩擦力和局部雷诺数对于二维板上的流动，再次表明非平衡，三维侧壁边界层的性质。类似的系数也可以从Baker等人报道的ICE的模型尺度移动模型测量中确定。 （2001），通过对数律的速度曲线。本文的作者承认这一过程并不准确，但获得了0.0029的平均值，这再次略低于该雷诺数下平板值的平滑流量。这些值与图10中所示的值大致一致。类似地，全尺度ICE滑流测量可用于获得皮肤摩擦的值，通过将对数定律拟合到速度分布，剪切速度和皮肤的速度分布摩擦系数可以确定。然而，对数定律对于许多速度分布来说是很差的，因此这个过程是近似的。测量的平均值，在火车中心平台上方，从x = 100到300 m，其中对数定律是合理的，为0.0046，远高于上述结果的预期值。对于在轨道侧进行的测量，暴露于粗糙的转向架，可预测的等效皮肤摩擦系数高得多，为0.038。
图7. ICE服务列车的边界层参数（Sterling等，2008b）。
图8. ICE服务列车侧边界层的湍流强度（Sterling等，2008b）
图9. ICE服务列车侧边界层的自相关（Sterling等，2008b）。
2.2.2 火车顶部
火车顶上的边界层开发没有大量的实验数据。 图11显示了Brockie和Baker（1990）的传统边界层测量的汇编。 该数据表明位移厚度比相应的侧壁边界层厚得多，这导致得出结论：在壁的侧面上方存在发散的流动并且在列车的顶部上存在会聚的流动。
贝克等人。 （2001）描述了对于1/25比例的ICE载体，使用静止探针的替代方法和移动模型进行的一些测量。 位移厚度和形状参数的结果如图12所示。这些图中的x轴是标准化时间，标准化是车速和车辆长度。 T = 0是火车前进的时候，T = 4是四个长途火车的尾部经过的时候。 可以看出侧壁数据之间的位移厚度结果差别不大（已包括在内）图7）和屋顶数据，与图10的结果不一致。同样，形状参数明显低于平衡边界层值1.4。
图10. HST模型的局部皮肤摩擦系数和Brockie和Baker（1990）的全尺寸测试。
图11. Brockie和Baker（1990）在1/76模型尺度HST屋顶上的边界层位移厚度。
2.2.3 火车底部
高速列车下面的流动在过去没有被广泛研究过，但最近由于“压舱飞行”问题而突出，这可能会给火车和赛道带来各种问题。对这个问题的调查导致了一些调查，这些调查测量了高速列车下的速度和压力。许多这些调查的结果在这里被考虑 - Kwon和Park（2006）用于韩国高速列车，Quinn和Hayward（2008）用于英吉利海峡隧道铁路线上的欧洲之星列车，以及在Ido报告的实验等。 （2008年）为日本新干线列车。图13显示了韩国列车下方的多个高度的速度，用皮托管探头全尺寸测量。列车速度为300公里/小时，约为83米/
资料编号：[4871]
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