用等離子體流動技術減少空氣阻力，讓高鐵跑得更快

技術國家電網可視化技術交通成都環境保護電氣技術 2019-06-30

西南交通大學電氣工程學院、國家電網成都供電公司的研究人員高國強、顏馨、彭開晟、魏文賦、王陽明，在2019年第4期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“等離子體流動技術在列車減阻應用上的初步研究”）指出，隨著高速列車速度的不斷提高，空氣阻力已成為影響列車運行速度和能耗的關鍵因素。

與傳統流動控制技術相比，表面介質阻擋放電（SDBD）具有無運動部件、響應迅速和體積小等眾多優點，在抑制高速列車邊界層分離上表現出較好的應用前景。為了研究SDBD對高速列車流量控制的影響，進行實驗和數值模擬。

首先，基於實驗比較不同形狀電極對列車模型的流動控制作用。從功率消耗、放電強度和誘導氣流速度等方面進行研究，發現線形和鋸齒形電極的功耗和放電強度均高於矩形和曲形電極，而矩形和曲形電極的機電效率高於其他電極。利用煙霧可視化實驗，實現了不同電極形狀下列車模型周圍流場的可視化，發現與線形和鋸齒形電極相比，矩形和曲形電極具有較強的流動分離抑制作用。

此外，基於Suzen模型對等離子體進行仿真，並結合N-S方程計算列車模型周圍的流場。結果表明，SDBD對高速列車減阻有重要影響，隨著外加電壓的增加，流動分離的抑制效果更為顯著。

高速列車因其安全性強、準點率高、方便快捷等眾多優勢已經成為人們生活中必不可少的交通工具之一。列車運行過程中所受阻力不可避免，主要包括：軸承阻力、滾動阻力、滑動阻力、衝擊和振動阻力、空氣阻力。其中，空氣阻力的大小與列車運行速度近似成二次方關係。

當列車運行速度為200km/h時，空氣阻力約佔總阻力的70%；當列車運行速度為500km/h時，空氣阻力約佔總阻力的90%。隨著列車運行速度的不斷提高，氣動阻力所帶來的影響遠超其他阻力。為保證列車安全運行並達到“節能、環保、降噪”的要求，對列車氣動特性進行優化成為一個日益突出並急需解決的問題。

為了優化列車空氣動力特性，各國專家對列車車型進行了深入的研究，通過改變列車的外形來達到減小氣動阻力的效果。目前，等離子體流動控制是一種基於“等離子體氣動激勵”的主動流動控制技術，在抑制氣流邊界層分離和改善氣動阻力方面具有良好的應用前景。

在等離子體激勵裝置中，沿面介質阻擋放電（Surface Dielectric Barrier Discharge, SDBD）裝置因結構簡單、魯棒性好、響應時間快、能量消耗低等優點而受到較多關注典型的沿面介質阻擋放電裝置由兩個平行的電極和絕緣介質組成。

其中一個電極放置於絕緣介質上方並暴露在空氣中，稱之為暴露電極；另一個電極內嵌於絕緣介質中，稱之為封裝電極。在施加高壓交流電後，形成一個指向封裝電極的壁面射流，能夠改善氣流邊界層，實現流動控制的效果。列車壓差阻力形成及抑制原理如圖1所示。

目前國內外聚焦于飛行器的流動控制研究。楊波等開展了在不同來流風速和攻角下SDBD裝置抑制機翼流動分離實驗研究，結果表明在低流速、大攻角下，SDBD能夠有效抑制機翼的流動分離研究；張攀峰等研究了SDBD對不同迎角裝置的流動分離控制效果，研究表明在迎角小於20°時SDBD能夠有效抑制氣流分離區的寬度；Orlov D M等利用仿真模擬了不同攻角下SDBD抑制氣流分離現象。

仿真結果表明，SDBD可以有效控制流動分離；車學科等模擬了高空SDBD對翼型升力係數的影響，結果表明在激勵SDBD後，翼型升力係數能夠得到有效提升；Post M L等研究了不穩定SDBD在不同擾動頻率下對升力係數的影響，結果表明提升升力係數的最佳頻率隨攻角的變化而變化；Corke T C等通過仿真與實驗研究了穩定SDBD與不穩定SDBD對升力係數的影響，結果表明不穩定SDBD更具優勢。

圖1 列車壓差阻力形成及抑制原理圖

然而，SDBD裝置應用於列車的氣流控制仍處於起步階段。本文基於實驗比較了不同形狀電極對列車模型的流動控制作用。利用煙霧可視化實驗，實現了不同電極下列車模型周圍流場的可視化。同時，本文基於Suzen模型對等離子體進行仿真，並結合N-S方程計算了列車模型周圍的流場，分析比較了激勵電壓和來流速度對SDBD裝置減阻效果的影響作用。