高速列车同向并行运动时线间距仿真研究

王 进，高敦升，李 斌

（南车青岛四方机车车辆股份有限公司 高速列车系统集成国家工程实验室（南方），青岛 266111）

线间距是指相邻两股道线路中心线之间的最短距离。线间距的大小直接影响到铁路建设的成本，而高速列车（车速达250 km/h～300 km/h时）空气阻力占总阻力的75%以上[1]。合理的线间距，既可以减少线路的建设成本，又使得列车保持合适的气动阻力，减少能耗。

目前复线上运行的列车全部是相向而行，在区间影响线间距的主要因素是列车交会时产生的会车压力波。但现有的复线运行模式，无法满足春运等客流量高峰期间的需求量。在单方向运输需求大的情况下，将现有的铁路线路，由单车道增加到两车道会解决春运等高峰期一票难求的现象，同时也能满足未来铁路运输越来越大的需求量，而且由于在某些特殊情况下，也有可能出现两车并行运行的状况。故需要考虑两列高速列车同向并行运动时线间距对车体气动阻力的影响。现今国内外在高速列车交会时对线间距距离的计算已经有很多[2～6]，但还没有关于高速列车同向并行运行时对线间距的仿真计算。本文将采用数值模拟计算的方法，对速度在100 km/h～400 km/h区间内，不同线间距对两列高速列车同向并行运行时气动阻力的影响进行仿真计算，并得出结论。

1 列车计算几何模型

本文以国内某新型动车组外型为参考，采用1∶1实车比例模型，考虑到计算机的计算能力，编组方式为3节联挂，即：头车+中间车+尾车。其基本形状如图1。

图1 全车模型

2 数值计算

2.1 计算域场和网格划分

考虑空气绕流和流场的充分发展，此次计算两列列车同向运行，中间位置是中截面几何对称，因此采用对称计算域如图2。列车前方长度约为150 000mm，后方约为250 000mm，上方约为40 000mm，外侧为15 000mm，内侧分别为1 500mm、2 000mm、2 500mm和 3 000mm。

图2 计算域示意图

全域场网格划分采用非结构网格，车体和制动风翼表面为三角形网格，为更好地模拟附面层效应，在紧靠车体和风翼表面空间上采用多层三棱柱五面体网格，在空间其他位置采用四面体网格，如图3。在保证计算精度的前提下，节省了网格数目并提高了计算速度。本次计算所有网格数目控制在2 000 000左右。

图3 网格划分

2.2 控制方程与湍流模型

在运行速度小于300 km/h时，采用的是不可压缩流计算方式，大于300 km/h时，按照可压缩流计算。湍流模型选用带旋流修正的k-e（Realizable k-e）两方程模型，此模型对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流都有着很好的表现。具体公式如下：

Gk、Gb分别是由层流速度梯度和浮力产生的湍流动能，YM是在可压缩湍流中，过渡扩散产生的波动，C1，C2，C3是常量，σk和σε是k方程和e方程的湍流Prandtl数，Sk和Sε是自定义的值。

在本文中，重要常数的取值为C1ε=1.44，C2=1.9，σk=1.0，σε=1.2。

3 计算结果分析

本文计算的线间距分别为3 m、4 m、5 m、6 m，车速为100 km/h、200 km/h、250 km/h、300 km/h、350 km/h、400 km/h。由图4可以看出，双车同向运行且线间距相同时，随运行速度的增大，气动阻力大幅增加。当运行速度相同时，随着线间距的增大，车体气动阻力不同程度的减小。

图4 不同线间距下车体气动阻力比较

车体的气动阻力主要由粘性阻力和压差阻力组成。由图5可以看出，气动粘性阻力随运行速度的增加而增大，但相同速度不同线间距下，车身气动粘性阻力几乎相等。这也说明了线间距变化对车身的气动粘性阻力影响很小。

图5 不同线间距下车体气动粘性阻力比较

由图6可以看出，相同线间距下，气动压差阻力随着运行速度增加而增大，而当速度相同时，随线间距减小，气动压差阻力同步减少，并且速度在100 km/h～250 km/h之间时，线间距每减少1 m，压差阻力的变化值比速度大于300 km/h时的压差阻力变化值要大。这也说明了当速度在100 km/h～250 km/h之间时，线间距的变化对车体压差阻力影响较大，而当速度大于300 km/h时，线间距对车体压差阻力的影响较小。

图6 不同线间距下车体气动压差阻力比较

压差阻力主要是由气流在车尾区域产生气体分离现象导致的，由图7可以看出，速度为200 km/h时，线间距为3 m和6 m时，车体尾部气体分离程度加深，导致车体头尾部压力分布变化明显，这也导致3 m时的压差阻力大于6 m的情况。而从图8可以看出，当速度为400 km/h，线间距3 m和6 m时的车体头尾部压力分布基本一致，这也说明了线间距的变化对400 km/h时的车体上压力分布影响很小。

图7 200km/h车体周围压力云图

4 结束语

本文仿真计算了在不同线间距、运行速度下3节编组形式的新型动车组的气动阻力。通过比较分析发现，气动压差阻力对总气动阻力的变化值起主要影响作用，而气动粘性阻力影响很小。当列车同向并行运动速度超过300 km/h时，可以不考虑6 m以下线间距变化对气动阻力的影响，而当速度低于300 km/h时，在6 m以下线间距，列车受到的气动阻力随线间距增大而明显减小。未来需要更进一步研究气动阻力、能耗和建设成本等综合因素，找到解决问题最优的方式。

图8 400km/h车体周围压力云图

[1]Brockie N J W,Barker C J. The aerodynamic drag of high speed train[J]. J of Wind Engineering and Industria, Aerodynamics,1990，34：273-290.

[2]田红旗，周 丹，许 平. 列车空气动力性能与流线型头型外形[J]. 中国铁道科学，2006，27（3）：47-55.

[3]张经强，梁习锋. 高速列车外形的气动性能数值计算和头部外形的改进[J]. 计算力学学报，2003，20（5）：631-635.

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[5]苗秀娟，高广军. 不同风向角和地面条件下的列车空气动力性能分析[J]. 机车电传动，2006 (3).

[6]李雪冰，杨 征，张继业，张卫华. 强风中高速列车空气动力学性能[J]. 交通运输工程学报，2009，9（2）：66-73.