城际列车底部结构优化减小气动阻力研究

2018-11-05刘冬雪

空气动力学学报 2018年5期

林鹏, 刘冬雪

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司, 山东青岛 266111)

0 引言

城际列车是专门为城际铁路提供服务的旅客列车，具有中间不停站或停站少、运输能力大、能耗低、污染小、节省土地资源等优点[1]。随着我国城市化进程的日益发展，人们对快速客运和货运需求的不断提升，将会开通越来越多的城际铁路[2]。列车头部流线型化和车体表面光顺化可以达到较好的减阻效果，其中表面光顺化的主要措施是将车顶及车底的设备完全装入设备舱以减小列车的压差阻力[3-4]。然而，设备舱虽可以大幅减小压差阻力，但同样带来了设备的通风散热问题，有些设备需要另加风机散热，而风机本身不但需要消耗附加的能量，而且风机的进出气也会带来附加阻力。对于高速列车速度高，减阻效果显著，增加设备舱仍优势显著，所以一般用设备舱封装高速列车的车下设备。相对而言地铁列车一般运行速度较低不高于80 km/h，车底设备裸露不会引起较大的气动阻力，增加设备舱没有显著优势，因此地铁列车较少采用设备舱封装车下设备。城际列车的运行速度一般介于地铁列车和高速列车之间，车下结构对列车的影响如何研究较少。

近年来，国内外针对列车车下复杂结构对车辆气动性能的影响展开了大量的研究。Schulte W等[5]进行了风洞试验，得出在转向架周围安装整流装置可以起到减阻的效果；Hyeok等[6]对转向架进行了包覆，结果表明包覆越多列车气动阻力越小；日本学者Ido等[7]2008年进行了风洞试验，研究结果发现列车底部的气流对底部外形特别敏感，底部形状越多，车底流动越少；田红旗等[8]通过风洞试验，分析了底部结构对270 km高速动车组气动性能的影响，得出采用底罩结构的动车组，其气动阻力和气动升力的绝对值小于采用裙板结构的动车组;杨敏[9]分析了钝头列车气动阻力，得出增加车底底罩有利于列车减阻;孙健[10]等通过风洞试验研究了不同裙板有无侧风情况下列车的气动阻力，得出全包裙板减阻效果最优，无裙板效果最差,安装裙板可有效减小转向架周围阻力;杨志刚等[11]分析了无裙板和在不同位置安装裙板时列车的气动特性，得出了安装裙板可以有效地减小列车的气动阻力，且在头尾转向架处安装裙板的减阻效果最好;郑循皓[12]研究了列车车底结构对转向架气动特性的影响，得出不同的车底结构使转向架气动阻力最大相差30%，改变车底结构可以有效地减小转向架的气动阻力，进而降低整车气动阻力;熊骏等[13]通过数值仿真计算得到安装裙板可以有效地减小转向架区域的气动阻力，对第一个转向架减阻效果最明显，列车整车气动性能得到改善;黄志祥等[14]通过风洞试验得出在转向架安装底部导流板减阻效果最好，可达3.7%;陈羽等[15]分析了4种转向架底部导流板对列车气动阻力的影响，得出直式导流板减阻效果最好。

由上可知，关于车底结构减阻的相关研究大多集中在转向架周围区域流场的研究，针对车底悬挂设备对列车气动性能的研究较少。裙板和设备舱虽可以有效地减小阻力，但过于封闭会造成设备散热性差的问题。如何选取合适的列车底部结构及布局，有进一步研究的必要。

本文以我国某城际列车为研究对象，分析列车气动阻力分布特性，评估裙板以及设备舱对城际列车气动阻力的影响，同时优化了车底设备布局，分析不同布局方式对气动阻力的影响，研究结果可为改善我国城际列车气动特性提供理论基础。

1 数值模拟方法及验证

1.1 计算模型

城际列车计算模型采用4车编组，即：头车+2节中间车+尾车编组模式。在不影响底部流场分布的前提下对车下设备进行一定的简化，这些设备虽然在实际应用中有一定的安装要求，但是理论上均可调整位置，设备名称和初始安装如图1所示。列车模型长94.3 m，宽3 m，高3.7 m，横截面积为9.56 m2。

图1 计算模型 Fig.1 Computational model

1.2 计算区域及边界条件

根据欧标BS EN 14067，列车明线运行时，计算区域的大小应保证流场充分发展。流场上游应不小于8倍特征高度或1倍特征长度，流场下游应不小于16倍特征高度或2倍特征长度，以避免尾涡结构对边界设定造成影响。这里的特征高度指列车顶面距地面的距离，H=3.7 m；特征长度指列车车长，L=94.3 m。计算区域如图2所示，区域大小为550 m×80 m×40 m。列车车轮底面到区域地面AEHD为0.2 m，车头鼻尖点到流域入口ABCD距离为150 m，车尾鼻尖点到流域出口EFGH距离为300 m。

流域入口ABCD为速度入口(Velocity-inlet)边界条件，X方向速度与列车运行速度大小相等，方向相反，其他两个方向速度为0，对应流域出口EFGH给定压力出口(Pressure-outlet)边界条件，设定静压为0；列车表面设定为无滑移固定壁面(Wall)边界条件；为模拟真实运行情况，地面AEHD处给定滑移地面(Moving Wall)边界条件，其速度在X方向上列车运行速度大小相同、方向相反，其余两个方向速度均为0。流域侧面ABFE、DCGH以及顶面BCGF均给定对称面(Symmetry)边界条件，使沿该面法向速度梯度为0，保证流场发展的同时消除壁面边界层对流场的影响。

图2 列车明线运行计算区域Fig.2 Computation domain for trains operating in the open air

1.3 计算网格

采用Pointwise软件对列车单车明线运行时的计算模型进行结构化网格划分，但转向架区域结构复杂，单独采用非结构网格。为较好地进行网格划分，降低网格数量，列车不同位置设置不同离散尺寸。列车流线型头部以及车下设备表面网格尺度为0.03 m，车身及风挡处网格尺寸为0.08 m，距离列车较近的区域网格比较密，距离越远网格越稀疏。根据经验，车体、车下设备的附面层均为35层。第一层网格厚度设置为1 mm，y+为50，由于在物面采用壁面函数，因此满足k-ε两方程湍流模型的计算要求。转向架结构比较复杂，采用非结构网格离散，离散后总网格数达5000万以上。如图3为列车明线运行时的计算网格示意图。

(a) 头车表面

(b) 转向架表面

(d) 车下设备附面层

1.4 试验验证

风洞试验在中国空气动力研究与发展中心进行(图4所示)，试验段截面尺寸为8 m×6 m、长15 m，稳定风速范围20～70 m/s。列车模型采用我国CRH2动车组，编组为头车+中间车+尾车，中车前部安装有受电弓和受电弓导流板，模型缩比采用1∶8。为避免风洞壁面附面层的影响，在试验段内安装列车试验地板装置，该地板由5块独立地板拼接而成，中间地板有一直径7 m、可旋转360°的转盘，其它为固定部分。地板前、后缘加工成流线型，以减少对气流的干扰，地板之间有倾斜的缝隙；各块地板后缘下面，有一角度可调的斜板伸出下表面，通过该斜板可以产生低压涡区，能够被动地吸除附面层，以降低地板附面层的影响。数值验证模型和风洞模型一致，模拟了受电弓、受电弓导流板、地板和路基，地板和路基的边界设置为无滑移边界条件。CRH2动车组网格的生成方法，网格的分布均和城际动车组算例一致。

通过风洞模型试验得到CRH2动车组在吹风速度为60 m/s时的阻力系数如表1所示。数值计算结果与风洞模型试验对比分析表明：列车阻力系数吻合较好，头、中、尾车计算值与风洞试验值误差均小于6%，整车气动阻力相差1.9%，计算精度完全能够满足实际的需要。

(a) 风洞和模型列车

(b) 受电弓模型

风洞试验数值计算误差头车0.14900.15725.50%中车0.19810.1887-4.75%尾车0.13730.1293-5.83%整车0.48440.4752-1.90%

2 城际列车气动阻力及底部流场分布特性

2.1 城际列车气动阻力分布特性

表2给出了列车明线运行时列车的气动阻力系数。可以看出，列车明线运行时所受到的气动阻力主要为压差阻力，约占总阻力的78.49%。头车阻力小于尾车阻力，中间车阻力小于头车和尾车。头、尾车压差阻力所占比例远大于中间车，各节车的摩擦阻力均小于压差阻力。

表2 明线运行时列车气动阻力系数Table 2 Drag coefficients for trains operating in open air

由图5(a,b)转向架气动阻力分布可以看出转向架气动阻力主要为压差阻力，约占转向架区域总阻力的95.68%，头车两个转向架气动阻力远大于其他转向架。气流较其他地方速度很大，到达转向架前端后速度迅速减小形成高压区。来流流过转向架后逐渐加速，在转向架周围前后形成较大的压差，所以转向架的压差阻力很大。转向架阻力占整车总阻力的28.75%。由图5(c,d)车下设备气动阻力分布可知车下设备气动阻力主要为压差阻力，约占设备区域总阻力的93.94%，头车车下设备气动阻力远大于其他车，原因与转向架区域类似。头车车下设备阻力占头车总阻力的21.53%。头车转向架及设备因为受气流直接作用，阻力较大，而后面的转向架和设备处于前面转向架和设备的尾流区，气流速度减小，所以阻力远小于头车转向架和设备。

图5 列车底部部件阻力Fig.5 Drag from equipment on car bottom

转向架及车底设备在整车阻力中占比较重，减小转向架及车下设备的阻力是整车减阻的重要途径。

2.2 城际列车底部流场分布特性

空气从车头流过的另一部分气流流向车底，列车车底设备和转向架外形非常复杂，会对列车的气动性能产生重要的影响。如图6列车底部压力云图所示，由于头车转向架和车下设备直面来流，后面转向架及设备均处于前方结构的尾流区，所以头车底部压力变化较其它车更为显著。底部设备的存在会产生气流涡旋，从而使列车底板压力发生变化。

(a) 头车

(b) 中间车

(d) 尾车

图7为列车车底设备压力分布云图，因为地面和车底架间空隙较小，空气流速较其他地方很大，当气流流到车下设备前端时流速迅速变小，来流被滞止从而形成高压区。因为车下设备位于转向架后方，受转向架尾流的影响，车底设备压力变化范围明显小于转向架，且头车车下设备压力变化明显较其它车剧烈。

(b) 中间车1车底设备

(d) 尾车车底设备

3 城际列车底部结构优化气动减阻研究

3.1 转向架部位裙板气动减阻研究

为研究裙板对列车流场的影响，在原列车模型的基础上，保留转向架和风挡等细部结构，并在列车上增加裙板，按照相同的网格尺度离散，分别计算以160 km/h速度运行时的列车气动阻力。计算采用加裙板列车模型如图8所示。

裙板主要通过阻挡进入车底区域的气流对列车底部流场产生影响。图9为无裙板和有裙板时列车底部设备表面压力云图，裙板的存在有效地阻止了侧面来流，车下设备前方来流速度较低，主要为底部来流，设备正压区下移且基本呈左右对称分布，负压减小。有裙板比无裙板时车下设备表面压力减小。

(a) 整车模型

(b) 头车底部模型

(a) 无裙板头车车底设备

(b) 有裙板头车车底设备

(d) 有裙板中间车1车底设备

裙板会直接影响列车车底设备周围流场的变化，为了进一步分析裙板对底部流场的影响，图10给出了Z=0.5 m时车底设备周围流场压力云图。在车底设备两侧安装裙板可以很好地阻挡列车两侧的气流进入设备区域，设备前方正压区减弱，两侧和后方负压区也减弱，最前端设备减弱效果最明显，裙板对头车的影响比对中间车的影响大。

(a) 无裙板-头车

(b) 有裙板-头车

(d) 有裙板-中间车2

为了研究裙板对列车车身表面压力的影响，图11给出了列车车身表面压力系数变化。图11(a)为沿列车Y方向对称截面，取列车上部头车鼻尖点至尾车鼻尖点的压力值。从图中可以看出，有无裙板时列车沿Y对称轴方向压力系数变化趋势一致，最大值均出现在鼻尖点，无裙板最大压力为1212 Pa，有裙板最大压力为1211.967 Pa，裙板对列车顶部压力的影响可以忽略不计。图11(b)为Y=0 m时车底表面压力系数，从图中可知，裙板对头车转向架和车底设备压力波动有明显的改善，对其它转向架及设备影响不大。图11(c)为在X=-22 m处列车表面压力变化情况。可以看出两种模型均处于负压区，有裙板时Y负方向车身压力绝对值大于无裙板时，正方向压力曲线重合，裙板改善了原模型表面压力左右不对称的问题，避免出现列车运行过程中左右受力不均的现象。图11(d)为Z=1 m、Y为负时，头车鼻尖点至尾车鼻尖点的压力变化。无裙板比有裙板时车身压力波动更剧烈。

(a) Y=0 m时车顶表面压力系数

(b) Y=0 m时车底表面压力系数

(d) Z=1 m时车身表面压力系数

图12为安装裙板的情况下，列车各部位气动阻力系数。将有无裙板情况下，列车各部位阻力系数相互对比可以看到，裙板的存在对头车、尾车阻力影响较大，主要减小了列车的压差阻力，头车压差阻力减小了9.3%，尾车减小了11%。有裙板时各节车摩擦阻力均略有增加，增加范围在1.9%～4.5%范围内。有裙板比无裙板时整车阻力下降了7.48%。列车阻力仍满足尾车>头车>中车的关系。

(a) 阻力分布

(b) 各节车阻力系数变化

图13(a)给出了有、无裙板时，列车底部转向架和撤下设备气动阻力分布特性。从中可以看出：安装裙板对头车第一个转向架和尾车转向架影响不大，主要影响头车第二个转向架和中间车的转向架，安装裙板后明显小于无裙板时；安装裙板对头车车下设备影响较大，对中间车和尾车影响不大，头车车下设备阻力降幅达25.62%。

(a) 列车底部转向架

(b) 列车车下设备

3.2 车下设备安装布局优化气动减阻研究

安装裙板虽然可以改善列车的阻力特性，但同时也会影响底部设备散热，因此本节在不安装裙板的情况下，研究车下设备不同布局方式对列车流场的影响。以城际列车原型为基础，保留转向架和风挡等细部结构，优化底部设备布局，按照相同的网格尺度离散，计算其以160 km/h速度运行时的气动特性，比较不同布局方式列车底部流场和气动阻力的影响。本文设计了几种车下设备布局方式，对比分析列车模型在明线运行时的阻力特性，并与原模型布局方式进行对比，研究车下设备布局方式对列车气动阻力的影响。

3.2.1 头、尾车车下设备安装布局优化减阻研究

由于头、尾车车下设备较中间车较为复杂，因此首先开展头、尾车车下设备布局优化研究，以原模型车下设备布局方案为布局1，图16为两种不同设备布局方式的俯视图。

车下设备不同布局方式对列车底部流场的影响较大，图15-图17给出了不同布局列车底部设备表面压力云图。从图中可以看到横截面积大的部件可以削弱来流对后面设备的影响。由于头车底部气流速度最大，车下设备布局方式对头车设备影响较大，而随着来流沿列车底部流经多个设备，流速逐渐降低且流场更为紊乱，因此设备布局对尾车阻力影响较小。

(a) 布局2

(b) 布局3

(a) 头车

(b) 尾车

(a) 头车

(b) 尾车

图18-图20给出了Z=0.5 m时不同布局列车底部设备周围压力云图，可以看到横截面积大的部件可以阻挡来流对后面设备的影响，车下设备布局方式对头车设备影响较大，对尾车设备影响较小几乎可以忽略。设备迎风面形成高压区，背风面形成较小的负压。布局2前方部件横截面积较大足以阻挡来流，但后方出现较大的正压区，对整个底部流场不利，会给后部转向架带来较大的正压。

(a) 头车

(b) 尾车

(a) 头车

(b) 尾车

(a) 头车

(b) 尾车

(a) 头车

(b) 尾车

表3 给出了不同底部设备布局列车的气动阻力系数，与原模型布局方式相比，布局2和布局3总阻力系数分别减小约1.45%和4.61%。

表3 不同头、尾车车下设备布局列车气动阻力系数Table 3 Aerodynamic drag under different equiment layout on front and rear car bottom

图21为不同车下设备布局下列车底部部件气动阻力系数对比图，当改变头、尾车车下设备布局对头车第一个转向架和中间车转向架影响不大，主要影响头车第二个转向架和尾车后端转向架，优化车下布局后头车第二端位转向架气动阻力系数明显小于原模型布局方案，且布局方案2最小。改变头、尾车车下布局对中车车下设备气动阻力影响不大，布局2和3的头、尾车车下设备气动阻力略大于原模型布局方案，两优化方案相比，布局2头车车下设备气动阻力系数小于布局3，尾车则略大于方案3。综合比较车下设备气动阻力，两种布局较原模型布局均有减小，且布局2优于布局3。

(a) 列车底部转向架

(b) 列车底部设备

3.2.2 中车车下设备安装布局优化减阻研究

中间车底部设备较头尾车简单，根据上节头、尾车设备布局对阻力影响的分析，本节针对中车设备设计了一种布局A，如图22所示。头、尾车设备均采用较优的布局3方式进行排列。

表4给出了中间车不同布局列车的气动阻力系数，与头、尾布局3+中车原始布局相比，中车布局A各节车阻力系数减小-1.44%、6.88%、-1.66%、2.13%。整车气动阻力减小1.13%。分析表4可知改变中间车设备布局方式会对列车的气动阻力产生影响，对头车影响较小，对中间车和尾车影响较大。综上可知，最优布局为头、尾车车底设备布局3加中车车底设备布局A，和原模型相比整车气动阻力减小了5.69%。