风屏障开孔率对高速列车气动特性影响研究

寇丽君

（吉林铁道职业技术学院，吉林 吉林 132200）

1 计算流体动力学（CFD）简介

CFD的全称为Computational Fluid Dynamics，用来研究流体力学相关问题，内容融合了流体力学、数值计算和计算机科学等。它的运用原理为：对求解模型中空间与时间上的连续物理量，用有限的点进行离散，仿真系统通过设置好的方程对离散点上的变量进行求解，就可以解出离散点上所求物理量的值。自然界实际的流场中，流体流动方式复杂多样，传统的流体力学求解方法无法准确分析，CFD软件能同时综合计算不同的变量，得出接近真实的数值解析结果。与风洞实验相比，使用计算流体动力学可以更为灵活地调整各个自变量的参数，接近自然环境下的实际情况。CFD可以节省大量成本，且可以得到直观的数值解析，为工程建设提供较为准确的科学参数和指标。

2 GAMBIT建模

利用GAMBIT建立带风屏障的高架桥高速动车组模型。高速列车全车较长，考虑实际情况，将列车简化为三节车分别为头车、中间车和尾车。建立的CRH1高速列车模型总长78 m，头车和尾车长度为26.5 m，中间车25 m，车辆宽度3.32 m，车辆高度4.04m，应用非结构化网格，网格总数320.33万。

3 计算、求解

利用FLUENT-3d求解器进行求解。对高速列车运行速度120 km/h。风速为14 m/s。在横风环境中，安装不同开孔率的风屏障时，将影响列车周围流场结构，对列车的气动性能会产生一定的影响。本节通过建立不同风屏障高度时列车运行在复线高架桥区段的空气动力学模型，研究风屏障的开孔率变化对列车的气动性能的影响。随着风屏障开孔率的不同，作用在高速列车上的气动力和力矩也随之发生变化，

（1）计算工况 1无风屏障，

（2）计算工况 2风屏障开孔率10%，

（3）计算风屏障开孔率30%

（4）计算风屏障开孔率60%

计算结果汇总，利用ORIGIN画图如下图1～图4。

图1 无风屏障

图2 风屏障开孔率10%

图3 风屏障开孔率30%

图4 风屏障开孔率60%

4 结果分析

无风屏障时，可明显看出高速列车的最大压力在迎风侧达到4.93kN，且背风侧为负压随着开孔率的变大高速列车所受的压力也在逐渐变大，高速列车俩侧的压力差也在逐渐变小，风屏障俩侧的压力差也逐渐变小，所以风屏障开孔率越大，风屏障安全性越好。当风屏障开孔率达到30%以上时，虽然高速列车迎风侧压力变化较大，但是背风侧压力变化逐渐不明显，一般风屏障开孔率最好在30%。风屏障可以有效的减小高速列车所受的压力，改善了高速列车运行时的气动特性，提高高速列车安全性，同时提升了高速列车的稳定性和舒适性。