高速列車因其安全性強(qiáng)、準(zhǔn)點(diǎn)率高、方便快捷等眾多優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為人們生活中必不可少的交通工具之一。列車運(yùn)行過(guò)程中所受阻力不可避免，主要包括：軸承阻力、滾動(dòng)阻力、滑動(dòng)阻力、沖擊和振動(dòng)阻力、空氣阻力。其中，空氣阻力的大小與列車運(yùn)行速度近似成二次方關(guān)系。

當(dāng)列車運(yùn)行速度為200km/h時(shí)，空氣阻力約占總阻力的70%；當(dāng)列車運(yùn)行速度為500km/h時(shí)，空氣阻力約占總阻力的90%。隨著列車運(yùn)行速度的不斷提高，氣動(dòng)阻力所帶來(lái)的影響遠(yuǎn)超其他阻力。為保證列車安全運(yùn)行并達(dá)到“節(jié)能、環(huán)保、降噪”的要求，對(duì)列車氣動(dòng)特性進(jìn)行優(yōu)化成為一個(gè)日益突出并急需解決的問(wèn)題。

為了優(yōu)化列車空氣動(dòng)力特性，各國(guó)專家對(duì)列車車型進(jìn)行了深入的研究，通過(guò)改變列車的外形來(lái)達(dá)到減小氣動(dòng)阻力的效果。目前，等離子體流動(dòng)控制是一種基于“等離子體氣動(dòng)激勵(lì)”的主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)，在抑制氣流邊界層分離和改善氣動(dòng)阻力方面具有良好的應(yīng)用前景。

在等離子體激勵(lì)裝置中，沿面介質(zhì)阻擋放電（Surface Dielectric Barrier Discharge, SDBD）裝置因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性好、響應(yīng)時(shí)間快、能量消耗低等優(yōu)點(diǎn)而受到較多關(guān)注典型的沿面介質(zhì)阻擋放電裝置由兩個(gè)平行的電極和絕緣介質(zhì)組成。

其中一個(gè)電極放置于絕緣介質(zhì)上方并暴露在空氣中，稱之為暴露電極；另一個(gè)電極內(nèi)嵌于絕緣介質(zhì)中，稱之為封裝電極。在施加高壓交流電后，形成一個(gè)指向封裝電極的壁面射流，能夠改善氣流邊界層，實(shí)現(xiàn)流動(dòng)控制的效果。列車壓差阻力形成及抑制原理如圖1所示。

目前國(guó)內(nèi)外聚焦于飛行器的流動(dòng)控制研究。楊波等開展了在不同來(lái)流風(fēng)速和攻角下SDBD裝置抑制機(jī)翼流動(dòng)分離實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明在低流速、大攻角下，SDBD能夠有效抑制機(jī)翼的流動(dòng)分離研究；張攀峰等研究了SDBD對(duì)不同迎角裝置的流動(dòng)分離控制效果，研究表明在迎角小于20°時(shí)SDBD能夠有效抑制氣流分離區(qū)的寬度；Orlov D M等利用仿真模擬了不同攻角下SDBD抑制氣流分離現(xiàn)象。

仿真結(jié)果表明，SDBD可以有效控制流動(dòng)分離；車學(xué)科等模擬了高空SDBD對(duì)翼型升力系數(shù)的影響，結(jié)果表明在激勵(lì)SDBD后，翼型升力系數(shù)能夠得到有效提升；Post M L等研究了不穩(wěn)定SDBD在不同擾動(dòng)頻率下對(duì)升力系數(shù)的影響，結(jié)果表明提升升力系數(shù)的最佳頻率隨攻角的變化而變化；Corke T C等通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)研究了穩(wěn)定SDBD與不穩(wěn)定SDBD對(duì)升力系數(shù)的影響，結(jié)果表明不穩(wěn)定SDBD更具優(yōu)勢(shì)。

圖1 列車壓差阻力形成及抑制原理圖

然而，SDBD裝置應(yīng)用于列車的氣流控制仍處于起步階段。本文基于實(shí)驗(yàn)比較了不同形狀電極對(duì)列車模型的流動(dòng)控制作用。利用煙霧可視化實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了不同電極下列車模型周圍流場(chǎng)的可視化。同時(shí)，本文基于Suzen模型對(duì)等離子體進(jìn)行仿真，并結(jié)合N-S方程計(jì)算了列車模型周圍的流場(chǎng)，分析比較了激勵(lì)電壓和來(lái)流速度對(duì)SDBD裝置減阻效果的影響作用。

圖9 高速列車仿真模型

結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M和分析了不同電極形狀和激勵(lì)電壓下SDBD對(duì)列車車尾流動(dòng)分離的抑制效果。并利用Suzen模型計(jì)算分析了等離子體裝置對(duì)列車周圍流場(chǎng)的影響作用以及激勵(lì)電壓和來(lái)流速度對(duì)等離子體減阻效率的影響。主要結(jié)論如下：

1）不同電極形狀SDBD消耗功率隨著激勵(lì)電壓的提升而升高，且線形和鋸齒形的功耗和放電強(qiáng)度均高于矩形和曲形，而矩形和曲形的機(jī)電效率高于線形和鋸齒形。

2）SDBD能夠有效地抑制列車尾部的流動(dòng)分離，減小列車行駛過(guò)程中的空氣阻力，而且曲形和矩形的抑制效果優(yōu)于線形和鋸齒形。

3）仿真結(jié)果表明，同一來(lái)流速度下，SDBD的減阻效果隨激勵(lì)電壓的升高而增強(qiáng)；同一電壓等級(jí)下，SDBD的減阻效果隨列車來(lái)流速度的增大而降低。

本文的實(shí)驗(yàn)與仿真條件與實(shí)際列車高速運(yùn)行情況并不完全相符，但其在一定程度上驗(yàn)證了SDBD激勵(lì)器對(duì)列車具有較好的流動(dòng)控制效果，為了將SDBD激勵(lì)器運(yùn)用于實(shí)際高速列車，后續(xù)工作將著重考慮電源參數(shù)、激勵(lì)器結(jié)構(gòu)等因素對(duì)等離子體誘導(dǎo)氣流速度的影響機(jī)制，為進(jìn)一步研究高速來(lái)流條件下的減阻提供理論數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。