摘要
随着地铁列车运行速度提升，其特殊运行环境(高阻塞比、隧道准无限长)所带来的气动性能差异(气动阻力幅值大、脉动强)显著，同时地铁列车气动外形设计标准不完善，导致头部外形过度流线化或欠流线化设计、不同车身区域非光顺化过渡等现象，造成设计、制造、运营等方面的资源浪费和成本增加。亟待研发面向不同速度等级的低成本地铁车辆气动减阻节能技术与相应的经济性评估方法。 本文围绕系列化地铁列车的气动形性设计与经济性评估问题开展研究，探明了流线型长度和车身非光顺化区域导流结构参数对气动阻力的影响规律，建立了涵盖制造成本、能耗、运营收益等多要素耦合的地铁列车经济性评估方法，为地铁标准化制造、管理及运营提供科学支撑。论文具体研究内容如下: (1)揭示了流线型长度和车身非光顺化区域导流结构参数对气动阻力的影响规律和作用机理。构建了兼顾效率与精度的地铁列车隧道内运行气动阻力数值模拟方法。基于整车气动阻力表面敏感性分析明确了地铁列车优化区域，建立了流线型长度、司机室顶部导流结构参数、空调导流结构形式以及车底设备裙板包裹程度与地铁列车非定常气动阻力的精确映射关系，探明了单一/耦合气动减阻措施对地铁列车周围非定常强分离流动的抑制机理，实现80km/h、120km/h、140km/h和160km/h地铁列车最大气动减阻约19％、20％、27％和26％。 (2)提出了多要素耦合的地铁列车气动减阻技术经济性评估方法。明确了地铁列车气动减阻技术经济性评估要素，即轨道交通车辆设计/制造环节的制造成本增加量、地铁列车运营环节的能耗节约量和运营收益减少量，确立了制造材料、生产工艺、运营收益等多成本要素间的权重关系，建立了地铁列车气动减阻技术经济性评估方法,为后续精准评估气动减阻效果及方案选取奠定理论基础。 (3)开展了头部流线型、单区域/多区域综合导流结构气动减阻技术经济性评估。在综合考虑制造工艺成本、能耗和运营收益的情况下，设计速度为80km/h、120km/h、140km/h和160km/h等级的地铁时，流线型长度最佳方案分别为1.1m～1.5m、2.2m～2.6m、2.4m～2.8m和3.1m～3.3m。全速域最优非光顺化区域气动减阻措施均为同时设置司机室顶部全导流、车底设备全包裹和空调圆弧导流。本文提出的120km/h速度等级地铁列车流线型建议长度已纳入《系列化中国地铁列车研制及试验项目120km/h B型地铁列车技术规格书》。
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