车底设备对城际列车气动特性影响研究

洪琪琛，杨明智，刘冬雪



车底设备对城际列车气动特性影响研究

洪琪琛，杨明智，刘冬雪

(中南大学 交通运输工程学院，轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙 410075)

采用数值模拟方法，在明线及横风环境运行条件下，对城际列车安装裙板或设备舱后车底设备的气动性能进行分析。研究结果表明：明线条件下，安装裙板后整车阻力下降7.48%，而采用设备舱结构整车阻力下降10.51%；横风条件下，安装裙板后减少了车底设备的气动阻力，但各节车侧向力增加2%~8%；采用设备舱结构各车阻力下降39.22%，23.52%，30.02%和43.70%，头车侧向力急剧变化，增加了61.76%，列车行驶安全性下降。本文为城际列车的外形优化提供参考依据。

城际列车；数值计算；气动特性；车底结构

城际列车指2座相距不远的重要城市之间开行的多班次趋向公交化的中小编组短途旅客列车，是连结城市间的铁路运输系统，其运输距离较长，通常超过200 km，运行速度在100~200 km/h之间[1−2]。津京冀地区城际列车开通以来，由于其大运量、高密度和公交化等特色，大大缩短了连接城市的时空距离，对于加强津京冀地区经济一体化，促进环渤海地区经济交流和人员往来发挥重要作用。近几年，随着京哈、京广、京沪、陇海、哈大和东南沿海等一大批客运专线的全线贯通，城际列车的发展空前繁荣[3−5]。然而，目前国内对城际列车气动性能方面的研究处于空白期[6]，随着其运行速度的提升，安全问题和能耗问题日益加深，亟需研究城际列车的气动特性。我国列车长期低速行驶，既有列车均为钝型列车，车辆车体底部一般为无底罩无裙板结构，导致传统列车运行速度为120 km/h时空气阻力占到总阻力的40%。在列车低速运行过程中被忽略的例如气动阻力等问题随着列车运行速度不断提升，再次引起了人们的关注[7−9]。对于高速列车，主要通过将头车流线型化和表面顺化等方式进行减阻，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以减少列车在运行时受到的压差阻力，国内外学者针对列车底部结构优化研究进行了大量探索。熊骏等[10]采用数值计算方法分析地铁车辆在明线行驶时车辆裙板结构对整车气动性能的影响，研究表明安装裙板可以有效降低地铁车辆转向架区域的气动阻力，尤其对来流方向第1台转向架的影响最为显著，但同时也会导致列车车身阻力的增加。杨志刚等[11]用计算流体力学方法分析，发现高速列车安装裙板后气动阻力因数降低0.059，占总阻力因数的12.7%。黄志祥等[12]发现在车身侧面裙板包住转向架外露的部分越多越利于减少空气阻力，这是由于裙板包住转向架使得转向架侧面杂乱的气流变得平顺，从而空气阻力明显减少。城际列车的运行速度一般介于地铁列车和高速列车之间，关于车下结构对列车的气动性能影响研究较少，本文对城际列车自身阻力分布特性进行分析，精确评估裙板及设备舱对城际列车运行时气动性能的影响，对城际列车的外形优化提出意见。

1 数学模型

城际列车在明线和大风环境下运行时，车体周围流场均遵循物理守恒定律，属于定常问题，在本文中通过质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程来体现；本文研究的列车运行速度为160 km/h，马赫数小于0.3，因此，引起的空气流动是不可压缩的湍流流动，针对不可压缩的基本控制方程进行求解；流场计算软件FLUENT提供多种湍流模型，在本次模拟计算过程中，选取在工程上应用范围较广的-方程进行数值求解；整个流场采用三维、不可压、定常的 Navier-Stokes方程和-两方程湍流模型进行数值模拟，方程如下[13]。

连续性方程：

方向动量方程：

方向动量方程：

方向动量方程：

湍流动能方程：

湍流动能耗散率方程：

上述方程均忽略了空气的质量力。式中：为速度矢量；，，为各坐标方向的速度分量；为空气密度；eff和eff分别为有效黏性系数和有效压力，其值与湍流动能和湍流动能耗散有关。上述6个方程含有6个未知量：，，，和-方程组封闭，可以进行数值求解。

采用商业CFD软件Fluent进行计算，速度-压力耦合计算采用SIMPLEC算法，离散格式中，压力项采用二阶迎风格式离散，动量、湍流动能和湍流耗散率采用QUICK格式离散。

2 计算模型及区域

2.1 计算模型

本文主要研究车下设备对城际列车气动效应的影响。我国城际列车一般采用6车编组，为了简化计算过程，节约计算时间，本文计算模型采用4车编组，车下设备对称分布，根据CEN Standard[14]中对模型简化的要求，对模型进行必要且合理的简化。列车模型长94.3 m，宽3 m，高3.7 m，横截面积为9.56 m2。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，由于端裙板结构凹槽内的涡流容易将道碴卷起击破底部裙板，所以本次裙板采用中裙板结构，即安装在两转向架之间，按照相同的网格尺度离散。列车增加设备舱处理方式与列车增加裙板处理方式类似。计算列车模型如图1所示。

(a) 列车原始模型；列车底部全裸露；(b) 安装裙板后列车模型；(c) 安装设备舱后列车模型；(d) 头车底部模型侧视图；(e) 头车底部模型俯视图

2.2 计算网格

列车流线型头部、转向架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。为准确模拟车辆周围流场和附面层效应，对车身表面附近的单元进行加密处理，车体、转向架、车下设备的附面层均为35层。第1层网格厚度设置为1 mm，足以达到湍流模型的计算要求。转向架结构比较复杂，难以生成结构网格，因此转向架区域采用非结构网格离散，其他区域用结构网格离散。离散后网格数达到5 000万以上。列车在横风环境下运行时，列车背风侧的加密区大于迎风侧。表面网格尺寸和明线运行时基本一致。因列车横风计算域大于明线运行计算域，计算网格总数增加到5 500万以上。上述具体网格图见图2。

2.3 计算区域及边界条件

根据欧洲标准，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[15]。这里的特征高度指列车顶面距地面的距离。特征高度取列车车顶到地面的距离，约为=3.7 m，取为4 m，特征长度取车长，约为=94.3 m，取为100 m。为确保流场充分发展，本文所采用的计算区域均适当大于欧洲标准所规定距离。列车明线运行计算区域大小为550 m×80 m×40 m。列车车轮底面到流场地面为0.2 m。车头鼻尖点到流域入口距离为150 m，车尾鼻尖点到流域出口距离为300 m。列车在横风下运行时，除需要考虑到列车运行时，列车尾涡充分发展外，还需要考虑流域向车背风一侧漩涡的发展情况[16]。因此，列车横风运行时的计算区域背风侧宽度按照标准大于20。列车在明线环境和横风环境下运行时计算区域示意图及边界条件如图3所示。

(a) 头车表面；(b) 转向架表面；(c) 头车附面层；(d) 车下圆形设备附面层

(a) 明线环境下计算域；(b) 横风环境下计算域

3 计算结果及分析

3.1 数值方法验证

风洞模型实验具有实验理论和实验手段成熟，测量精密，气流参数如速度、压力等易于控制，并且基本上不受天气变化的影响等众多特点。因此，被广泛用于列车的绕流流场特性研究，实验所得结果与实际情况相似度较高，采用风洞实验数值计算结果进行验证是一种切实可行的方法。

本次风洞实验在中国空气动力研究与发展中心8 m×6 m风洞进行。为使空气绕模型流动和绕实物流动符合一定的相似准则，前提是必须保证缩比模型与实物几何相似，本次列车风洞模型缩比为1:8，见图4。

为排除列车运行速度对表面压力的影响，引入无量纲参数压力系数C，其定义如下。

压力系数：

其中：为列车表面压力；0为远方均匀来流的静压；为来流密度；为来流速度。

为排除列车运行速度对气动性能的影响，引入无量纲系数C，C，C和m，表达式分别如下。

阻力系数：

侧向力系数：

升力系数：

倾覆力矩系数：

其中：F，F，F和M分别为列车运行时的气动阻力、气动侧向力、气动升力和倾覆力矩；为远方均匀来流的密度，取为1.225 kg/m3；为来流速度，横风环境下运行时为列车运行速度和横风速度的合成速度，m/s；为列车的横截面参考面积，取9.56 m2，l取3 m。

图4 风洞试验模型

通过风洞模型实验可以得到CRH2高速动车组以300 km/h速度明线运行时，高速列车阻力系数如表1所示。

表1 风洞模型试验与数值计算阻力系数对比

从表1可以看出，风洞模型试验结果与数值计算结果的对比分析表明，最大误差均不超过7%，列车阻力系数吻合较好，数值计算方法能较准确地反映列车气动阻力波动规律，计算精度满足工程应用要求。

3.2 压力分布

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5为明线环境下无裙板和有裙板时列车底部设备表面压力云图。从图中可以看出，裙板结构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，设备区域附近正压区下移且基本呈左右对称分布，负压绝对值减小。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，两侧和后方负压区减弱，最前端设备减弱效果最为明显。

如图6所示，为明线环境下设备舱对列车表面压力系数的影响。图6(a)为沿列车方向对称截面，取列车上部头车鼻尖点至尾车鼻尖点的压力值。从图中可知，有无设备舱时列车沿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，设备舱对列车顶部压力的影响可以忽略不计。图6(b)为=0 m时车底表面压力系数，从图中可以看出，安装设备舱有效地减缓了底部的压力波动，转向架区域尤为明显。图6(c)为在=−22 m处列车表面压力变化情况。从图6(c)中可以看出2种模型均处于负压区，设备舱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。有设备舱时车身压力绝对值小于无设备舱时情况，且距离地面越近有设备舱时压力绝对值比无设备舱时大的越多。图6(d)为=1 m，为负方向时，头车鼻尖点至尾车鼻尖点的压力变化。无设备舱比有设备舱时车身压力波动更剧烈。有设备舱模型最大负压小于无设备舱模型。

(a) 无裙板头车车底设备(侧视图)；(b) 有裙板头车车底设备(侧视图)；(c) 无裙板头车车底设备(俯视图)；(d) 有裙板头车车底设备(俯视图)

(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；(c) X=−22 m时车身表面压力系数；(d) Z=1 m时车身表面压力系数

3.3 气动力结果分析

表2为列车加装裙板或者设备舱后在明线环境下运行时各气动力系数结果。对比数据可知，裙板的存在对头车、尾车阻力影响较大，头车阻力减少5.84%，尾车阻力减少9.40%，这是由于在列车底部两侧安装裙板后，裙板结构可以很好地阻挡车体两侧进入地下设备的气流，从而大大减少底下设备迎风侧和背风侧的压力差，压差阻力大大减少。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。通过对升力数据进行分析可知，裙板的存在对尾车升力的影响几乎为0，头车和中间车2升力减小，头车减少了21.36%，中间车2减少了34.85%，中间车1升力有所上升，上升了20.28%。

对比列车各部位阻力系数可以看到，设备舱的存在对列车阻力影响较大，头车阻力减少6.63%，第1节中间车减少了12.10%，第2节中间车和尾车分别减少了1.67%和14.96%。有设备舱模型比无设备舱模型整车阻力下降了10.5%。通过对数据进行分析对比可以看到，有设备舱时头车升力减小，头车减少了64%，中间车1减少了165.73%，中间车2升力绝对值为原始模型的2.46倍，尾车升力上升了2.23%。

列车阻力大小很大程度上取决于头车和尾车部位的压力差，底部结构的设备改变了列车周围的流场结构。由图7可知，安装裙板对头车第1个转向架和尾车转向架影响不大，主要影响头车第2个转向架和中间车的转向架，对于无裙板的原始模型，高速气流会直接作用在转向架区域，使得转向架前后两端的速度差很大，并伴随明显的旋涡，造成较大能量耗散，裙板的安装可以减少列车两侧周围来流，使得通过该区域的气流稳定，且未见较大的涡流形成，从而减小转向架区域的阻力。对比原始模型和安装设备舱模型各转向架的阻力系数可知，安装设备舱会大大增加头车转向架阻力，这是由于位于转向架后方设备舱的端板具有阻挡作用，部分气流回流，形成较多细小的涡旋，使得该区域流场结构较为混乱，从而使头车转向架压差阻力增大。气流顺着车底板向后流动，来流变得较为平缓，转向架区域涡旋减少，因而中间车转向架和尾车第1个转向架压差阻力减小。

表2 列车气动力系数

图7 各个转向架阻力系数

当城际列车在横风环境下运行时，列车整体的气动性能会急剧下降，列车自身将会受到较大的横向气动力作用，使得列车运行平稳性下降，严重时甚至会造成列车脱轨倾覆，直接影响旅客的生命和财产安全。由于我国城际列车行驶线路上存在较多横风区，所以须对横风环境下城际列车的气动性能作进一步分析。图8为横风环境下各模型城际列车的侧向力系数和倾覆力矩系数对比结果。由图8可知，安装裙板后，头车侧向力和倾覆力矩绝对值分别增加了2.81%和6.90%。第1节中间车侧向力增加8.26%，倾覆力矩增加3.08%。第2节中间车侧向力增加6.18%，倾覆力矩增加1.54%。尾车倾覆力矩减少了3.17%，侧向力增加5.53%。分析气动力可知裙板增加了列车侧向的迎风面积，恶化了列车的横风稳定性。通过比较有无设备舱时列车各部位气动力无量纲化的结果可知：有设备舱模型比无设备舱时各节车侧向力和倾覆力矩均大，中间车侧向力和倾覆力矩均增大。头车和尾车侧向力和倾覆力矩分别增加了61.76%，54.64%，3.32%和6.54%。由此可见，设备舱的存在恶化了列车横风气动特性，使列车的安全性下降。

图8 横风环境下气动力系数

4 结论

1) 安装裙板可以有效抑制城际列车底部涡流的形成，大大改善列车底部的流场结构，使其流场趋于平滑过渡状态，减少了列车头部和运行周围两侧的气流对列车底部转向架区域流场的影响。

2) 安装半包式裙板对头车、尾车阻力影响较大，大大减少了列车运行阻力，有裙板比无裙板时整车阻力下降了7.48%。但是横风稳定性降低，侧向力和倾覆力矩显著增大。

3) 安装设备舱可以减小列车运行时气动阻力，有设备舱模型比无设备舱模型整车阻力下降了10.5%。列车阻力仍满足尾车＞头车＞中车的关系。横风稳定性急剧恶化，对头车的影响最大，头车侧向力和倾覆力矩增幅为61.76%和54.64%。

4) 安装裙板对头车第1个转向架和尾车转向架影响不大，主要影响头车第2个转向架和中间车的转向架；安装设备舱会大大增加头车转向架阻力，这是由于位于转向架后方设备舱的端板具有阻挡作用，部分气流回流，形成较多细小的涡旋，使得该区域流场结构较为混乱，从而使头车转向架压差阻力增大。

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Influence of the bottom structure on the aerodynamic performance of intercity train

HONG Qichen, YANG Mingzhi, LIU Dongxue

(Key Laboratory of Traffic Safety on Track, Ministry of Education, School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Based on the numerical simulation method, the aerodynamic performance of the intercity trains which equipped with skirt plate or equipment cabin was analyzed in detail under the condition of the open air and the crosswind environment. The results indicate that the aerodynamic drag was reduced by 7.48% in the open air when the skirt plates are installed at the bottom of the train, while the aerodynamic drag was reduced by 10.51% when the train equipped with equipment cabin. Under the crosswind condition, the aerodynamic drag can be decreased effectively by installing skirt plates, but the lateral force of each car increased by 2% to 8%; The aerodynamic drag of each car by installing equipment cabin decreased by 39.22%, 23.52%, 30.02% and 43.70% respectively, the lateral force of the head car changed sharply, which is increased by 61.76% and the driving safety is reduced. This paper provides a reference for the optimization of the optimization of intercity trains.

intercity train; numerical calculation; aerodynamic performance; bottom structure

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2018.11.027

U271

A

1672 − 7029(2018)11 − 2947 − 09

2017−09−07

国家自然科学基金资助项目(U11372360)；国家科技支撑计划资助项目(2015BAG12B01)；国家重点研发计划项目(2016YFB1200602)

杨明智(1972−)，男，湖南望城人，副教授，从事空气动力学研究；E−mail：yqyymz@126.com

(编辑 阳丽霞)