CC BY
27Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2022. № 3 (62). С. 40-48. The Siberian Transport University Bulletin. 2022. No. 3 (62). Р. 40-48.
СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
Научная статья УДК 629.4.014
doi 10.52170/1815-9265_2022_62_40
Экспериментальные измерения аэродинамики подвижного состава
Никита Андреевич Лабутин1^, Леонид Константинович Дьяченко2, Андрей Владимирович Ланг3
123 Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Санкт-Петербург, Россия
Аннотация. Рост скорости движения поездов на железных дорогах сопровождается существенным увеличением аэродинамического воздействия на конструкции, расположенные в непосредственной близости от оси пути. Особую важность данный фактор приобретает при развитии высокоскоростных железнодорожных магистралей (ВСМ). Определение нагрузок на конструкции при проектировании и строительстве ВСМ целесообразно выполнять путем численного моделирования в специализированных программных комплексах с обязательной верификацией разработанных расчетных моделей.
В настоящей статье представлены результаты экспериментальных измерений внешней аэродинамики подвижного состава, курсирующего по линии Санкт-Петербург - Москва Октябрьской железной дороги. Изменения величины воздушного давления в точке при прохождении поездов измерялись высокочастотными мембранными датчиками давления. Установленная скорость движения поездов в местах измерения составляла до 140 км/ч для обычных пассажирских поездов и до 250 км/ч для высокоскоростного электропоезда «Сапсан». Анализ полученных результатов позволил получить картину распределения экстремальных величин избыточного и разреженного воздушного давления в зависимости от расстояния от оси пути и высоты над уровнем головки рельса для различных типов подвижного состава. На основе полученной картины распределения установлена степень снижения интенсивности воздушной волны от проходящего поезда в зависимости от расстояния от оси пути. Также выявлен периодический характер аэродинамического воздействия, вызванный наличием промежутков между вагонами, и определены его частоты для разных скоростей движения.
Результаты, приведенные в данной работе, впоследствии могут быть использованы для верификации разработанных расчетных моделей аэродинамического воздействия движущихся высокоскоростных поездов на элементы инфраструктуры.
Ключевые слова, аэродинамика, железнодорожный транспорт, высокоскоростное сообщение, экспериментальные измерения
Для цитирования. Лабутин Н. А., Дьяченко Л. К., Ланг А. В. Экспериментальные измерения аэродинамики подвижного состава // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2022. № 3 (62). С. 40-48. DOI 10.52170/1815-9265_2022_62_40.
BUILDING AND ARCHITECTURE
Original article
Experimental measurements of rolling stock aerodynamics Nikita A. Labutin1H, Leonid K. Dyachenko2, Andrey V. Lang3
123 Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University, St. Petersburg, Russia
Abstract. The increase in the speed of trains on railways is accompanied by a significant increase in the aerodynamic impact on structures located in close proximity to the axis of the track. This factor is of particular importance in the development of high-speed rail lines (HSR). It is advisable to determine the loads on structures during the design and construction of the HSR by numerical modeling in specialized software complexes with mandatory verification of the developed calculation models.
©Лабутин Н. А., Дьяченко Л. К., Ланг А. В., 2022
This article presents the results of experimental measurements of the external aerodynamics of rolling stock running on the St. Petersburg - Moscow line of the Oktyabrskaya Railway. Measurements of changes in the air pressure at a point during the passage of trains were measured by high-frequency membrane pressure sensors. The set speed of trains at the measuring points was up to 140 km/h for ordinary passenger trains and up to 250 km/h for the Sapsan high-speed electric train. The analysis of the obtained results made it possible to obtain a picture of the distribution of extreme values of excess and rarefied air pressure depending on the distance from the track axis and the height above the level of the rail head for various types of rolling stock. Based on the obtained distribution pattern, the degree of decrease in the intensity of the air wave from the passing train is determined depending on the distance from the axis of the track. The periodic nature of the aerodynamic impact caused by the presence of gaps between cars was also revealed, and its frequencies for different speeds of movement were determined.
The results presented in this paper can subsequently be used to verify the developed computational models of the aerodynamic impact of moving high-speed trains on infrastructure elements.
Keywords: aerodynamics, railway transport, high-speed communication, experimental measurements
For citation: Labutin N. A., Dyachenko L. K., Lang A. V. Experimental measurements of rolling stock aerodynamics. The Siberian Transport University Bulletin. 2022;(62):40-48. (In Russ.). DOI 10.52170/18159265 2022 62 40.
Введение
Увеличение скорости движения поездов неизбежно приводит к необходимости учета взаимодействия подвижного состава с воздушной средой. Аэродинамическое сопротивление движению высокоскоростного электропоезда может составлять от 35 % при скорости 100 км/ч до 90 % при скорости 300 км/ч от общего сопротивления движению [1]. Вместе с тем существенное аэродинамическое воздействие движущийся поезд оказывает на объекты инфраструктуры, расположенные в непосредственной близости от пути [2]. Особую актуальность вопросы внешней аэродинамики скоростных поездов получили в ключе проектирования высокоскоростной железнодорожной магистрали Санкт-Петербург - Москва (ВСЖМ-1) с эксплуатационной скоростью до 360 км/ч.
Аэродинамика высокоскоростного поезда
Движение поезда приводит к локальному возмущению воздушной среды, выраженному образованием воздушной волны у головной и хвостовой частей состава. Волны подобны друг другу, за исключением меньших амплитудных значений и обратного знака хвостовой волны. Кроме того, при движении сдвоенных составов образуется «промежуточная» воздушная волна в месте их сочленения. Возмущение в промежутке между волнами вызвано вязкостным трением воздушных масс о стенки подвижного состава и имеет турбулентный характер с периодическими всплесками в межвагонных промежутках. Головная воздушная волна при изучении является определяющей, так как имеет существенно большую
интенсивность относительно хвостовой и промежуточной волн [3].
Качественная картина воздушных волн, сопровождающих движущийся поезд, практически не зависит от его типа и скорости и представлена постепенным уплотнением воздушной массы в носовой части с последующим резким разуплотнением [4-10].
Амплитудные величины давления воздушной волны зависят от формы носовой части [4] и пропорциональны квадрату скорости движения поезда. Очертания носовой части локомотива определяют характер распределения воздушных масс. Так, для поездов с тупыми формами кабины характерны большие амплитудные величины давлений, чем для поездов с головными обтекателями при тех же скоростях движения.
Возмущение воздушной среды, вызванное движущимся поездом, передается на объекты инфраструктуры, расположенные в непосредственной близости от пути, подвижной состав, движущийся на смежных путях, и на пассажиров на платформах [4, 5]. Указанное аэродинамическое воздействие должно быть в обязательном порядке учтено при проектировании сооружений в составе высокоскоростных железнодорожных магистралей (в частности, ВСЖМ-1). Определение величины этого воздействия следует выполнять по методикам, приведенным в СТУ и ограниченным скоростью 300 км/ч. При скорости движения свыше 300 км/ч необходимо применять программные комплексы вычислительной гидрогазодинамики, однако при их использовании следует выполнять верификацию
расчетных моделей для достижения достоверности результатов расчета.
Верификация расчетной модели может быть проведена по результатам экспериментальных измерений амплитудных величин воздушной волны, вызванной прохождением поезда. В России подобные измерения производились и ранее
[11], но их результаты были ориентированы на обеспечение безопасности пассажиров на платформах и возможности движения высокоскоростного электропоезда «Сапсан» по существующим путям без уширения междупутья. Также отечественная практика содержит экспериментальные исследования аэродинамического воздействия электропоезда ЭР200 со скоростью движения 200 км/ч на устройства сигнализации
[12]. Таким образом, в связи с недостаточным количеством опытных данных возникла необходимость выполнения экспериментальных измерений аэродинамического воздействия от движущихся поездов.
Экспериментальные измерения
Экспериментальные измерения были выполнены в июле - августе 2021 г. на участках железнодорожной линии Санкт-Петербург -Москва в Ленинградской, Тверской и Новгородской областях. Максимальная допустимая скорость обращения поездов на участках экспериментальных измерений составляла от 140 км/ч для пассажирских до 200 км/ч для скоростных поездов и 250 км/ч для высокоскоростных электропоездов «Сапсан». Места измерений и соответствующие им максимальные допустимые скорости движения поездов приведены в табл. 1.
Измерения осуществлялись высокочастотными (1 кГц) мембранными датчиками избыточного давления, устанавливаемыми на расстоянии от 2,0 до 9,2 м от оси пути и в диапазоне высот от 0,7 до 4,2 м от уровня головки рельса. Схема установки датчиков приведена на рис. 1.
Крепление датчиков осуществлялось с помощью струбцин к мачтам светофоров, перильным ограждениям платформ, служебным постройкам и опорам контактной сети. Также установка датчиков осуществлялась на штативах. Процесс измерения показан на рис. 2.
Зафиксированные датчики были соединены кабельными линиями с компьютером, установленным в целях обеспечения безопасности, на удалении от оси пути. Запись измерений начиналась за 3.. .5 с до прохода поезда и продолжалась в течение 5.7 с после его проследования для возможности определения на этапе обработки фактического атмосферного давления с последующим выделением только динамической составляющей. Примеры графиков, полученных путем измерений с поправкой на атмосферное давление, приведены на рис. 3, 4. Экспериментально полученные графики демонстрируют качественно единообразную картину аэродинамического воздействия для всех эксплуатирующихся на линии типов подвижного состава, выраженную головной и хвостовой воздушными волнами и турбулентными возмущениями между ними. Кроме того, для ряда поездов, движущихся со скоростями более 160 км/ч, был зафиксирован спутный след, завершающийся еще одной воздушной волной с меньшими амплитудными значениями (рис. 5).
Таблица 1
Максимально допустимые скорости движения поездов в местах измерений
№ п/п Место измерения Скорость, км/ч
ЭП2к «Ласточка» ЭП20 ЧС200 «Сапсан»
1 126-й км 140
2 172-й км 160 200 250
3 175-й км
4 179-й км
5 190-й км 200
6 199-й км 200 220
7 405-й км 250
8 454-й км 220
9 467-й км
10 527-й км 180
* В качестве места измерения указан километр линии Санкт-Петербург - Москва.
Рис. 1. Схема установки датчиков измерения давления
б)
Рис. 2. Процесс измерения аэродинамического воздействия в местах: а - ст. Мстинский мост; б - платформа Саблино; в - 199-й км линии Санкт-Петербург - Москва; г - 405-й км линии Санкт-Петербург - Москва
Рис. 3. График изменения давления при проходе высокоскоростного поезда «Сапсан» со скоростью 250 км/ч
Рис. 4. График изменения давления при проходе пассажирского поезда с электровозом ЭП2к со скоростью 120 км/ч
200
150
50
5 -50
-100
-150
-250
Ж Конец электропоезда
щ V'*'"
\ \ Ч / / /""
- .....-.....^ _ _ .............................................. Спутный след
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5
Время 1, с
¡,5 9 10,5 11 11,5 12 12,5
Рис. 5. График изменения давления и спутный след при проходе высокоскоростного поезда «Сапсан» со скоростью 200 км/ч
Обработка измерений
Результаты были сгруппированы по типам подвижного состава и скорости движения на момент измерения. Наибольшее число измерений (более 70 % от общего количества) было сделано для высокоскоростного электропоезда «Сапсан» и пассажирского электровоза ЭП2к с пассажирскими составами. Наибольший диапазон скоростей движения для выполненных измерений также у электропоезда «Сапсан» (от 200 до 250 км/ч). В процессе обработки результатов измерений для каждого графика были определены экстремальные значения избыточного давления и давления разрежения. Анализ и математическая обработка полученных величин позволили получить картину распределения типов
давления в зависимости от высоты над уровнем головки рельса и расстояния от оси пути. Примеры полученных ситуаций распределения типов давления приведены на рис. 6, 7. На их основе были сделаны выводы об области сосредоточения экстремальных величин воздушного давления относительно высоты над уровнем головки рельса для различных типов поездов. Так, для электропоезда «Сапсан» максимальная величина избыточного давления находится на уровне 1,5.. .1,8 м от уровня головки рельса, а давления разрежения - на уровне 3,0.3,2 м. У электровозов ЧС200 и ЭП2к области давления (как избыточного, так и разрежения) сосредоточены примерно на одной высоте от уровня головки рельса (1,5.2,0 м для ЧС200 и 2,7.3,0 м для ЭП2к).
Рис. 6. Распределение максимальных величин избыточного давления при движении высокоскоростного поезда «Сапсан» со скоростью 250 км/ч
Рис. 7. Распределение максимальных величин давления разрежения при движении электровоза ЭП2к со скоростью 120 км/ч
Также отмечено, что при прочих равных условиях (положение датчиков, скорость поезда, внешние погодные факторы) максимальная величина давления воздушной волны электровозов ЧС200 и ЭП2к на 29 и 51 % соответственно больше, чем электропоезда «Сапсан», что обусловлено его высокими аэродинамическими качествами.
По полученным картинам распределения экстремальных величин головной воздушной волны можно определить величину ее интенсивности в зависимости от расстояния от оси пути. Степень интенсивности выражается коэффициентом рассеивания а, являющимся отношением давления в рассматриваемой точке к максимальному измеренному давлению (на
расстоянии 2,0 м от оси пути). Сравнительные кривые коэффициента рассеивания приведены на рис. 8.
Из данных полученного графика видно, что на расстоянии 5 м от оси пути давление воздушной волны снижается на 50 %, на расстоянии 8 м - на 80 % (относительно давления на расстоянии 2 м от оси пути).
Также по результатам измерений было установлено, что аэродинамическое воздействие в промежутке времени между головной и хвостовой воздушными волнами носит ярко выраженный периодический характер, что обусловлено наличием межвагонных промежутков в поездах. Несмотря на то что величина всплесков в этих промежутках значительно меньше амплитуд-
Рис. 8. Кривые коэффициента рассеивания воздушной волны для электропоезда «Сапсан» и электровоза ЭП2к
ных величин, их периодичность может оказать существенное динамическое воздействие на конструкции. Наибольший динамический отклик могут вызвать контейнерные и сдвоенные высокоскоростные поезда, что обусловлено их большей протяженностью. Частота динамического воздействия для высокоскоростного поезда «Сапсан» изменяется от 1,57 Гц при скорости 140 км/ч до 2,67 Гц при 250 км/ч (рис. 9). В то же время частота динамического воздействия от контейнерного поезда при скорости 80 км/ч составляет 0,89 Гц (рис. 10) а пассажирского поезда при скорости 120 км/ч - 0,65 Гц.
Выводы
На основе результатов выполненных экспериментальных измерений аэродинамического воздействия, вызванного движущимися
поездами, были получены картины распределения зон избыточного давления и давления разрежения для различных типов подвижного состава. Установлено, что форма подвижного состава существенно влияет на величину давления головной воздушной волны - до 51 %. Были получены кривые коэффициента затухания воздушной волны, согласно которым на расстоянии 5 м от оси пути величина давления снижается в два раза, а на расстоянии 8 м в пять раз относительно давления на расстоянии 2 м от оси пути.
Отмечено, что аэродинамическое воздействие, оказываемое поездом в промежутке между его головной и хвостовой воздушными волнами, носит периодический характер. Частота воздействия зависит от скорости и
Рис. 9. Амплитудно-частотная характеристика аэродинамического воздействия поезда «Сапсан» (скорость 250 км/ч, / = 2,67 Гц)
Рис. 10. Амплитудно-частотная характеристика аэродинамического воздействия контейнерного поезда (скорость 80 км/ч, f = 0,89 Гц)
длины вагона поезда. Наибольшее динамическое воздействие оказывают высокоскоростные (в том числе сдвоенные) и контейнерные поезда.
Результаты выполненных экспериментальных измерений позволяют оценить харак-
тер аэродинамического воздействия от движущихся поездов и в дальнейшем будут служить для верификации расчетных моделей аэродинамического воздействия подвижного состава на объекты инфраструктуры.
Список источников
1. Чурков Н. А., Битюцкий А. А., Кручек В. А. Влияние воздушной среды на поезд // Проблематика транспортных систем. 2013. № 2. С. 20-26.
2. Поляков Б. О., Ватулина Е. Я. Взаимодействие высокоскоростного поезда с воздушной средой вблизи объектов инфраструктуры // Транспорт Российской Федерации. 2017. № 3 (70). С. 25-28.
3. Чурков Н. А. Аэродинамика железнодорожного поезда: принципы конструирования подвижного состава, минимизирующие воздействия воздушной сферы на железнодорожный поезд. М. : Желдориздат, 2007. 332 с.
4. Baker C. J. A review of train aerodynamics. Part 1. Fundamentals // The Aeronautical Journal. 2014. Vol. 117, no. 1201. P. 201-228.
5. Baker C. J. A review of train aerodynamics. Part 2. Application // The Aeronautical Journal. 2014. Vol. 118, no. 1202. P. 345-382.
6. Baker C. J., Soper D. A full-scale experimental investigation of passenger and freight train aerodynamics // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part F : Journal of Rail and Rapid Transit. 2019. No. 234 (5). С. 1-41.
7. Full-scale experiment of transient aerodynamic pressures acting on a bridge noise barrier induced by the passage of high-speed trains operating at 380-420 km/h / Xiong Xiao-Hui, Yang Bo, Wang Kai-Wen [et al.] // Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics. 2020. Vol. 204. P. 1-9.
8. Yue Zhang, Dongping Wang. Numerical analysis of the aerodynamic characteristics of the open Line intersection of fast freight train with the speed of 160 km/h // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 2125. P. 1-10.
9. Moving model experiments on transient pressure induced by a high-speed train passing through noise barrier / Jian Du, Lei Zhang, Ming-zhi Yang [et al.] // Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics. 2020. Vol. 204.
10. Aerodynamic forces on railway acoustic barriers / D. Soper, S. Gillmeier, C. Baker [et al.] // Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics. 2019. No. 191. C. 266-278.
11. Лазаренко Ю. М., Капускин А. Н. Аэродинамическое воздействие высокоскоростного электропоезда «Сапсан» на пассажиров на платформах и на встречные поезда при скрещении // Вестник ВНИИЖТ. 2012. № 4. С. 11-14.
12. Горелик А. В., Шуваев В. В., Минаков Д. Е. Аэродинамическое воздействие скорости движения поезда на напольные устройства СЦБ // Наука и техника транспорта. 2013. № 2. С. 067-074.
References
1. Churkov N. A., Bityutsky A. A., Kruchek V. A. The influence of the air environment on the train. Problems of transport systems. 2013;2:20-26. (In Russ.).
2. Polyakov B. O., Vaulina E. Ya. Interaction of a high-speed train with the air environment near infrastructure facilities. Transport of the Russian Federation. 2017;3(70):25-28. (In Russ.).
3. Churkov N. A. Railway train aerodynamics: principles of rolling stock design that minimize the effects of the air sphere on a railway train. М.: Zheldorizdat; 2007. 332 p. (In Russ.).
4. Baker C. J. A review of train aerodynamics. Part 1. Fundamentals. The Aeronautical Journal. 2014;117(1201):201-228.
5. Baker C. J. A review of train aerodynamics. Part 2. Application. The Aeronautical Journal. 2014;118(1202):345-382.
6. Baker C. J., Soper D. A full-scale experimental investigation of passenger and freight train aerodynamics. Proceedings ofthe Institution of Mechanical Engineers, Part F. Journal of Rail and Rapid Transit. 2019;234(5):1-41.
7. Xiong Xiao-Hui, Yang Bo, Wang Kai-Wen, Liu Tang-hong, He Zhao, Zhu Liang. Full-scale experiment of transient aerodynamic pressures acting on a bridge noise barrier induced by the passage of high-speed trains operating at 380420 km/h. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics. 2020;204:1-9.
8. Yue Zhang, Dongping Wang. Numerical analysis of the aerodynamic characteristics of the open Line intersection of fast freight train with the speed of 160 km/h. Journal of Physics: Conference Series. 2021;2125:1-10.
9. Jian Du, Lei Zhang, Ming-zhi Yang, Fan Wu, Kun Li. Moving model experiments on transient pressure induced by a high-speed train passing through noise barrier. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics. 2020;204.
10. Soper D., Gillmeier S., Baker C., Morgan T., Vojnovic L. Aerodynamic forces on railway acoustic barriers. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics. 2019;191:266-278.
11. Lazarenko Yu. M., Kapuskin A. N. Aerodynamic effect of the high-speed electric train Sapsan on passengers on platforms and on oncoming trains when crossing. Bulletin VNIIZHT. 2012;4:11-14. (In Russ.).
12. Gorelik A. V., Shuvaev V. V., Minakov D. E. The aerodynamic effect of train speed on the floor devices of the SCB. Science and Technology of Transport. 2013;(2):067-074. (In Russ.).
Информация об авторах
Н. А. Лабутин - аспирант кафедры «Мосты» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I.
Л. К. Дьяченко - доцент кафедры «Мосты» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I, кандидат технических наук.
А. В. Ланг - аспирант кафедры «Мосты» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I.
Information about the authors
N. A. Labutin - Post-graduate Student of the Bridge Department, Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University.
L. K. Dyachenko - Associate Professor of the Bridge Department, Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University, Candidate of Engineering.
A. V. Lang - Post-graduate Student of the Bridge Department, Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University.
Статья поступила в редакцию 01.04.2022; одобрена после рецензирования 18.04.2022; принята к публикации 20.06.2022.
The article was submitted 01.04.2022; approved after reviewing 18.04.2022; accepted for publication 20.06.2022.
