高速列车空气阻力与气动噪声数值模拟研究

李科信

（大连交通大学电气信息工程学院，辽宁 大连 116000）

列车空气阻力与气动噪声的大小与列车的运行速度关联很大，在运行速度达到300km/h 后，其气动噪声与列车速度的6次方成正比，空气阻力与速度的二次方成正比[1]。列车处于高速运行时，空气阻力与气动噪声会对行车安全及舒适性产生极大影响[2-3]，对其进行数值模拟分析就显得尤为重要。文献[4]等通过风洞试验得出高速列车的运行阻力中空气阻力占主要成分;文献[5]采用数值模拟方法，研究了高速列车隧道会车的空气阻力分布特性;文献[6]运用流体动力学数值仿真软件Fluent 分析真空管条件下，不同阻塞比和速度对列车空气阻力的影响规律；文献[7]指出当列车运行速度超过300km/h 时，气动噪声成为其主要噪声来源；文献[8]分别从实车实验、风洞试验和数值模拟方法三个方面对高速列车的气动噪声进行研究，并提出随着运行速度的提高，气动噪声逐渐成为高速列车的主要噪声源。

目前我国高铁的运行速度已超过300km/h，其空气阻力与气动噪声随速度变高急剧增大。本文对列车运行速度为350km/h 时的空气阻力与气动噪声分布特性进行了数值模拟分析。

1 空气阻力与气动噪声分析原理

1.1 空气阻力分析原理

空气阻力是列车在空气介质中行驶，列车相对于空气运动时空气作用力在行驶方向形成的分力，其存在制约着列车的速度，并对列车的平稳性造成影响。如果空气阻力占列车行驶阻力的比率很大，则会增加列车燃油消耗量或严重影响列车的动力性能。空气阻力的公式为：

其中，C 为空气阻力系数，该值通常是实验值，和物体的特征面积（迎风面积），物体光滑程度和整体形状有关；ρ 为空气密度，正常的干燥空气可取1.293g/L，特殊条件下可以实地监测；S 物体迎风面积；V 为物体与空气的相对运动速度。由此可知，空气阻力的大小与列车的速度，所处的环境压强以及迎风面积均有关系，故本文利用流体力学仿真软件FLUENT，分析列车在同一速度下，处于不同大气压与阻塞比时的空气阻力分布特性，并研究其规律，为后续优化列车外形提供理论基础。

1.2 气动噪声分析原理

高速列车气动噪声计算步骤如下：

步骤1，采用k-ε 湍流模型对高速列车进行稳态分析；

步骤2，将稳态分析的计算结果作为初始条件，使用LES 模型进行瞬态湍流计算；

步骤3，将步骤2 中瞬态LES 模型转换为新的FW-H 模型，将步骤2 的计算结果作为初始条件进行计算，得出列车表面压力图。

标准k-ε 模型的控制方程为：

LES 的控制方程为N-S 方程，通过其过滤掉小漩涡，得到大漩涡的动量方程为：

其中，G 为决定过滤尺寸的函数。

本文的亚格子模型选用Smagorinsky 模式，其涡粘度表达式为：

其中，d 为到壁面的最短距离，Cs为Smagorinsky 常数，一般取0.1，V 为计算单元的体积。FW-H 方程考虑了运动边界对流体运动的影响，其表达式为：

其中，δ（f）为Dirac 函数，H(f)为Heaviside 函数，vn为固体边界法线方向速度。

2 列车物理模型与仿真

2.1 列车计算域

在实际运行中的列车，它的形状、尺寸、流线型等很多参数的设计是非常繁琐的，需要考虑很多实际的运行条件，而且一般实际运行中的列车全长基本可以达到200m 左右。在仿真建模的过程中，如果完全按照实际情况，考虑到列车的每一个细节，计算量过大，现有的分析计算能力难以做到，而且考虑很多小的细节在进行流体分析的过程中其实并没有多大的意义，很多小的细节对列车周围流场的分布基本没有什么影响。综合这些因素，在建模的过程，对流场分布影响不大的部分和流场分布状态基本一致的部分要进行必要的简化，如列车中间车的流体分布状态基本一致，因此可以只考虑一节中间车的流体状态来近似代替所有中间车的流体状态。

综上所述，本文仅选用三节车体，即车头、中间车和车尾建模。列车长度为79m，高度为3.7m，宽3.38m，管道总长为525m，管道入口距离车头的距离为150m，网格数为34892。

2.2 列车空气阻力仿真分析

为研究不同大气压下，高速列车的气动特性，本文采用真空管模型，设定列车行驶速度为350km/h，当阻塞比分别为0.2，0.25，0.3，0.5，气压从0.1atm 变化到0.5atm 时，列车受到的空气阻力如图1 所示。

图1 不同阻塞比下的气动阻力

由图1 可以看出，在同一运行速度、同一气压条件下，空气阻力与管道阻塞比成正比。当阻塞比增大时，空气阻力也随之增大。但当管道的阻塞比较小时，虽然列车空气阻力也会随着阻塞比的增大而增大，但变化的幅度并不明显。

由图1 还可以看出，在不同的气压条件下，空气阻力与阻塞比的正比关系并不会发生变化，但增长的幅度会受到气压条件的影响。当气压比较小时，阻塞比变化，列车气动阻力的变化幅度并不明显。因此我们可以得到结论，当管道内气压较低时，可以有效减小气压波动，列车运行会更加稳定。

3 列车气动噪声仿真分析

设定列车的运行速度为350km/h，侧风为30m/s，由于列车周围气动噪声是列车表面压力的变化造成的，于是我们可以在列车上设立观测点并进行瞬态分析，然后通过FFT 转换，将时域脉动压力变为频域脉动压力。转变后的频域脉动压力图如图2 所示。

图2 列车频域脉动压力图

由图2 可以看出，选取的三个观测点的脉动压力分布规律大致一样，随着频率的增加，三处的脉动压力均呈现下降趋势。其中，头车的脉动压力最大，尾车次之，中间车最小，这与列车车体表面的曲率有关，曲率变化大，则脉动压力大，尾车脉动压力小于头车是因为能量的耗散。

4 结论

本文采用真空管对空气阻力进行计算，分析了不同阻塞比下列车空气阻力的特性。采用标准k-ε 模型和LES 方法进行稳态和瞬态计算，分析了列车车身脉动压力的频域特性。得出如下结论：

（1）列车速度，气压一定时，空气阻力的大小与阻塞比成正比，当阻塞比较小时，随气压的增大，空气阻力变化不明显。

（2）列车速度，阻塞比一定时，空气阻力的大小与气压成正比，列车周围空气流速分布规律基本相同。

（3）从列车车身频域脉动压力分布可以看出，列车车身脉动压力的变化规律基本一致，随着频率的增加，脉动压力逐渐变小。