用等离子体流动技术减少空气阻力，让高铁跑得更快
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
西南交通大学电气工程学院、国家电网成都供电公司的研究人员高国强、颜馨、彭开晟、魏文赋、王阳明，在2019年第4期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“等离子体流动技术在列车减阻应用上的初步研究”）指出，随着高速列车速度的不断提高，空气阻力已成为影响列车运行速度和能耗的关键因素。
与传统流动控制技术相比，表面介质阻挡放电（SDBD）具有无运动部件、响应迅速和体积小等众多优点，在抑制高速列车边界层分离上表现出较好的应用前景。为了研究SDBD对高速列车流量控制的影响，进行实验和数值模拟。
首先，基于实验比较不同形状电极对列车模型的流动控制作用。从功率消耗、放电强度和诱导气流速度等方面进行研究，发现线形和锯齿形电极的功耗和放电强度均高于矩形和曲形电极，而矩形和曲形电极的机电效率高于其他电极。利用烟雾可视化实验，实现了不同电极形状下列车模型周围流场的可视化，发现与线形和锯齿形电极相比，矩形和曲形电极具有较强的流动分离抑制作用。
此外，基于Suzen模型对等离子体进行仿真，并结合N-S方程计算列车模型周围的流场。结果表明，SDBD对高速列车减阻有重要影响，随着外加电压的增加，流动分离的抑制效果更为显著。
高速列车因其安全性强、准点率高、方便快捷等众多优势已经成为人们生活中必不可少的交通工具之一。列车运行过程中所受阻力不可避免，主要包括：轴承阻力、滚动阻力、滑动阻力、冲击和振动阻力、空气阻力。其中，空气阻力的大小与列车运行速度近似成二次方关系。
当列车运行速度为200km/h时，空气阻力约占总阻力的70%；当列车运行速度为500km/h时，空气阻力约占总阻力的90%。随着列车运行速度的不断提高，气动阻力所带来的影响远超其他阻力。为保证列车安全运行并达到“节能、环保、降噪”的要求，对列车气动特性进行优化成为一个日益突出并急需解决的问题。
为了优化列车空气动力特性，各国专家对列车车型进行了深入的研究，通过改变列车的外形来达到减小气动阻力的效果。目前，等离子体流动控制是一种基于“等离子体气动激励”的主动流动控制技术，在抑制气流边界层分离和改善气动阻力方面具有良好的应用前景。
在等离子体激励装置中，沿面介质阻挡放电（Surface Dielectric Barrier Discharge, SDBD）装置因结构简单、鲁棒性好、响应时间快、能量消耗低等优点而受到较多关注典型的沿面介质阻挡放电装置由两个平行的电极和绝缘介质组成。
其中一个电极放置于绝缘介质上方并暴露在空气中，称之为暴露电极；另一个电极内嵌于绝缘介质中，称之为封装电极。在施加高压交流电后，形成一个指向封装电极的壁面射流，能够改善气流边界层，实现流动控制的效果。列车压差阻力形成及抑制原理如图1所示。
目前国内外聚焦于飞行器的流动控制研究。杨波等开展了在不同来流风速和攻角下SDBD装置抑制机翼流动分离实验研究，结果表明在低流速、大攻角下，SDBD能够有效抑制机翼的流动分离研究；张攀峰等研究了SDBD对不同迎角装置的流动分离控制效果，研究表明在迎角小于20°时SDBD能够有效抑制气流分离区的宽度；Orlov D M等利用仿真模拟了不同攻角下SDBD抑制气流分离现象。
仿真结果表明，SDBD可以有效控制流动分离；车学科等模拟了高空SDBD对翼型升力系数的影响，结果表明在激励SDBD后，翼型升力系数能够得到有效提升；Post M L等研究了不稳定SDBD在不同扰动频率下对升力系数的影响，结果表明提升升力系数的最佳频率随攻角的变化而变化；Corke T C等通过仿真与实验研究了稳定SDBD与不稳定SDBD对升力系数的影响，结果表明不稳定SDBD更具优势。
图1 列车压差阻力形成及抑制原理图
然而，SDBD装置应用于列车的气流控制仍处于起步阶段。本文基于实验比较了不同形状电极对列车模型的流动控制作用。利用烟雾可视化实验，实现了不同电极下列车模型周围流场的可视化。同时，本文基于Suzen模型对等离子体进行仿真，并结合N-S方程计算了列车模型周围的流场，分析比较了激励电压和来流速度对SDBD装置减阻效果的影响作用。
图9 高速列车仿真模型
本文通过实验模拟和分析了不同电极形状和激励电压下SDBD对列车车尾流动分离的抑制效果。并利用Suzen模型计算分析了等离子体装置对列车周围流场的影响作用以及激励电压和来流速度对等离子体减阻效率的影响。主要结论如下：
1）不同电极形状SDBD消耗功率随着激励电压的提升而升高，且线形和锯齿形的功耗和放电强度均高于矩形和曲形，而矩形和曲形的机电效率高于线形和锯齿形。
2）SDBD能够有效地抑制列车尾部的流动分离，减小列车行驶过程中的空气阻力，而且曲形和矩形的抑制效果优于线形和锯齿形。
3）仿真结果表明，同一来流速度下，SDBD的减阻效果随激励电压的升高而增强；同一电压等级下，SDBD的减阻效果随列车来流速度的增大而降低。
本文的实验与仿真条件与实际列车高速运行情况并不完全相符，但其在一定程度上验证了SDBD激励器对列车具有较好的流动控制效果，为了将SDBD激励器运用于实际高速列车，后续工作将着重考虑电源参数、激励器结构等因素对等离子体诱导气流速度的影响机制，为进一步研究高速来流条件下的减阻提供理论数据基础。