車(chē)鉤開(kāi)閉罩導(dǎo)流結(jié)構(gòu)對(duì)高速列車(chē)氣動(dòng)特性的影響研究

車(chē)正鑫，陳明亮，林仁坤，吳京龍

（五邑大學(xué) 軌道交通學(xué)院，廣東 江門(mén) 529020）

高速列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，頭車(chē)作為列車(chē)的迎風(fēng)面，是列車(chē)表面壓力最大的區(qū)域，而列車(chē)尾流區(qū)由于渦的影響呈現(xiàn)負(fù)壓[1]，列車(chē)前后會(huì)形成巨大的壓差阻力，壓差阻力對(duì)列車(chē)總阻力貢獻(xiàn)明顯，占總阻力75.3%[2].NIU等[3]指出，流線型長(zhǎng)度直接影響尾部渦旋強(qiáng)度.此外，列車(chē)頭部縱向輪廓線、頭部水平輪廓線、鼻尖形狀等外形因素直接影響列車(chē)的氣動(dòng)性能.文獻(xiàn)[4-9]采用多種優(yōu)化算法，對(duì)列車(chē)頭部形狀進(jìn)行多參數(shù)耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)果的共性顯示為縱向輪廓線過(guò)渡平緩且長(zhǎng)度較大，頭型截面面積沿長(zhǎng)度方向的線性變化程度越高，減阻效果越明顯.史永達(dá)等[10]指出，基于數(shù)值模擬方法，若考慮考慮開(kāi)閉罩處的縫隙及其內(nèi)部流場(chǎng)的影響，頭車(chē)阻力系數(shù)相對(duì)增加6.6%，中間車(chē)及尾車(chē)受影響較小.何再前[11]設(shè)計(jì)和對(duì)比了變尖和變鈍的車(chē)鉤導(dǎo)流罩外形，指出具有變尖導(dǎo)流罩的動(dòng)車(chē)組直線運(yùn)行氣動(dòng)阻力較優(yōu)，且比原型車(chē)減少2%.SUN等[12]結(jié)合遺傳算法和網(wǎng)格自適應(yīng)變形技術(shù)對(duì)列車(chē)進(jìn)行優(yōu)化減阻，實(shí)現(xiàn) 1.85%的列車(chē)減阻效果.許良中等[13]提出一種評(píng)估高速列車(chē)新型開(kāi)閉罩安全穩(wěn)定性的研究方法，發(fā)現(xiàn)在隧道內(nèi)高速列車(chē)交會(huì)工況下，開(kāi)閉罩承受的氣動(dòng)壓力最大.此外，有學(xué)者對(duì)自動(dòng)開(kāi)閉罩和開(kāi)閉罩的選材進(jìn)行研究分析[14-17]，但目前對(duì)開(kāi)閉罩處設(shè)置導(dǎo)流結(jié)構(gòu)鮮有研究.

為了探索新的高速列車(chē)減阻方式，本文提出一種在列車(chē)的開(kāi)閉罩處設(shè)置導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，將列車(chē)前端的氣流通過(guò)導(dǎo)流管道引導(dǎo)至列車(chē)底部，即通過(guò)減小列車(chē)迎風(fēng)面面積，達(dá)到減小列車(chē)阻力的目的，以期為列車(chē)減阻提供新的設(shè)計(jì)思路.

1 數(shù)學(xué)計(jì)算模型

1.1 幾何模型

本文所用列車(chē)幾何模型為簡(jiǎn)化后的CRH6型列車(chē)，忽略車(chē)門(mén)、車(chē)窗、受電弓等結(jié)構(gòu)的影響，保留轉(zhuǎn)向架以及空調(diào)蓋板.圖1給出列車(chē)計(jì)算模型，采用三車(chē)編組，從左往右依次是頭車(chē)、中間車(chē)和尾車(chē)，共6個(gè)轉(zhuǎn)向架，依次標(biāo)序?yàn)檗D(zhuǎn)向架1～6.車(chē)長(zhǎng)L=7 6.4m，車(chē)高H=4.2 m，車(chē)寬W=3.3 m.

圖1 列車(chē)模型示意圖

CRH6型列車(chē)采用的是Schaefenberg自動(dòng)車(chē)鉤，設(shè)置導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的位置避開(kāi)中間車(chē)鉤，即沿中線左右對(duì)稱(chēng)橫移0.4m.導(dǎo)流結(jié)構(gòu)空氣入口長(zhǎng)0.8m，寬0.3m，面積為0.48 m2.出口位于轉(zhuǎn)向架前端墻，長(zhǎng)0.5m，寬0.3m.按照入口的高度設(shè)置分為3種工況：無(wú)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)（工況1）、導(dǎo)流結(jié)構(gòu)入口水平中線距軌面高1m（工況 2）和距軌面高0.9m（工況 3），具體模型如圖2所示.

圖2 原型車(chē)與導(dǎo)流結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 網(wǎng)格劃分及無(wú)關(guān)性分析

本文采用多面體網(wǎng)格技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分.為了保證計(jì)算結(jié)果的精確性，對(duì)頭車(chē)、尾車(chē)和轉(zhuǎn)向架區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理.列車(chē)表面存在速度梯度變化，為了更加精確地模擬列車(chē)近壁面的壓力變化情況，在近車(chē)體表面生成附面層網(wǎng)格，第一層網(wǎng)格尺寸為1.6 mm，增長(zhǎng)因子設(shè)為1.3，總層數(shù)為10層.列車(chē)表面網(wǎng)格與附面層網(wǎng)格如圖3所示.

圖3 列車(chē)表面網(wǎng)格與附面層網(wǎng)格

考慮到網(wǎng)格尺寸對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，同時(shí)兼顧計(jì)算資源的合理運(yùn)用，確定了3種網(wǎng)格劃分方案（即細(xì)密網(wǎng)格、中等網(wǎng)格以及粗糙網(wǎng)格）并進(jìn)行無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，具體信息見(jiàn)表1.其中 D為網(wǎng)格基準(zhǔn)值，D=1 mm.

表1 不同網(wǎng)格方案參數(shù)

在網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證中，分別對(duì)3種網(wǎng)格方案的列車(chē)所受氣動(dòng)阻力進(jìn)行對(duì)比，且為了便于分析，用無(wú)量綱阻力系數(shù)Cd與升力系數(shù)Cf表示氣動(dòng)阻力與氣動(dòng)升力大小.

阻力系數(shù)：

升力系數(shù)：

其中，ρ為空氣密度，取31.225km/m；U表示列車(chē)運(yùn)行速度，取83.33 m/s；S1為列車(chē)最大縱向迎風(fēng)面積，為1 1.5 m2；S2為列車(chē)垂向最大截面積，頭車(chē)、尾車(chē)均為8 9.6 m2，中間車(chē)為8 2.9 m2.

圖4給出了頭車(chē)、中間車(chē)和尾車(chē)在不同網(wǎng)格的密度下所得氣動(dòng)阻力.可以看到，粗糙網(wǎng)格計(jì)算所得氣動(dòng)阻力偏小，而中等網(wǎng)格與細(xì)密網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果相差不大，體現(xiàn)了網(wǎng)格與計(jì)算結(jié)果的不相關(guān)性.結(jié)合計(jì)算資源合理運(yùn)用原則，本文選中等網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算.

圖4 不同網(wǎng)格密度氣動(dòng)阻力比較

1.3 邊界條件設(shè)定

車(chē)外流場(chǎng)的數(shù)值模擬，需要具有一定大小的計(jì)算區(qū)域模擬列車(chē)周?chē)牧鲌?chǎng).如圖5所示，速度入口距離頭車(chē)50 m，為避免計(jì)算區(qū)域尾部邊界對(duì)尾流的影響，計(jì)算區(qū)域的尾部端面應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離列車(chē)尾部，因此設(shè)置壓力出口距離列車(chē)尾端250m，橫向?qū)挾葹?0 m，高度為50 m.速度入口的來(lái)流速度模擬列車(chē)實(shí)際速度，設(shè)為300 km/h.為了減小地面附面層的影響，將計(jì)算區(qū)域的底面設(shè)置為滑移壁面，滑移速度與列車(chē)運(yùn)行速度相同.

圖5 列車(chē)邊界條件設(shè)置

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 列車(chē)氣動(dòng)載荷分析

設(shè)定列車(chē)以300 km/h的運(yùn)行速度在無(wú)橫風(fēng)條件下明線行駛，通過(guò)計(jì)算，得到各工況列車(chē)表面與轉(zhuǎn)向架所受的氣動(dòng)阻力與氣動(dòng)升力.

1）氣動(dòng)阻力.圖6給出了不同工況下三節(jié)車(chē)以及整車(chē)所受氣動(dòng)阻力對(duì)比情況.

圖6 三節(jié)車(chē)與整車(chē)阻力對(duì)比

可以看到：在有導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的情況下，頭車(chē)所受阻力分別減小1.63%和0.58%，中間車(chē)的阻力分別減小3.88%與4.66%，尾車(chē)所受的阻力相對(duì)無(wú)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)分別增加 0.29%和 0.92%.從整車(chē)所受阻力的角度分析，在有導(dǎo)流結(jié)構(gòu)情況下，列車(chē)整車(chē)阻力相對(duì)無(wú)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)分別減小1.18%和1.02%.

為了方便分析，圖7給出了列車(chē)各部件所受阻力占比圖，可以看到，相對(duì)無(wú)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，所受阻力均有減小.由于導(dǎo)流結(jié)構(gòu)將列車(chē)前端的氣流直接引導(dǎo)至列車(chē)底部，因此，轉(zhuǎn)向架區(qū)域所受總阻力增加，分別增加9.42%與11.22%.

圖7 列車(chē)各部件阻力占比

2）氣動(dòng)升力.列車(chē)所受升力是影響列車(chē)行駛安全的一項(xiàng)重要因素，升力減小則增加輪軌間摩擦力，升力過(guò)大則容易受橫風(fēng)的影響而使得列車(chē)側(cè)翻.

圖8給出了三節(jié)車(chē)以及整車(chē)所受升力的柱狀圖，其中數(shù)值正負(fù)分別表示力的方向?yàn)橄蛏吓c向下.可以看出：有導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的情況下，列車(chē)頭車(chē)所受升力均有所增加，分別增加11.51%與9.86%，中間車(chē)升力減小，而尾車(chē)升力均增大.且相比較于導(dǎo)流入口比較低的工況 3，工況 2的整體變化更為明顯.從整車(chē)角度進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，工況 2的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)能夠增加列車(chē)所受升力，增加率為9.64%，而工況3的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)對(duì)整車(chē)升力無(wú)明顯影響.

圖8 三節(jié)車(chē)與整車(chē)升力對(duì)比

2.2 列車(chē)流場(chǎng)特性分析

通過(guò)以上分析，可以發(fā)現(xiàn)不同工況下列車(chē)頭車(chē)車(chē)體、尾車(chē)車(chē)體以及轉(zhuǎn)向架區(qū)域的氣動(dòng)載荷變化較大，因此本節(jié)對(duì)該3個(gè)區(qū)域的壓力云圖進(jìn)行流場(chǎng)特性分析.

圖9為3種工況下列車(chē)頭車(chē)和尾車(chē)的壓力云圖.可以看出，在頭車(chē)區(qū)域的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)對(duì)列車(chē)表面的空氣流動(dòng)情況與壓力分布影響較小，只減小了正壓區(qū)面積；同樣，尾車(chē)區(qū)域的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)對(duì)尾車(chē)表面壓力分布影響較小.可見(jiàn)，有無(wú)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)對(duì)頭車(chē)與尾車(chē)表面的壓力分布無(wú)明顯影響.

圖9 頭車(chē)與尾車(chē)壓力云圖

3 結(jié)論

為了探索新的高速列車(chē)減阻方式，本文采用數(shù)值模擬的方法研究了兩種導(dǎo)流結(jié)構(gòu)對(duì)列車(chē)氣動(dòng)特性的影響.結(jié)果表明，在有導(dǎo)流結(jié)構(gòu)情況下，列車(chē)整車(chē)阻力相對(duì)無(wú)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)分別減小1.18%和1.02%；相對(duì)入口位置較高的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)能夠增加列車(chē)所受升力，增加率為9.64%，相對(duì)位置較低的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)對(duì)整車(chē)升力無(wú)明顯影響.本文主要是探索高速列車(chē)新的減阻思路，后期將考慮在開(kāi)閉罩處設(shè)置主動(dòng)吹吸氣管道，進(jìn)行流場(chǎng)主動(dòng)控制方法在高速列車(chē)領(lǐng)域的減阻效果研究.