黃學輝

?

轉向架對高速列車氣動性能的影響

黃學輝

（東方電氣集團國際合作有限公司 成都 611731)

隨著列車速度不斷提高，轉向架對整車氣動阻力的影響越來越大，也是研究輪軌關系及地面效應的基礎。采用數(shù)值計算方法對有無轉向架列車不同運行速度和橫風風速下的氣動特性進行了數(shù)值計算，研究了轉向架對列車氣動特性的影響。研究結果表明：當無橫風時，有無轉向架列車受到的氣動阻力和升力均近似與列車運行速度的平方成正比，而轉向架受到的空氣阻力約占總阻力的25%，且隨著列車速度的增加而增加，但增加幅度較?。粰M風對列車的氣動阻力、氣動升力、側向力影響都很大，且相同橫風下，考慮轉向架時列車的氣動阻力約為不考慮時的1.7倍。

高速列車；氣動特性；數(shù)值計算；轉向架

0 引言

隨著列車速度的不斷提高，空氣對高速列車產生氣動作用的影響越來越大，而列車運動引起的氣流流動也嚴重的影響了沿線周邊環(huán)境[1]。同時列車速度的提高加劇了輪軌間作用力，運行能耗增加，這些均對車輛設計及運行控制提出了更高的要求。而以往建模時常被忽略的轉向架，影響的不僅是列車的氣動性能，同時也是輪軌關系及地面效應研究的基礎。因此，以往過多簡化模型計算得到的結果越來越不能滿足現(xiàn)代高速列車的設計及運行控制要求。近幾年國內外學者圍繞列車空氣動力學效應進行了較多的風洞試驗和數(shù)值計算，但一般忽略了受電弓、轉向架及風擋等局部結構，所采用的計算模型往往將列車底部簡化為一個平板，文獻[2]中通過比較分析給出了轉向架阻力大約占總阻力的30%的估計數(shù)據(jù)。此后，北京交通大學郗艷紅[3,4]以考慮真實列車為研究對象，采用數(shù)值計算研究了橫風空氣動力學效應和橫風作用下的輪軌動力學特性，該分析并沒有對比研究轉向架對氣動效應影響作用。西南交通大學鄭循皓[5,6]詳細研究了轉向架區(qū)域形狀對列車氣動阻力性能的影響，表明轉向架阻力占整車阻力比例較大且轉向架對橫風性能的影響比較大。此外，國內外學者還研究了列車底部裙板對整車氣動性能的影響[7,8]。

本文正是在以往研究的基礎上，建立更為詳細的計算模型，采用數(shù)值計算方法研究了列車周圍的流場分布特性及轉向架對列車氣動特性的影響，一方面為車輛設計及運行控制提供更為準確的氣動數(shù)據(jù)，另一方面也為進一步深入研究輪軌間熱應力及地面效應的影響奠定了基礎。

1 幾何模型

真實的高速列車外形復雜，長細比非常大，要完全模擬列車外流場的三維繞流，對計算時間、計算機容量都難以接受，也沒有必要。因此，本文對列車計算幾何模型做了適當簡化，不考慮車頭燈、門把手、受電弓等突出物，即將列車表面簡化成一光滑的幾何體，列車頭部外形如圖1所示。本文所采用的計算模型整車由兩動力車和一中間車拖車組成，其中動力車長20500 mm（含車頭蓋），拖車長度25500 mm，整個模型的長度共67300 mm。由于列車中間車截面基本保持不變，因此縮短的編組形式并不會改變列車周圍流場的基本特征[9]。

圖1 列車頭部流線型外形

2 計算區(qū)域及網格劃分

高速列車對周圍空氣的擾動隨著列車的離開距離的增大而減小，理論上列車對周圍氣體的影響范圍是無限遠的。但根據(jù)現(xiàn)有的條件，計算必須在有限的區(qū)域內進行。因此，計算中通常以不影響車體附近的流體流動為限來確定計算域的邊界。參照以往高速列車計算域的選取，本文計算域的邊界取距車體5倍車寬以上。其中，不考慮橫風時，列車側面和頂部的計算域距車體15.5 m，計算域入口距車頭31.0 m，出口距車尾62.0 m?？紤]到車體的對稱性，只選取列車一半進行計算。當考慮到橫風時，計算域的入口和頂部不變，而上風向距車體30.0 m，下風向和出口方向距車體為60.0 m，此時計算模型需全車計算。本文利用ANSYS劃分結構化網格，其實體與網格如圖2所示。然后將網格導入STAR-CD中進行流場和氣動力計算[10]。有、無轉向架計算模型中的列車表面網格如圖3所示。

（a）幾何結構

（b）離散網格

圖2 計算區(qū)域

Fig.2 Computation domain

（a）不考慮轉向架

（b）考慮轉向架

圖3 列車表面計算網格

Fig.3 Computation mesh of train nose

3 無橫風時列車氣動力性能

3.1 列車表面壓力分布

高速運行的列車，由于車頭的擠壓、車身的摩擦以及車尾的吸引，在車體附近產生了高速的列車風。列車風繞流列車，引起列車表面壓力分布的劇烈變化，不僅增加了列車的運行阻力，同時也對車體各部分的密封性及強烈的設計提出了不同的要求。圖4和圖5分別顯示了有、無轉向架的列車頭部和尾部的表面壓力分布。

（a）頭部

（b）尾部

圖4 350 km/h無轉向架列車表面壓力分布

Fig.4 Pressure distribution of the train surface without bogie at 350 km/h

（a）頭部

（b）尾部

圖5 350 km/h有轉向架列車表面壓力分布

Fig.5 Pressure distribution of the train surface with bogie at 350 km/h

從圖4可以看出，在列車的正前方，空氣受到擠壓最嚴重，且最大正壓力出現(xiàn)在車頭的最前點，表明該點為滯止點。隨著氣流繞流車體，空氣流速逐漸增加，壓力隨之逐漸降低，直到列車頭部最大截面處時，氣流速度達到最大，壓力降至最低，此時，在列車頭部便形成了負壓區(qū)，即產生了流動分離；對于車身，由于空氣的摩擦作用，在列車表面形成了薄的邊界層，其中靠近車體的氣體以與列車相等的速度運動，并在邊界層內速度降至與外界未受干擾狀態(tài)一致，車身表面呈現(xiàn)微弱的負壓狀態(tài)；而在車尾，列車將對周邊空氣產生吸引作用，同樣是在列車尾部最大截面處，由于產生流動分離，又一次形成負壓區(qū)。

由圖5可看出，考慮轉向架時列車表面壓力分布與不考慮時基本一致，即最大壓力出現(xiàn)在列車正前方的滯止點處，最大截面處同樣出現(xiàn)了分流；列車尾部產生吸引，形成負壓。但在列車轉向架的部位壓力分布有明顯的不同，不存在轉向架時，列車下部流場比較具有規(guī)律，壓力分布也是均勻過渡；而當考慮轉向架時，其所處位置恰好改變了列車下部及周圍的流場，從而也改變了周圍作用在列車上氣流的分布規(guī)律，使列車整體壓力增加，壓力變化范圍增大。

3.2 氣動阻力

不同速度下高速列車的氣動阻力具體參見表1，表中分別給出了不含轉向架列車的整車氣動阻力和阻力系數(shù)，以及考慮轉向架時車體氣動阻力、轉向架氣動阻力及轉向架所占百分比。由表1可以看出轉向架對整車空氣阻力的影響，即轉向架受到的空氣阻力約占總阻力的25%，且這個比例隨著列車速度的增加略有增大，但增加幅度很小。

表1 高速列車不同速度下氣動阻力

對比有無轉向架時整車的氣動阻力計算結果可以看出帶轉向架的列車總阻力稍大于無轉向架時列車的空氣阻力，阻力系數(shù)約為0.475。因此，表明帶轉向架時列車的氣動阻力系數(shù)有所增加，但增加的幅度很小。其主要是由于轉向架改變了車底的氣流流動特性，使得原本作用于車身的氣動力轉為作用在轉向架上。有轉向架時，車身的阻力減小，但增加了轉向架的氣動阻力；無轉向架時，沒有轉向架的阻力，卻增加了車身的氣動阻力。因而，對于現(xiàn)代高速列車考慮整車的氣動阻力時，是否考慮轉向架其結果影響不大。

以上分析結果表明有無轉向架對整車的氣動阻力影響不大，但實際上，車底的氣流流動與實際有很大差別，特別是需要進行車輪熱應力分析時，必需建立完整轉向架的計算模型才能更為準確地再現(xiàn)車底流動特性，以便準確地進行輪軌傳熱分析。

4 橫風時列車氣動力性能

4.1 氣動阻力

當列車速度分別為300 km/h和350 km/h、不同橫風風速下高速列車受到的氣動阻力見表2。為了與無橫風情況進行比較，表中給出了橫風速度為0時氣動阻力的計算結果。由表中計算結果可以看出，橫風的存在增加了列車的氣動阻力。因此，可以看出，橫風的存在改變了列車與風度之間的作用角度，使列車周圍的流場發(fā)生變化，從而增加了列車的氣動阻力。

考慮轉向架時列車氣動阻力的計算結果如表2所示，表中分別給出了不同橫風風速下列車各部分受到的氣動阻力，為了比較橫風對列車氣動阻力的影響，也列出了風速為0 m/s時的氣動阻力。通過比較可以看出，橫風的存在使列車的氣動阻力有很大增加，且列車的氣動阻力均隨著橫風風速與列車速度的增加而增加。列車在恒定速度時，隨橫風風速的增加，列車氣動阻力增加的幅值逐漸減小。另外，整車的氣動阻力與不考慮轉向架時相比可以看出，在有橫風的情況，列車的氣動阻力比無轉向架時大很多，可見橫風對列車的氣動阻力影響較大。

表2 不同橫風下高速列車時氣動阻力

4.2 氣動升力和側向力

不同橫風下列車氣動升力與側向力的計算結果見表3，可以看出，隨著橫風風速的增加列車的氣動升力也隨之增大，300 km/h時增加了近9倍，而在350 km/h時增加了近7倍。因此列車在低速運行時氣動升力增加的幅值比高速運行時要大，而且與氣動阻力相比，橫風對氣動升力的影響更大。同樣，對于側向力，隨著橫風風速的增加也隨之增加，但通過比較可以看出，在相同的橫風速度時，側向力隨著列車速度的增大而增加，列車的運行速度越高，側向力越大，即列車在高速運行時側向力增加的幅值比低速時大。因此，隨著今后列車運行速度的不斷提高，研究高速列車橫風下穩(wěn)定性時，必須考慮列車速度的影響。

表3 橫風下高速列車氣動升力與側向力

列車的氣動升力與側向力計算結果見表3，可以看出考慮轉向架后列車的垂向和側向的氣動性能規(guī)律類似，均是在恒定的列車速度時，隨橫風風速的增加而增加，且增大的梯度也越來越大；相同的橫風風速時，隨列車速度的增加而增加，但考慮轉向架時列車的氣動升力和側向力均比不考慮時大很多。因此，可以說明在橫風存在的情況下，轉向架對列車的氣動升力和側向力影響更大。

5 結論

本文采用數(shù)值計算方法分別對有、無轉向架列車模型進行計算，得到了列車氣動特性以及周圍流場、壓力分布特性，比較分析了轉向架對列車氣動性能的影響。主要結論如下：

（1）在無橫風條件下，列車運行速度在200 km/h-350 km/h之間時，有、無轉向架列車的平均氣動阻力系數(shù)分別為0.475和0.468，而轉向架受到的空氣阻力約占總阻力的25%，且隨著列車速度的增加而增加，但增加幅度較?。?/p>

（2）無橫風條件下考慮轉向架時列車總阻力稍大于無轉向架時列車空氣阻力，表明轉向架對車體受到的總氣動阻力影響不大；

（3）橫風對列車的氣動阻力、氣動升力、側向力影響都很大，隨著橫風風速的增加而增加，且增大的梯度也越來越大。相同橫風下，考慮轉向架時列車的氣動阻力約為不考慮時的1.7倍。

[1] 李人憲,關永久,趙晶,等.高速鐵路隧道緩沖結構的氣動作用分析[J].西南交通大學學報,2012,47(2):175-180.

[2] A S Joseph.高速列車空氣動力學[J].力學進展,2003,33(3):404-423.

[3] 郗艷紅,毛軍,李明高,等.高速列車側風效應的數(shù)值模擬[J].北京交通大學學報,2010,34(1):14-19.

[4] 郗艷紅.橫風作用下的高速列車氣動特性及運行安全性研究[D].北京:北京交通大學,2012.

[5] 鄭循皓,張繼業(yè),張衛(wèi)華.高速列車轉向架空氣阻力的數(shù)值模擬[J].交通運輸工程學報,2011,11(2):45-51.

[6] 鄭循皓.轉向架對高速列車空氣動力學性能的影響研究[D].成都:西南交通大學,2012.

[7] SCH U LTE-WE RNING B. Research of European railway operators to reduce the environmental impact of high-speed trains [J].Proceeding s of the Institution of Mechanical Engineers, Part F:Journal of Rail and Rapid Transit, 2003,217(4):249-257.

[8] 楊志剛,高喆,陳羽,等.裙板安裝對高速列車氣動性能影響的數(shù)值分析[J].計算機輔助工程,2010,19(3):16-21.

[9] Khier W, Breuer M, Durst F.Flow Structure Around Trains Under Side wind Conditions: A Numerical Study[J].Computers & Fluids, 2000(29):179-195.

[10] 陳霖,畢海權,劉小霞,等.地鐵隧道火災臨界風速數(shù)值模擬分析[J].制冷與空調,2017,31(3):245-248.

Influence of Bogie on Aerodynamic Characteristics of High-speed Trains

Huang Xuehui

( Dongfang Electric International Co., Ltd, Chengdu, 611731 )

With the increase of train speed, bogie has great effect on the aerodynamic resistance of the whole train, and it is also the basis to study the relations of wheel/rail and the ground effect. In this paper, the numerical calculation method is used to study the influence of aerodynamic characteristics of train bogies, and calculate the aerodynamic characteristics of the train with and without bogies under the different speed of train and cross wind. The results show that: the aerodynamic resistance and lift of train which with and without bogies are all proportional to the square of train speed approximately. The resistance of bogie is about 25% of the whole train’s, and increase with the speed of train increase, but the increasing range is smaller. Cross wind has great effect for the aerodynamic resistance, aerodynamic lift and yawing force, and under the same condition of cross wind, the aerodynamic resistance with bogies is about 1.7 times to without.

High-speed train; Aerodynamics characteristics; Numerical calculation; Bogie

1671-6612（2018）04-445-06

A

U270.11

黃學輝（1981.10- ），男，碩士，工程師，E-mail：huangxuehui@decintl.net

2017-09-13