高速列车头部气动性能的模拟计算与试验

马梦林，邓海，王东屏，兆文忠

(1.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028;2.长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062)

0 引言

随着速度的提高，列车与周围空气的相互作用加剧，空气动力学问题越来越突出.列车气动阻力占总运行阻力的比例越来越大，大量理论分析和试验表明，列车以350 km/h以上明线高速运行时，列车运行阻力90%以上来自于气动阻力.与此同时，列车的气动阻力与列车头部外形有着密切的关系.气动阻力是空气动力学研究的主要内容之一［1-2］，而气动阻力系数是衡量高速列车头部气动特性的一个重要参数，寻求列车最佳头部形状使其气动阻力最小，有效地降低空气动力学现象对列车运行和周边环境的影响，是高速列车气动外形设计中一个重要的研究课题.

本文利用数值模拟方法和风洞试验方法两种途径对一节半编组的列车模型的气动特性进行分析研究，并通过对两种研究方法分析结果的对比，寻求研究列车气动特性方法有效地结合点和不同点，为今后列车气动外形在不同的研究情况下的分析方法的选择与结合提供参考.

1 高速列车气动特性研究方法概述

对于列车气动特性的研究方法主要有两个方法:实验研究方法和数值模拟方法.实验方法包括风洞试验法、线路试验以及动模型试验［3-5］，在高速列车头型设计的初期风洞试验是主要的设计验证手段.数值模拟方法主要是利用CFD程序对列车周围的流场进行模拟计算来反映列车外部复杂流动特性的一种方法.CFD方法作为一种强有力的辅助设计工具，在列车头型的设计初期起到一定的指导与预测的作用，并可以扩展研究范围和给出比较完整的定量结果［6］.而风洞试验则是通过模拟试验来不断揭示各种气动现象，通过试验数据的分析与推理得出重要的结论.因此，若将CFD数值模拟方法与风洞试验两者很好的结合应用，让二者互为补充互为应用，对列车气动特性的研究无疑是一种更加完善的研究方法.

2 高速列车车头的数值模拟

CFD方法可以看作是流动基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程)控制下对流动的数值模拟，通过数值模拟，可以得到极其复杂问题的流场内各个位置的基本物理量的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定漩涡分布特性、空化特性及脱流区等［7-8］.下面利用通用流体分析软件FLUENT，对列车头部及车身周围的流场进行空气动力学分析，得到模型周围的绕流特性和气动特性参数.

2.1 模型简化

明线运行的高速列车是一个近地且长细比很大的运动体，周围流场是三维不可压湍流，可用三维不可压雷诺平均N-S方程模拟.不可压Navier-Stokes方程:

对于连续方程:

对于x方向的动量方程:

y、z方向具有类似的表示.

求解方法采用湍流模型，采用高雷诺数的k－ε两方程模型:

湍动能方程:

湍流耗散率方程:

同时，由于主要分析高速列车头形对的气动阻力的影响，并为了便于和风洞试验结果进行分析对比，数值模拟分析的模型采用头车加半节中间车的编组方式.车体底部与转向架区域的零部件较多，若将它们全部体现出来势必使计算模型的网格规模过大，所以对它们进行适当简化处理.简化后的计算模型如图1所示:

图1 简化后的车体模型

2.2 计算区域及边界条件

同样，为了使计算结果与后续风洞试验结果在相同的工况下进行对比，计算区域的选择应保证与风洞试验的阻塞比相同，并且尽量避免入口边界、出口边界不受到列车的影响，保证速度分布均匀，入口边界与出口边界选择离车体110 m计算区域如图2所示:

图2 计算区域

2.3 网格划分

首先将计算区域进行网格划分，得到离散的计算对象.由于列车车头不能完全实现流线型设计，因此，在车头的近壁面区域会出现不同程度的边界层分离现象.因此，通过多次计算结果分析，调整车头附近的网格密度，而在远离壁面的区域，网格可以适当放大.同时，为了更好的控制网格的密度，将计算区域划分为五个区域，图3所示，为列车头部壁面区域的网格，以此为基础，其它计算区域的网格由密变疏的呈放射状分布.

图3 列车头部区域的网格划分

2.4 计算结果分析

在60 m/s时速下，对列车车头周围的流场进行了空气动力性能数值分析.计算得到在此工况下的列车车头表面的压力分布云图、列车头车的空气阻力系数等气动性能参数.

图4、图5是列车头车表面的压力分布，图6为列车车头纵向对称面上矢量分布图.列车运行时，由于车头的挤压，使车头迎风面周围流场呈正压状态，列车鼻端的最高压力是4 731.122 Pa.

图4 列车车头表面的压力分布云图

图5 列车车头表面的压力分布云图(局部放大图)

图6 列车车头对称面的矢量分布图

根据分析计算结果，利用阻力系数计算公式:

计算得高速列车车头车的列车压差阻力和列车空气摩擦阻力分别为2 971.203 2 N(X负向)、1082.8172 N(X 负向)，气动阻力系数为0.1698.

3 风洞模型试验

风洞模型试验是研究列车气动特性中应用最广泛的手段之一.通过风洞模型试验在列车气动外形的设计与研究上有着举足轻重的作用.风洞模型试验的基本原理是根据运动相对性原理和流动相似性原理，将列车和线路等物体按几何相似性制作成缩比模型，并固定在风洞的试验段，通过风洞的动力装置，产生可以人为控制的气流，通过稳定、加速和整流，使之成为具有所需要的速度、密度和压力的均匀气流，当气流流过列车模型，在满足必要的相似条件下，测量列车模型的空气动力特性，就可以得到实际列车的空气动力特性了.

3.1 试验设备

本文的风洞试验在8 m×6 m/12 m×16 m风洞第二试验段进行的，此风洞为闭口串列双试验段大型低速风洞，模型所在的第二试验段宽8 m，高6 m，长15 m，稳定风速为20～70 m/s，满足本次试验最高风速60 m/s的要求.与此同时，试验模型新安装在列车试验专用地板上，此列车试验专用地板前、后缘为流线型，以减少气流的干扰，并且每块板后缘下表面装有扰流片，在板块之间的缝隙附件形成涡流低压区，可以有效地吸引地板上表面气流，从而降低地板附面层厚度.试验的测量设备选用的是盒式六分量应变天平对列车模型的气动力和力矩进行测量.

3.2 试验模型

风洞试验的模型缩尺比例为1∶8，一节半编组.模型安装在路基轨道模型上，如图7所示.列车模型为金属框架结构，外部用木材成型.金属框架内部焊有天平连接板，天平通过支座与路基轨道连接，每节车体模型通过天平与支撑座相连.为了实现头车与中间车的分别测试，各个测力单元相互独立、无连接.

图7 列车车头风洞实验模型

3.3 试验结果

通过风洞试验，并对测量结果进行数据处理，可以得出测试模型的阻力系数、升力系数、侧向力系数以及倾覆力矩系数、侧偏力矩系数和俯仰力矩系数.并将风洞试验和仿真分析所得到的在相似的边界条件下列车头车的气动阻力系数进行对比.由风洞试验测得列车头车的气动阻力系数为0.155 8，仿真分析结果计算得到列车头车的气动阻力系数为0.169 8，误差率为8.9%.满足仿真分析结果与试验结果的误差率小于15%的要求.同时，也说明，在概念设计阶段，可以利用模拟分析的方法代替风洞试验来指导设计，从而缩短设计周期，而将确定方案后的设计利用风洞试验来对设计进行进一步的验证.

4 风洞模型试验与仿真分析结果的对比分析

风洞模型试验与仿真分析结果存在差异的原因:

(1)仿真技术模型中的列车表面的摩擦系数取值较大，适当修正列车表面的摩擦系数;

(2)由于试验测试时天气阴冷，与仿真分析计算时理想状态下的空气参数存在差异;

(3)风洞模型试验时，由于风洞为开放式结构，测量结果受温度、湿度等环境和不定因素影响，因此也会存在一些不可确定的影响因素;

(4)仿真分析模型建模时，转向架进行了简化，采取了化零为整的方法，这样增大了迎风面积，从而使阻力增大;若在模型中详细描述转向架区域，势必会将模型的网格大规模增大，因此，在误差允许范围内，不影响头车表面流场的情况下对转向架区域不作修改.

5 结论

风洞模型试验由于受到模型制作、试验条件、测试手段的限制存在一定的局限性.同时由于风洞模型试验周期长、费用昂贵，在高速列车概念设计阶段应用此方法比较困难.数值模拟方法设计周期短同时又不受风洞模型试验那样的限制，但是数值模拟计算也存在对实际湍流等气流流动状态特性目前仍未有普遍适用的数学模型［9-10］，数值计算上收敛性和计算的精度等仍需改进等缺点.因此，单单依靠数值分析结果来分析高速列车头车的气动特性是不完善的，只能作为风洞模型试验的必要补充和前期定量的预测，因此，应将风洞试验与数值仿真分析密切配合，在设计前期，通过仿真分析，得到流场的总体变化趋势来指导设计，当设计基本成型后，通过风洞试验结果来验证数值模拟分析建模的准确性，将两种分析技术作为一个整体来考虑，使二者相互校正，才是高速列车头形设计研究的有效途径.

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