高速列车部件对整车气动力的影响分析

张 淼，熊红兵

（浙江大学 流体工程研究所，杭州 310027）

0 引言

近年来随着我国新一代高速列车的发展，对列车的设计制造提出了更高的要求。高速条件下列车稳定安全的运行与空气动力学特性密切相关，由此衍生出相关的问题，如减阻方法和设计，列车交会等；这些问题的解决，必须建立在准确预测列车升阻力的大小和分布的基础上。

国内外对列车空气动力学进行了大量实验研究和数值模拟。田红旗等在实车试验和数值模拟方面对列车的交会、隧道行驶进行了系统及深入的研究[1]。安亦然等人用LBM方法数值模拟列车在测风等工况下的空气动力特性[2]。基于这些研究，人们不断地对列车外形减阻设计等进行探讨与改进[3]。

然而现有数值模拟大多都使用简化列车模型，关于列车各部件对整车气动性能的影响分析相对较少。因此本文用Fluent数值模拟CRH-2列车以270km/h的速度在明线的行驶，分别计算含有风挡，转向架，受电弓等不同组合的算例，分析阻、升力以及其系数，研究各部件对整车气动力的影响和产生的原因，试图从构造部件的角度为列车外形的设计与制造提供理论支持。

1 数值模拟

1.1 数值计算基本控制方程

列车在270km/h的工况下，其马赫数Ma＜0.3，其引起的空气流动可以假定为不可压缩粘性流体。本文研究列车稳态运行这一特定条件，按照定常流动处理，就可以得到诸如空气阻力、升力等基本规律。由质量守恒和动量守恒定律，不可压缩流体稳态基本控制方程如下：

连续性方程：

其中 为有效粘性系数，为动力粘性系数和湍流粘性系数之和。湍流粘性系数的计算公式为：

是湍流常数，一般情况取0.09。采用工程中常用的k-ε湍流两方程模型来确定对湍流动能k和湍流耗散率ε。表达式如下：

湍流动能k方程：

式中 是层流黏性系数，其他参数根据工程经验在数值模拟时分别取：C1=1.47, C2=1.92, σt=1.0，σε=1.33。

1.2 几何模型和计算区域

本文以CRH-2列车为模型，主要研究 3节列车编组的光滑车体，其长度方向为75.2米。为了研究不同列车部件对阻力的影响，分别构建如下模型：（1）光滑车体；（2）风挡；（3）风挡和转向架；（4）风挡、转向架和受电弓。在建模的过程中，也对这些部件也做了相应的简化。

计算区域选取半圆柱形的数值风洞作，列车几何中心点为原点，并且整体置于靠近风洞入口处，如图1所示。风洞的宽度x方向： -200 ~ 200米，长度z方向：-400 ~ 200米，高度y方向：-0.2~ 199.8米。这样可以保证列车周围流场能够充分发展。

图1 列车计算区域和列车模型

1.3 边界条件

为了较为真实的模拟列车运行的情况，设置地面为滑移边界条件，速度在z方位向为-75m/s。入口边界和上半圆柱边界为速度进口边界条件，给定均匀速度。出口边界为压力出口边界条件，截面静压系数为0。

1.4 网格生成

网格划分使用六面体核心hexcore网格类型，即复杂结构表面采用四面体网格，而在主要的计算区域采用六面体网格，这样即可以控制网格数量，也保证了网格精度。

本文更多侧重分析各部件对列车阻力影响的分析，在网格选区中前期分别模拟高密度网格(195万单元)和中等密度网格(126万单元)下3节编组的光滑车体模型，以列车阻力为参照对象，其结果分别为9155N和8982N，相差2%左右。在精度允许的范围内，选定如图2所示的非结构化网格，该算例带有风挡、转向架和受电弓，共有网格单元1759095个。

2 计算结果分析

计算列车以270km/h的速度在明线行驶的工况，分析不同几何复杂度下列车整车和各部件所受到的阻力、阻力系数，升力、升力系数，并且研究各个列车部件对整车气动性能的影响。 结果如表1所示，算例4的阻力系数与文献5的数值模拟结果非常接近，具有一定可参照性。

图2 列车壁面网格

表1 含有不同部件列车所受的阻力

算例1与算例4的结果有43.6%的误差，因此光滑车体用于分析列车阻力，以及相关设计和研究需要，显得不够精确。算例4中各个部件所占的阻力分别为：头车42%，中间车16%，尾车27%，受电弓14%，风挡1%。

2.1 列车车身阻力分析

在算例4中，列车所受阻力大部分为压差阻力。头车受到的压差阻力最大，尾车次之。这是因为列车头部为正压区，在鼻锥点压力达到最大值，这可以从列车表面压力云图图3中看出。此外在此处气流分别流向车顶，车两侧以及底部。从车顶流过的气息造成的一定范围的负压区，此后负压逐渐降低，列车两侧以及顶部呈现负压区。但在车尾的车窗过渡区有小范围的正压区。

图3 头尾车的压力云图

2.2 风挡、转向架和受电弓对阻力的影响

虽然风挡本身所受阻力较小，但是对整车阻力影响较大；由表1可知算例2比算例1阻力增加12%。在真实的列车运行中一方面风挡使得列车表面出现不连续，使得阻力增加，另一方面在风挡处迎风面上方受到正压，相对应的背风面出现负压，二者的压差使得阻力增加。在风挡内部区域是一个稳定的正压区，数值范围在200Pa-500Pa，产生压差阻力较低，相当于一个静压腔[4]。

考虑转向架后，算例3比算例2阻力增加38%。头车相对于中间车厢和尾车，转向架使其阻力增加一倍，如表2所示。

表2 有无转向架各节车身的阻力大小

对比有无转向架时，列车底部z方向速度分布云图，如图4所示。算例3的列车头车在转向架处有明显的拖拽力，在尾车的最后一个转向架也有相同的现象，但影响没有头车大。这种作用发展到中间车厢会明显减弱。对于无转向架的情况，这种拖拽力并不存在，是发展较好的速度场。由此可知，列车第一个转向架对于减阻非常重要，需要重点考虑头车和尾车两端的转向架的设计[5]。

图4 有、无转向架列车时列车z方向速度云图

本算例中，不考虑受电弓的振动特性，将其简化为刚性支架。该算例中受到的阻力为2191N，与风洞实验数据[9]2427N较接近。图5为受电弓所受到的压力云图。在弓头的前滑板与上臂的交界处其受到的压力是最大的，其值甚至超过了头车的前端。这是因为上臂和弓头附近的空气，受到了较高的气流扰动作用。此外，上下臂连接的横梁、底座，绝缘子处也受到了较大的压力。因此可以从这几方面来设计受电弓从而降低阻力或对提高受压能力。

图5 受电弓的压力云图

2.3 整车升力分析

列车设计时对升力的分析也同样重要，希望在稳定运行时能够接近零。否则如果升力过大会产生“飘”的现象，容易造成列车脱轨；如果为负，会造成轮轨与轨道的摩擦增加。

不同算例各节车的升力如表3所示，各部件对列车升力的影响比较复杂，并没有统一的规律。风挡减小尾车正升力，使整车受到较大负升力；转向架减小头车的负升力，因而整车升力比较小；受电弓主要是影响列车表面压差，使升力略有增加。光滑车体底面过于平坦，升力较大。而带有转向架等复杂结构的车体，因为底面的不平整，削弱了升力效应。受电弓的造成列车上下表面压差升力增大，总升力也变大。

表3 含有不同部件列车所受的升力

与无横风，带裙摆的双拱列车的风洞实验数据[7]相比较，数值模拟的结果与其有相似的升力分布规律，即头车受到的是较大的负升力，中间车厢可能受到正升力，也可能受到负升力，但数值都比较低，尾车一般受到较大的正升力。

3 结论

数值模拟的结果表明，头车占据总阻力的一半；风挡处使得列车表面不连续增加了压差阻从，总阻力增大；空气经过转向架时会产生拖拽列车前进的阻力，集中表现为头车阻力相对于光滑车体增加一倍；受电弓虽小但是产生的阻力不可忽视，弓头前滑板与上臂的交界处的压力最大。升力并没有普遍的规律，一般头车受到负升力，尾车受到正升力，二者绝对值较大；中间车升力绝对值较小。

通过对含不同部件列车气动性能的分析，对高速列车的研制，以及形设计和制造中，将给予有效的参考和指导意义。

[1] 田红旗.列车空气动力学[M].北京:中国铁道出版社,2007.

[2] WANG Yi-wei,WANG Yang,AN Yi-ran.Aerodynamic simulation of high-speed trains based on LBM Method[J].Science in China Series E: Technological Science,2008,51(5): 1-11.

[3] TIAN Hong-qi,Formation mechanism of aerodynamic drag of high-speed train and some reduction measures[J].JOURNAL OF CENTRAL SOUTH UNIVERSITY OF TECHNOLOGY(ENGLISH EDITION),2009,16(1): 166-171.

[4] 梁习锋,舒信伟.列车风挡对空气阻力影响的数值模拟研究[J].铁道学报,2003,25(1): 34-37.

[5] MATTIAS J,JOHANNES H,HUGUES R,et al.PIV investigation of the flow field underneath a generic highspeed train configuration[C].Euromech Colloquium.Berlin:[s.n],2009: 509-521.

[6] 蔡国华.高速列车受电弓低速风洞试验技术[J].铁道工程学报,2006,94(4): 67-70.

[7] 田红旗,高广军.270km·h-1高速列车气动力性能研究[J].中国铁道科学,2003,24(2): 14-18.