基于边界层减阻理论的高速列车抽吸气减阻特性数值研究

林鹏， 李桂波

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心，山东青岛 266111）

0 引言

随着计算技术与优化理论的发展，大批研究者致力于高速列车头型设计与优化研究以达到减阻降噪的目的，取得了一系列实质性的研究成果［1-5］。流线型车头的优化设计思路通过改变头部几何外形而改变相应的流场结构，从而降低列车运行压差阻力。通过改变外形来提高列车气动性能的传统方法已经趋于极致，并受制造工艺和设计要求不断提高的限制，逐步显示出局限性，应用“新”的理论与技术开展列车气动设计已经成为一种必然趋势。

近年来，边界层控制减阻技术在航空航天领域得到广泛应用并取得了系列成就［6-8］，具有巨大的应用潜力。该技术在高速动车组方面的应用还处于探索阶段，且大部分研究集中于表面微结构对边界层的控制。杜健等［9］研究了仿生非光滑沟槽减阻，减阻率可达6%。朱海燕等［10］通过在车体表面加设球窝非光滑表面来控制边界层湍流特性，最大减阻率可达25%。

通过在车体不同位置设置抽吸气孔，对车体边界层转捩、分离、涡流等特殊流动现象进行调控，改变局部流动以减小阻力，并通过数值仿真研究抽吸气减阻机理及减阻效果，为高速列车气动减阻提供参考。

1 数值研究方法

一般情况下列车运行速度比较小，可忽略空气密度变化和热传导效应，流动控制方程为：

式中：ρ，ui，p分别为密度、速度和压强；μt为涡粘性系数。采用列车空气动力学应用最广泛的κ-ε方程湍流模型，涡粘性系数为：

式中：Cμ为湍流常数，一般取Cμ=0.09；κ为湍流动能，ε为湍流耗散率，分别由相应湍流控制方程计算。压力速度耦合采用SIMPLE算法，对流项和粘性项分别采用二阶迎风和二阶中心格式。

采用4节编组列车进行计算，计算区域及边界条件见图1。将列车高度H作为特征长度，列车位于计算区域中间，车头距离来流进口边界15H，以保证湍流流场充分发展；车尾距离计算区域出口50H，以保证尾涡形成、脱落不受出口边界条件影响；计算区域高度和宽度分别为15H和24H。计算区域进口给定速度入口边界条件；出口给定压力出口边界条件，静压为0；地面为移动地面边界条件，速度与进口设置一致；侧面及顶面给定滑动壁面，而车身表面则给定无滑移表面边界条件。

图1 计算区域及边界条件

计算网格采用开源流体计算软件OpenFOAM中的SnappyHexMesh网格技术进行离散，绕列车表面设置10层棱柱层，最内层网格尺度为0.000 1 m。由于高速列车湍流流场扰动大部分集中在列车表面周围，因此距离列车表面2H距离的区域进行细化网格离散。为研究网格无关性，对3种不同密度的网格进行离散计算，3种网格分别称为粗糙网格、优化网格、精细网格，总网格数量分别为1 500万、2 200万和3 400万。

高速列车精细网格分布见图2。计算区域纵切面精细网格分布见图2（a）；车端连接处采用半包外风挡，即风挡仅布置在列车侧面，而列车上部和下部无风挡，两侧风挡与前后车厢端面围成上下开口的空腔，外风挡连接处几何细节对列车阻力有一定影响，因此该处需要设置较密的面网格（见图2（b））；转向架为开放结构，包含诸多细碎零件，为保证计算效率和数值稳定性，转向架采用简化模型（见图2（c））。

不同网格密度列车风风速分布见图3，由距离轨道中心线1.78 m、距离轨面1.85 m处列车风风速分布可以看出，优化网格和精细网格曲线非常相近，且很好地捕捉到了列车尾涡区的速度峰值，证明精细网格密度满足计算要求。

2 分布规律

2.1 边界层

根据边界层厚度为0.99倍来流速度的定义，对列车表面速度等值面采用压力渲染显示技术，得到了高速列车表面边界层分布俯视图（见图4），在列车头部区域边界层为圆球状，速度等值面在鼻尖位置基本为0，随着向车体过渡，列车侧面边界层逐渐变厚，在达到列车尾端时，出现显著变化，类似圆球状，接着过渡为逐渐扩张的圆管状。由于列车尾流湍流运动复杂多变，因此列车尾端边界层形状变化较大。

车顶过渡位置局部放大见图5，头车靠近流线型过渡部位的边界层非常薄，随着气体加速向前上方运动，边界层在该位置附近出现分离，出现较大速度梯度。

尾车表面涡旋分布见图6，采用Q等量流场显示技术清楚地展示了列车尾部涡旋分布，边界层从尾车流线型过渡部位开始发生分离，产生许多瞬态的无规则漩涡，这些漩涡沿车尾方向发展并逐渐脱落。图6还展示了列车尾部驻点位置边界层分离后产生的尾涡结构主要有2个瞬态涡系结构，2个漩涡的核心呈对称式分布，之后2个漩涡进入尾流，并且在远离列车尾部方向慢慢耗散。

图2 高速列车精细网格分布

图3 不同网格密度列车风风速分布

图4 高速列车表面边界层分布俯视图

图5 车顶过渡位置局部放大图

图6 尾车表面涡旋分布

2.2 阻力

为分析列车不同位置压差阻力和摩擦阻力，给出了高速列车纵剖面压力系数分布（见图7），头车、尾车、车辆连接部位出现较明显的压力波动，造成压力差，产生压差阻力，其中头车和尾车的压力波动幅值较大，中间车仅在车辆连接部位处出现小幅波动。

图7 高速列车纵剖面压力系数分布

列车各节车压差阻力和摩擦阻力系数分布、各节车占总气动阻力系数的百分比见图8，头车和尾车气动阻力对列车总气动阻力贡献最大，其中尾车略大于头车，中间车气动阻力相差不大。头车和尾车压差阻力相差不大，均大于中间车。

图8 列车各节车压差阻力和摩擦阻力系数分布及各节车占总气动阻力系数的百分比

总之，高速列车边界层引起的摩擦阻力占总气动阻力的50%左右，通过边界层控制减阻具有很大的应用潜力。其中头车部位边界层速度梯度大，顶部过渡有分离产生，是边界层控制减阻的重点。各阻力系数和压力系数计算方法如下：

式中：Cx为阻力系数；Fx为空气阻力；ρ为空气密度，取1.225 kg/m3；V为动车组运行速度，m/s；S为参考面积（列车横截面积）；Cp为压力系数；p为压力；p∞为来流压力（标准大气压101 325 Pa）。

3 头车减阻

为提高计算效率，采用3节编组列车进行数值仿真。列车头车抽吸气孔设置见图9，重点关注抽吸气效应对边界层分离及其引起的气动阻力系数变化的影响，没有考虑与抽吸气孔连接的空气流道影响以及抽吸气速度控制等问题。仿真模型中，抽吸气孔处设置为流量出口边界条件，通过改变出口流量数值改变抽吸气孔抽吸速度。抽吸速度分别为0.2U、0.4U、0.6U、0.8U及U（U为列车运行速度）时气动阻力系数变化情况见表1，列车头车、中间车、尾车、整车气动阻力系数随抽吸速度变化曲线见图10。

图9 列车头车抽吸气孔设置

表1 头车边界层分离点区域抽吸气时列车气动阻力系数变化

头车边界层分离点区域设置抽吸气孔仅对头车气动阻力系数产生较大影响，对中间车和尾车气动阻力系数影响不大。设置抽吸气孔后，列车头车气动阻力系数减小，中间车气动阻力系数略有减小，但减小幅度非常小，尾车气动阻力系数在抽吸速度小时略有减小，但当抽吸速度增大到某一数值时有非常小幅度的增阻，中间车和尾车的气动阻力系数变化和头车变化相比可忽略不计；随着抽吸速度的增大，列车头车减阻率基本呈线性增大，而中间车和尾车的减阻率则变化不大，因此整车减阻率也随着抽吸速度的增大而增大，当抽吸速度达到U时，头车减阻率高达14%，整车减阻率达6%，减阻效果明显。

图10 气动阻力系数随抽吸速度变化曲线

4 尾车减阻

对列车尾车边界层分离点区域布置了类似头车的抽吸气孔，计算条件与头车相同。抽吸气前、后列车中心纵向剖面速度及边界层分布见图11，抽吸气前、后流场的主要区别在于抽吸气孔位置附近边界层明显变薄，最薄处厚度为0，压力分布也发生变化，引起阻力发生变化。尾车分离点区域抽吸气时列车气动阻力系数变化见表2，列车头车、中间车、尾车、整车气动阻力系数随抽吸速度变化曲线见图12。

尾车边界层分离点区域设置抽吸气孔仅对尾车气动阻力系数产生较大影响，尾车阻力显著减小，对头车和中间车气动阻力系数影响不大；随着抽吸速度的增大，列车尾车和整车减阻率基本呈线性增大，当抽吸速度达到U时，尾车减阻率高达13%，整车减阻率达5%，减阻效果明显。

表2 尾车边界层分离点区域抽吸气时列车气动阻力系数变化

图11 列车中心纵向剖面速度及边界层分布

5 结论

采用精细化数值模拟研究了高速列车边界层发展、分离特性及其对阻力分布的影响，进而提出列车头车和尾车分离区抽吸气边界层控制减阻方案，得到以下重要结论：边界层引起的摩擦阻力占总气动阻力的50%左右，通过边界层控制减阻具有很大的应用潜力；头车边界层分离点区域设置抽吸气孔后，列车头车气动阻力系数减小，中间车和尾车的气动阻力系数变化较小；尾车边界层分离点区域设置抽吸气孔后，列车尾车气动阻力系数减小，头车和中间车气动阻力系数变化不大；下一步可重点针对转向架区域、车端连接区域等边界层分离区开展流场结构研究，提出创新性流动控制减阻方案。

图12 气动阻力系数随抽吸速度变化曲线