列车(火车)的气动阻力与噪声公式

由于空气黏性的存在,运行列车周围的附面层沿厚度方向位置不同,气流流速也迅速变化,而各不同速度层之间将产生切向力,这种沿列车运行反方向形成的切向力合力称为空气摩擦阻力。同时,也由于空气黏性,车辆前后表面空气压力有显著的差异,这些压力差沿列车运行反方向的合力,称为空气压差阻力。列车所受的空气压差阻力和空气摩擦阻力之和称为列车气动阻力。

降低运行阻力对于减少能耗与列车提速具有重要的意义。在考虑横风情况下,列车所受的阻力可以统一表示为

式中 R——列车运行总阻力;

A——机械滚动阻力;

——单位列车速度上的其他机械阻力(如传递损失和刹车阻力);

——列车相对地面速度;

——列车内部空气流通(如空调进气)所引起单位速度上的空气阻力;

 ——外部气动阻力,其值为

其中 v ——列车空气相对速度,

C——外部气动阻力常数,

ρ——空气密度,

S——车头迎风面积,

——空气阻力系数。

式9-2、9-3表明,列车气动阻力与列车速度的平方成正比,因此随着运行速度的提高,气动阻力在总阻力中的比重也会越来越大。对时速200~300km列车阻力成分进行试验研究,发现总阻力的75%~80%为气动阻力。在这些气动阻力中,表面摩擦阻力占大约30%,压差阻力为8%~13%,转向架相关的干扰阻力为38%~47%,受电弓及其他车顶设备占8%~20%。从式(9-2)可以看出,如果要对高速列车进行减阻增效,外部气动阻力应是主要考虑对象。

气动噪声是指由气流直接产生的振幅和频率杂乱的(在统计上是无规则的)声音。随着列车速度的提高,气动噪声在总体噪声中所占比例迅速上升。研究表明,气动噪声强度与列车运行速度的6~8次方成正比。当列车运行速度高于350km/h时,气动噪声超越机械噪声,成为列车的主要噪声源。噪声传递到车内,使乘客的感觉舒适性大大降低;传递到车外,使铁路沿线两侧的居民深受其害。对于高速列车,解决高速轨道交通噪声问题(即降低噪声问题)已成为工程界和科学界共同关注的一个热点,这个关键问题的解决直接关系到高速轨道交通的实用性和持续发展。

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