钝头列车加装底罩结构的减阻效果分析

杨 敏

（青海民族大学 继续教育（职业技术）学院，青海 西宁810007）

常规钝头列车在明线以120km／h的速度运行时，气动阻力占总阻力40%。当提高列车运行速度时，气动阻力也随之大幅增加。通过加装改造车体结构，减小气动阻力，可以节省机车功率，减少能耗。本文采用计算流体力学方法，应用Solid－Works2009／Flow Simulation构建数值风洞，对钝头列车就打开车辆门窗、车辆间加装风挡、车体加装底罩、车头前部加装圆顶结构等模型，在不同运行速度下的气动阻力进行模拟计算，分析了列车运行中开窗的利弊及钝头列车车头圆顶、车体底罩、车间风挡结构的减阻效果。

1 建立数值计算模型

列车一般由两节及以上车辆组成，当气流流过车头部一定距离后，绕流边界层的结构和车辆气动力变化已基本趋向稳定。因此，为节省计算机资源，同时受计算机硬件条件限制，计算模型以列车两节厢为研究对象，尺寸大小为21m×1.6m×2.4 m（见图1（a），细小结构未忽略）。图1（b）为打开车辆的部分车窗车门模型，图1（c）为关闭门窗的参考模型，图1（d）为图1（c）基础上车辆之间加装风挡模型，图1（e）为图1（d）基础上加装底罩模型，图1（f）为图1（e）基础上车头前部加装圆顶模型。

相关研究表明，列车外流场属于典型的钝体绕流，基于列车平均长度和最高速度的流场雷诺数变化范围为105～108，流场中的惯性力比粘性力大几个数量级，因此列车外流场流动为湍流状态。Flow Simulation是嵌入SolidWorks的流体动力学分析软件，应用Flow Simulation软件能够模拟和研究湍流。

图1 列车模型

2 数值计算及分析

2.1 数值计算

2.1.1 计算区域

综合相关文献资料及试算经验，计算区域选择长、宽、高分别取10倍车长（车前3倍车长、车后6倍车长）、6倍车宽、5倍车高，即250m×20m×20 m。车速范围取80～160km／h。

2.1.2 项目构建

借助流体工程向导，指定流体为空气，流动类型为湍流，计算区域的基础网格和列车局部网格精度均为5级（通过试算，计算图1（e）、图1（f）加装底罩模型时精度取3级），最小特征尺寸取0.2m（图1（e）、图1（f）中车底与轨面间距）。入口边界条件取风速（反向车速）并选中完全发展的湍流项，出口边界条件为默认静压（1atm），壁面边界条件按无滑移、绝热壁给定，求解目标选气动阻力平均值。

2.1.3 计算结果

如图1（c）模型，V列车＝150km／h的气动阻力f1（c）＝23 707.0N，原始计算结果见表1。

图1中各模型在不同车速下的气动阻力计算结果见表2。

表1 列车气动阻力计算结果N

表2 列车气动阻力计算结果

2.2 结果分析

1）车速从80km／h增至160km／h，气动阻力增加为原来的3.3～3.6倍（见表2），符合Davis公式；加装风挡及底罩后，列车速度的增大程度较加装前有所减弱。

2）加改后列车气动阻力变化随车速变化见图2，其中开窗增阻（闭窗减阻）fΔ1＝f1（b）－f1（c），风挡减阻fΔ2＝f1（c）－f1（d），底罩减阻fΔ3＝f1（d）－f1（e），圆头减阻fΔ4＝f1（e）－f1（f），底罩加圆头减阻fΔ5＝fΔ3＋fΔ4。

图2 列车减阻效果图

由图2可见:①列车开门窗运行时气动阻力轻微增加，说明非空调列车夏天运行时，可打开少数车窗降温。②车辆间加装风挡、车底部加装底罩、车头部加装圆顶结构均有利于列车减阻，车体底部加装底罩的效果尤为明显（V列车＞110km／h），故减少列车气动阻力的重点部位在车体底部。③加装底罩后，存在气动阻力增加区段（fΔ3＜0，这与车底附面层性质及未考虑移动地板条件有关），气动阻力增减的速度分界点在110km／h附近，车头部加装圆顶结构、车辆间加装风挡后曲线fΔ5上移，该分界速度减小约为100km／h。可见，列车加装底罩后，气动阻力增减的分界速度值与减少气动阻力的加改措施直接相关。

3 结 论

钝头提速列车采用加装车体底罩、车头圆顶（或尽可能简单并接近流线型）、车间风挡等措施可有效减少空气阻力，降低能耗；加装底罩的减阻效果最佳，V列车＞110km／h时，速度越高则效果越明显，V列车＜110km／h时，存在着气动阻力反而略有增加的负面效果；若在加装底罩的基础上，再加装车头前部圆顶及车辆间风挡等减阻结构，则气动阻力增与减的速度分界点左移至约100km／h。

［1］田红旗.列车空气动力学［M］.北京:中国铁道出版社，2007:239－243.

［2］杨敏.青藏线列车的空气阻力及减阻措施［J］.铁道技术监督，2008，36（7）:42－43.

［3］周卫兵，张健.降低通勤型动车组的空气阻力问题试验研究［J］.电力机车与城轨车辆，2009，32（4）:33－36.

［4］梁习锋，舒信伟.列车风挡对空气阻力影响的数值模拟研究 ［J］.铁道学报，2003（1）:34－37.

［5］梁习锋，田红旗，邹建军.动力车纵向气动力风洞试验及数值模拟［J］.国防科技大学学报，2003（6）:101－105.

［6］喻亮，茹红强，钟磊，等.飞行器流场的数值模拟［J］.东北大学学报:自然科学版，2007，28（5）:676－679.

［7］杨敏.强横风下青藏线列车的两点气动特性［J］.内燃机车，2011（5）:4－6，17.

［8］张英朝，李杰，张喆.轿车开窗行驶时的气动阻力分析［J］.江苏大学学报:自然科学版，2010，31（6）:651－655.