城市轨道列车气动性能优化研究

2021-02-25于淼刘明杨耿亚彬苗秀娟

铁道科学与工程学报 2021年1期

于淼，刘明杨，耿亚彬，苗秀娟

城市轨道列车气动性能优化研究

于淼1，刘明杨3，耿亚彬2，苗秀娟4

(1. 中车唐山机车车辆有限公司技术研究中心，河北唐山 063000；2. 中车唐山机车车辆有限公司产品研发中心，河北唐山 063000；3. 中南大学轨道交通安全教育部重点实验室，湖南长沙 410075；4. 工程车辆安全设计与可靠性技术湖南省重点实验室，湖南长沙 410075)

为研究城市轨道列车气动特性以及底部部件对列车气动特性的影响，针对三节车模型进行简化，保有底部部件较高完整性，采用Realizable−湍流模型预测列车周围流场。数值计算结果表明：列车气动阻力分布呈现出尾车阻力最大，占三节车总阻力的48%；中间车阻力最小，占总阻力的14%。其中转向架分别占头车、中间车和尾车总阻力的15.1%，56.4%和23.0%。车底设备分别占头车、中间车和尾车总阻力10.5%，10.3%和8.6%。因此对于头车、尾车采取减阻方案首先是采用流线型头型的方式减少流动分离现象。对于中间车减阻方法则要首先针对底部部件，采取密封舱的方式减少其产生的压差阻力。通过优化列车头型发现列车气动特性得到明显的改善，其中列车头车、中间车和尾车阻力分别为原始情况下的61.4%，70.1%和58.3%。在流线型外形基础上进一步稳定列车底部区域流场也有效改善了底部区域部件气动特性。

列车空气动力学；城市轨道列车；气动优化；转向架

随着中国轨道交通的快速发展，城市轨道列车在多地多线路多班次的运营。城市轨道列车比较于公路交通具有高安全性、高舒适性和大载客量等优势[1]。城市轨道列车的运行速度介于地铁列车与高速列车之间，当城市轨道列车运行速度达160 km/h时，气动阻力将在列车运行总阻力中占主导地位，达50%以上[2]。降低城市轨道列车运行时所受的气动阻力将会有效节约能源。因此对城市轨道列车气动性能分析必不可少，这将对列车气动优化提供基础。目前，国外内针对列车气动特性的研究主要以高速列车为主，并且分为数值仿真与风洞试验2种主要方式。Raghunathan等[3]通过多种手段阐述了高速列车空气动力学问题并提供了相关的方案改良列车气动性能。Rezvani等[4]通过数值模拟的方法研究高速列车在横风条件下的稳定性，并证明了−湍流模型在研究列车气动问题上的可行性。Muld等[5−6]通过改进的延迟分离涡(IDDES)方法研究了高速列车流场结构的问题。采用数值仿真方法可以提高效率并且能够观察列车流场细微结构，从而提出改进措施。但城市轨道列车与高速列车在运行速度和结构等方面存在不同，所以高速列车的研究并不能完全适用于城市轨道列车。近年来，国内学者也初步开展了关于城市轨道列车气动特性的研究。李文化等[6]通过数值模拟的方法对城际列车通过隧道时的阻力和噪声进行了分析，但对城市轨道列车细化到转向架和车底设备等部件的研究不充分。本文针对城市轨道列车，采用数值模拟方法对列车车体和底部部件进行列车气动特性细化分析，并根据分析提出有效的气动优化方案。

1 数值仿真

1.1 几何模型

由于城市轨道列车中间车具有一定的相似性，所以采用头车、中间车和尾车的三节车编组方式能够较为完整的显示城市轨道列车的气动特性，并在一定程度上简化计算和提高计算效率[2, 7−8]。为此本文将采用三节车编组模型进行数值仿真计算，如图1所示。

图1 计算模型

1.2 计算区域与边界条件

数值模拟所用计算区域如图2所示。ABCD边界为速度入口，入口流速根据车速44.44 m/s而定，因此给定向均匀速度44.44 m/s；EFHG边界为压力出口，出口压力设置为0 Pa；数值仿真利用相对运动特性，采用列车静止，气流运动的方式来模拟列车运动状态，CGHD边界与轨道均设置为移动地面，滑移速度与列车运行速度相同；其余边界设置为对称平面以模拟列车运行时四周无阻碍的情况。

图2 计算域

1.3 计算网格

在本文中，运用Open FOAM 5.0中的Snappy Hex Mesh网格离散工具以六面体网格为主的混合网格进行离散，车体物面网格长和宽均为30 mm，转向架、车体底部设备网格长宽均为15 mm。车体、底部设备边界层为10层，转向架边界层为6层。车体平均+为100，底部设备平均+为150，均处于本文使用的Realizable−湍流模型的允许范围，保证了计算结果的准确性。整个计算网格的单元数约为1 900万个，列车周围网格如图3所示。

图3 计算网格

1.4 数值计算方法

城市轨道列车运行速度为44.44 m/s，属于不可压缩流动速度范围。并且列车外形属于细长体加上本身的复杂结构使得与列车相关的流动现象大都为湍流现象，Realizable−双方程湍流模型能够很好的捕捉列车周围的流动分离现象以及细小流场结构，并且多位学者通过此湍流模型计算列车周围流场并验证了湍流模型的正确性[9−11]，因此本文采用此模型加入不可压缩的Navier-Stokes方程求解使方程组闭合。在本文中，使用商业软件STAR-CCM+采用二阶隐式的时间离散格式，并采用二阶迎风格式对空气相进行非定常计算。数值计算所设时间步长为2×10−4s，保证99%的计算单元库朗数小于1。

2 数值计算结果

2.1 压力场分析

为探究城市轨道列车气动特性，首先分析列车表面压力分布。由于列车头型为钝头型，车头处流动分离现象较流线型车头更明显，气流直接冲击更为严重，因此车头迎风面存在大面积的高压区域，列车表面压力分布如图4所示。由于非流线型车头没有过渡结构使得流动分离现象在列车头车处出现，由于明显的流动分离现象会产生大的速度差而产生压差阻力，这是阻力产生的主要原因。尾车头部顶端迎风侧存在类似台阶结构受到气流直接冲击导致这一区域压力突变出现较大正压区域，较大的动压使得此区域的阻力大幅提高。

图4 列车车体表面压力分布

气流在冲击列车头部之后，部分气流进入列车转向架区域。转向架表面压力分布如图5所示。由于气流刚进入转向架区域时流速较高，流速差导致转向架1大部分区域处于负压区。转向架2前端出现正压区，将会增加列车阻力。转向架2至转向架5压力分布相似，转向架6对比转向架2至转向架5主要区别在于其前端正压力区域幅值与面积都大于前几台转向架，后端区域存于负压状态，因此也将产生最大的压差，从而在转向架中对列车贡献最多的阻力。

车体底部设备存在气缸、蓄电池等重要部件，频繁的压力波动可能导致疲劳失效情况，所以需要对车体底部设备进行压力分布分析。设备1迎风面受较高速气流冲击，使得其迎风面有幅值较高的正压区域，列车底部设备表面压力如图6所示，这就将导致设备1出现较大的压差不利于列车的减阻目的，减少迎风面积与流动分离现象避免背风面的涡流现象的产生将是优化气动性能的首选方案。设备2区域总体流速较头车尾车降低，因此产生较小的压差，这一区域气动优化优先级最低。设备3处同设备1相似，这一区域流速加快，使得正负压力幅值提高，将会产生较大的压差阻力，采用的优化方案也同设备1处相同。

图5 转向架表面压力分布

图6 列车底部设备表面压力

2.2 速度场分析

本小节主要讨论分析列车周围流场结构以及速度云图，以此讨论列车气动特性。图7～9显示了列车中间线截面列车周围流场结构以及速度云图，其中time−averageinf,time-average为列车周围时均流速，其中时均流速是在流场收敛稳定后的时刻到计算结束时刻做流速各分量的时间平均，inf为速度入口速度幅值。

头车周围流场如图7所示。头部顶端速度较高，越过顶端后出现台阶结构产生涡流，严重恶化列车气动性能。底部区域由于车头与转向架1之间存在较大间隙，气流在越过车头后在转向架1区域出现较大的低速涡流区。底部设备之间以及底部设备与车体之间也存在较大间隙，气流运动到间隙时出现紊乱现象，这些紊乱现象将会恶化列车气动性能。

图7 头车周围流场

图8 中间车周围流场

图9 尾车周围流场

中间顶部流场平顺，车底部流速总体低于头车处，中间车周围流场如图8所示。转向架3和转向架4区域表现出转向架前端上部区域有较高速气流，这一区域会产生较大速度差，可在此区域前端引导气流向下运动以此改善转向架的气动特性。

图9显示尾车顶部流场也较为平顺，气流至尾车头部时受头型影响发生严重的分离，使整个头部区域处于低速区并有大量涡流出现，恶化列车气动特性。缓解流动分离现象可有效改善此情况。尾车底部区域流速加快，底部部件将受到高速气流影响，气动特性较中间车比也会更差。底部设备区域明显出现大涡流区域，而转向架区域大涡流区域不明显。

2.3 阻力分析

中间车阻力最小，占据列车总阻力的14%，阻力系数为0.129。中间车车体过渡光滑因此其所产生的阻力也就较小。中间车底部设备所受阻力占总阻力的10%。转向架3与转向架4占据中间车总阻力的56.4%，并且后端转向架(转向架4)产生阻力大于前端转向架(转向架3)，因此改善转向架气动特性在中间车中优先级较高。

尾车阻力占据列车总阻力的48%，为3车之中最大，阻力系数为0.451；尾车阻力分布趋势与头车阻力分布相似，并呈现尾车较头车来说阻力总体更大。对于尾车底部设备，尾车中转向架产生的阻力大于底部设备所产生的阻力，2个转向架占据了尾车总阻力的23.0%。并且车体底部设备阻力也是3车之中底部设备最大值。尾车阻力即表现出各项阻力均为3车之中最大，因此针对尾车的气动特性优化优先级最高。

表1 列车阻力分布

表2 列车阻力系数

3 气动外形优化方案及分析

针对钝头型车头阻力过大，流动分离现象明显以及列车底部设备周围空隙过大较易产生涡流现象增加列车所受阻力等问题，本节提出2种列车气动特性优化方案。首先对钝头车型进行优化改进为流线型方案，如图10(a)所示，基于流线型车头方案上再提出针对列车底部区域的优化方案，如图10(b)所示。

(a) 流线型头型优化方案(方案1)；(b) 底部区域优化方案(方案2)

表3 列车阻力分布对比

采用相同的数值方法对优化方案进行数值计算。通过将列车头型改进为流线型，能够很大程度上减少列车车体所产生的阻力，计算结果如表3所示。优化方案1下的头车、尾车车体分别为原始方案的58.2%，75.4%。头车与尾车因为直接受改进流线型的影响，缓解了列车头部的流动分离现象从而阻力大幅下降。采用流线型头型后对列车底部设备阻力影响不一，这是由于底部复杂流场所导致的。呈现出头车转向架阻力变化不大，其余设备阻力均有减小。

在现有优化流线型头型的基础上对底部区域进行优化，结果表明底部设备由原来的产生阻力在气动优化后能够产生负向的阻力即提供“动力”。相比较于优化方案1，头车和中间车转向架呈现阻力增加的趋势这是由于底部设备优化后列车底部流场流速加快导致的。优化方案2对于列车车体的阻力产生的影响不大。优化方案2下，头车、中间车和尾车底部区域部件产生阻力分别为原始方案的61.4%，70.1%和58.3%。优化方案2在优化方案1的基础上改进了列车底部区域的气动特性并且保有了优化方案1对列车车体气动特性改进的优势。

4 结论

1) 对于城市轨道列车，由于列车头部直接受气流冲击并且流动分离现象明显，产生较大压差阻力。中间车受气流直接冲击较少，正负压区域幅值不大，产生阻力较小；尾车头部出现明显流动分离现象，并且头部迎风面受气流直接冲击，造成尾车是3车之中贡献阻力最大者。

2) 气流经过列车头部产生流动分离后车体底部区域流速下降，由于底部部件之间存在较大间隙使得部件与部件之间出现较多低速涡流影响列车气动特性。整体呈现出头尾车底部区域流速较快，中间车底部区域流速较慢，因此头车尾车更易出现较大压差阻力。

3) 通过优化列车头部外形，使列车阻力相比较于原始情况得到改善。其中头车阻力、中间车阻力和尾车阻力分别为原来的61.4%，70.1%和58.3%。在流线型车头基础上进一步优化使得头车、中间车和尾车底部区域部件产生阻力为优化流线型后的78.0%，81.3%和67.9%。

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A study of aerodynamic optimization of city rail train

YU Miao1, LIU Mingyang3, GENG Yabin2, MIAO Xiujuan4

(1. Technology Research Center, CRRC Tangshan Railway Vehicle Co., Ltd., Tangshan 063000, China;2. Product Development Center, CRRC Tangshan Railway Vehicle Co., Ltd., Tangshan 063000, China;3. Key Laboratory of Traffic Safety on Track (Central South University), Ministry of Education, Changsha 410075, China;4. Hunan Province Key Laboratory of Safety Design and Reliability Technology for Engineering Vehicle, Changsha 410075, China)

In order to study the aerodynamic characteristics of city rail trains and the influence of bottom components on the aerodynamic characteristics of trains, the three-car model was simplified with high integrity of the bottom components. The Realizable−turbulence model was applied to predict the flow field around train. The numerical results show that the tail car has the maximum aerodynamic drag, accounting for 48% of the total drag of the three cars. The middle car has minimum aerodynamic drag, accounting for 14% of the total drag. The aerodynamic drag of bogies account for 15.1%, 56.4% and 23.0% of the aerodynamic drag of head, middle and tail car, respectively. The aerodynamic drag of the components at the bottom account for 10.5%, 10.3% and 8.6% of the aerodynamic drag of head, middle and tail car, respectively. Hence, the streamlined train should be selected to be the plan of anti-drag to restrain flow separation. For the way of anti-drag for middle car, the bottom components should be considered firstly. The application of sealed cavity could reduce the pressure differential drag of components. The train aerodynamic characteristics have been significantly improved after optimizing the shape of train. The aerodynamic drag of head, middle and tail car are 61.4%, 70.1%, and 58.3% of the original situation, respectively. Stabling the flow field of bottom region of train could improve the aerodynamic characteristics of bottom components based on the optimization of train.

train aerodynamics; city rail train; aerodynamic optimization; bogie