高速列車因其安全性強(qiáng)、準(zhǔn)點率高、方便快捷等眾多優(yōu)勢已經(jīng)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、沖擊和振動阻力、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(guān)系。

當(dāng)列車運行速度為200km/h時，空氣阻力約占總阻力的70%；當(dāng)列車運行速度為500km/h時，空氣阻力約占總阻力的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(yuǎn)超其他阻力。為保證列車安全運行并達(dá)到“節(jié)能、環(huán)保、降噪”的要求，對列車氣動特性進(jìn)行優(yōu)化成為一個日益突出并急需解決的問題。

為了優(yōu)化列車空氣動力特性，各國專家對列車車型進(jìn)行了深入的研究，通過改變列車的外形來達(dá)到減小氣動阻力的效果。目前，等離子體流動控制是一種基于“等離子體氣動激勵”的主動流動控制技術(shù)，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(yīng)用前景。

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

其中一個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，形成一個指向封裝電極的壁面射流，能夠改善氣流邊界層，實現(xiàn)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(nèi)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(fēng)速和攻角下SDBD裝置抑制機(jī)翼流動分離實驗研究，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，研究表明在迎角小于20°時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可以有效控制流動分離；車學(xué)科等模擬了高空SDBD對翼型升力系數(shù)的影響，結(jié)果表明在激勵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在不同擾動頻率下對升力系數(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等通過仿真與實驗研究了穩(wěn)定SDBD與不穩(wěn)定SDBD對升力系數(shù)的影響，結(jié)果表明不穩(wěn)定SDBD更具優(yōu)勢。

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(xiàn)了不同電極下列車模型周圍流場的可視化。同時，本文基于Suzen模型對等離子體進(jìn)行仿真，并結(jié)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。

圖9 高速列車仿真模型

結(jié)論

本文通過實驗?zāi)M和分析了不同電極形狀和激勵電壓下SDBD對列車車尾流動分離的抑制效果。并利用Suzen模型計算分析了等離子體裝置對列車周圍流場的影響作用以及激勵電壓和來流速度對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分離，減小列車行駛過程中的空氣阻力，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，同一來流速度下，SDBD的減阻效果隨激勵電壓的升高而增強(qiáng)；同一電壓等級下，SDBD的減阻效果隨列車來流速度的增大而降低。

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