车钩开闭罩导流结构对高速列车气动特性的影响研究

车正鑫，陈明亮，林仁坤，吴京龙

（五邑大学 轨道交通学院，广东 江门 529020）

高速列车在运行过程中，头车作为列车的迎风面，是列车表面压力最大的区域，而列车尾流区由于涡的影响呈现负压[1]，列车前后会形成巨大的压差阻力，压差阻力对列车总阻力贡献明显，占总阻力75.3%[2].NIU等[3]指出，流线型长度直接影响尾部涡旋强度.此外，列车头部纵向轮廓线、头部水平轮廓线、鼻尖形状等外形因素直接影响列车的气动性能.文献[4-9]采用多种优化算法，对列车头部形状进行多参数耦合优化设计，优化结果的共性显示为纵向轮廓线过渡平缓且长度较大，头型截面面积沿长度方向的线性变化程度越高，减阻效果越明显.史永达等[10]指出，基于数值模拟方法，若考虑考虑开闭罩处的缝隙及其内部流场的影响，头车阻力系数相对增加6.6%，中间车及尾车受影响较小.何再前[11]设计和对比了变尖和变钝的车钩导流罩外形，指出具有变尖导流罩的动车组直线运行气动阻力较优，且比原型车减少2%.SUN等[12]结合遗传算法和网格自适应变形技术对列车进行优化减阻，实现 1.85%的列车减阻效果.许良中等[13]提出一种评估高速列车新型开闭罩安全稳定性的研究方法，发现在隧道内高速列车交会工况下，开闭罩承受的气动压力最大.此外，有学者对自动开闭罩和开闭罩的选材进行研究分析[14-17]，但目前对开闭罩处设置导流结构鲜有研究.

为了探索新的高速列车减阻方式，本文提出一种在列车的开闭罩处设置导流结构，将列车前端的气流通过导流管道引导至列车底部，即通过减小列车迎风面面积，达到减小列车阻力的目的，以期为列车减阻提供新的设计思路.

1 数学计算模型

1.1 几何模型

本文所用列车几何模型为简化后的CRH6型列车，忽略车门、车窗、受电弓等结构的影响，保留转向架以及空调盖板.图1给出列车计算模型，采用三车编组，从左往右依次是头车、中间车和尾车，共6个转向架，依次标序为转向架1～6.车长L=7 6.4m，车高H=4.2 m，车宽W=3.3 m.

图1 列车模型示意图

CRH6型列车采用的是Schaefenberg自动车钩，设置导流结构的位置避开中间车钩，即沿中线左右对称横移0.4m.导流结构空气入口长0.8m，宽0.3m，面积为0.48 m2.出口位于转向架前端墙，长0.5m，宽0.3m.按照入口的高度设置分为3种工况：无导流结构（工况1）、导流结构入口水平中线距轨面高1m（工况 2）和距轨面高0.9m（工况 3），具体模型如图2所示.

图2 原型车与导流结构示意图

1.2 网格划分及无关性分析

本文采用多面体网格技术对模型进行网格划分.为了保证计算结果的精确性，对头车、尾车和转向架区域进行网格加密处理.列车表面存在速度梯度变化，为了更加精确地模拟列车近壁面的压力变化情况，在近车体表面生成附面层网格，第一层网格尺寸为1.6 mm，增长因子设为1.3，总层数为10层.列车表面网格与附面层网格如图3所示.

图3 列车表面网格与附面层网格

考虑到网格尺寸对计算结果的影响，同时兼顾计算资源的合理运用，确定了3种网格划分方案（即细密网格、中等网格以及粗糙网格）并进行无关性验证，具体信息见表1.其中 D为网格基准值，D=1 mm.

表1 不同网格方案参数

在网格无关性验证中，分别对3种网格方案的列车所受气动阻力进行对比，且为了便于分析，用无量纲阻力系数Cd与升力系数Cf表示气动阻力与气动升力大小.

阻力系数：

升力系数：

其中，ρ为空气密度，取31.225km/m；U表示列车运行速度，取83.33 m/s；S1为列车最大纵向迎风面积，为1 1.5 m2；S2为列车垂向最大截面积，头车、尾车均为8 9.6 m2，中间车为8 2.9 m2.

图4给出了头车、中间车和尾车在不同网格的密度下所得气动阻力.可以看到，粗糙网格计算所得气动阻力偏小，而中等网格与细密网格的计算结果相差不大，体现了网格与计算结果的不相关性.结合计算资源合理运用原则，本文选中等网格进行数值模拟计算.

图4 不同网格密度气动阻力比较

1.3 边界条件设定

车外流场的数值模拟，需要具有一定大小的计算区域模拟列车周围的流场.如图5所示，速度入口距离头车50 m，为避免计算区域尾部边界对尾流的影响，计算区域的尾部端面应尽可能远离列车尾部，因此设置压力出口距离列车尾端250m，横向宽度为80 m，高度为50 m.速度入口的来流速度模拟列车实际速度，设为300 km/h.为了减小地面附面层的影响，将计算区域的底面设置为滑移壁面，滑移速度与列车运行速度相同.

图5 列车边界条件设置

2 计算结果分析

2.1 列车气动载荷分析

设定列车以300 km/h的运行速度在无横风条件下明线行驶，通过计算，得到各工况列车表面与转向架所受的气动阻力与气动升力.

1）气动阻力.图6给出了不同工况下三节车以及整车所受气动阻力对比情况.

图6 三节车与整车阻力对比

可以看到：在有导流结构的情况下，头车所受阻力分别减小1.63%和0.58%，中间车的阻力分别减小3.88%与4.66%，尾车所受的阻力相对无导流结构分别增加 0.29%和 0.92%.从整车所受阻力的角度分析，在有导流结构情况下，列车整车阻力相对无导流结构分别减小1.18%和1.02%.

为了方便分析，图7给出了列车各部件所受阻力占比图，可以看到，相对无导流结构，所受阻力均有减小.由于导流结构将列车前端的气流直接引导至列车底部，因此，转向架区域所受总阻力增加，分别增加9.42%与11.22%.

图7 列车各部件阻力占比

2）气动升力.列车所受升力是影响列车行驶安全的一项重要因素，升力减小则增加轮轨间摩擦力，升力过大则容易受横风的影响而使得列车侧翻.

图8给出了三节车以及整车所受升力的柱状图，其中数值正负分别表示力的方向为向上与向下.可以看出：有导流结构的情况下，列车头车所受升力均有所增加，分别增加11.51%与9.86%，中间车升力减小，而尾车升力均增大.且相比较于导流入口比较低的工况 3，工况 2的整体变化更为明显.从整车角度进行分析可以发现，工况 2的导流结构能够增加列车所受升力，增加率为9.64%，而工况3的导流结构对整车升力无明显影响.

图8 三节车与整车升力对比

2.2 列车流场特性分析

通过以上分析，可以发现不同工况下列车头车车体、尾车车体以及转向架区域的气动载荷变化较大，因此本节对该3个区域的压力云图进行流场特性分析.

图9为3种工况下列车头车和尾车的压力云图.可以看出，在头车区域的导流结构对列车表面的空气流动情况与压力分布影响较小，只减小了正压区面积；同样，尾车区域的导流结构对尾车表面压力分布影响较小.可见，有无导流结构对头车与尾车表面的压力分布无明显影响.

图9 头车与尾车压力云图

3 结论

为了探索新的高速列车减阻方式，本文采用数值模拟的方法研究了两种导流结构对列车气动特性的影响.结果表明，在有导流结构情况下，列车整车阻力相对无导流结构分别减小1.18%和1.02%；相对入口位置较高的导流结构能够增加列车所受升力，增加率为9.64%，相对位置较低的导流结构对整车升力无明显影响.本文主要是探索高速列车新的减阻思路，后期将考虑在开闭罩处设置主动吹吸气管道，进行流场主动控制方法在高速列车领域的减阻效果研究.