城际列车气动性能分析与评估

李文化,尚克明,杨明智

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111；2.中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410075；3.轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙 410075)



城际列车气动性能分析与评估

李文化1,尚克明1,杨明智2,3

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111；2.中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410075；3.轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙 410075)

城际列车的运行速度一般处于100～200km/h之间，对于这类列车气动性能的研究基本处于空白状态，而随着城际列车的不断开通，其安全问题日益加深，因此有必要对城际列车进行气动性能分析。采用数值模拟计算的方法，对温州S1线列车的气动性能进行研究。主要分析列车明线运行时阻力和噪声、列车过隧道车体表面压力变化和车厢内部压力变化几个方面。通过对结果的分析对比，得出其变化规律：随着速度的增大，阻力增大，车体表面压力增大，车内压力增大，噪声增大；列车过隧道时，40m2圆形隧道要比33m2方形隧道气动性能好；对于单车过隧道，动态密封指数要大于10s；列车以160km/h速度运行时，线边25m远、沿列车轴线方向的最大噪声级约80dB，在环境噪声允许范围内。

数值模拟；城际列车；气动性能

随着我国高速列车的蓬勃发展，高速列车的研制日益加快，列车的运行速度不断攀上高峰。国内外很多研究人员针对高速列车的气动性能进行了研究。梁习锋等[1-8]研究了明线运行时高速列车的气动性能；SUZUKI等[9-11]研究了高速列车过隧道时的气动性能；刘加利等[12-18]研究了高速列车的气动噪声特性[15-20]。然而，对于中速度级列车气动性能的研究明显不足。城际列车的运行速度一般处于100～200km/h之间，对于城际列车的研究基本处于空白状态，而随着城市间城际列车的不断开通，城际列车的安全运行问题越来越受重视。因此应工程实际的要求，需要评估城际列车的整体性能，其中列车气动性能是评价列车整体性能的主要参数。

对列车气动性能的研究方法主要有实车试验、列车动模型试验和数值模拟计算三大类。本文采用数值模拟计算的方法，对温州S1线列车的气动性能进行了研究和评估。计算分析了列车空气阻力、车体表面压力、车内压力和噪声四个主要参数。通过对以120，140和160km/h3种不同速度运行的列车数值模拟分析，得出了列车气动性能变化规律，分析了温州S1线城际列车行的气动特性。

1　基本理论

1.1湍流模型

与列车相关的流动现象绝大多数是湍流流动。因此，我们在讨论列车周围空气流场流动的数值模拟时，自然也离不开如何模拟湍流现象的问题[19-20]。

湍流的数值模拟方法主要有直接数值模拟湍流(DirectNumericalSimulationTurbulence-DNST)、大涡模拟(LargeEddySimulation-LES)和湍流模型(包括涡粘性模型、雷诺应力模型(ReynoldsStressModel)。

目前，国际上所作的直接模拟仅限于较低的雷诺数和有简单外形的问题，而复杂的列车周围空气流场流动数值模拟还不适应；大涡模拟虽然已经开始应用于列车的湍流和气动噪声的计算，但由于其要求网格尺度非常小、网格规模非常大，对计算机的速度和内存仍然有较高的要求，还不能完全满足工程设计和应用的需要；雷诺应力模型和涡黏性模型中的k-ε两方程模型，特别是k-ε两方程模型，在列车周围空气流场流动的湍流数值模拟中应用最为广泛。本文湍流的模拟采用k-ε湍流模型。

(1)

式中：ui为涡黏性系数；k为湍流动能；ε湍流耗散率；Cu为湍流常数，一般情况下取Cu=0.09。

1.2气动声学方程

Lighthill根据N-S方程和连续性方程推导了经典的气动声学传播方程：

(2)

式中：Tij为Lighthill张量；eij为黏性应力张量；δij为单位张量；ρ′为流体密度的扰动量；ρ′为流场中压力的脉动量；c为声速。

2　气动阻力数值模拟及结果分析

2.1几何模型

计算模型为温州S1线列车，为4车连挂，及头车+两节中间车+尾车，中间以风挡连接，见图1。列车模型比较复杂，包括转向架、风挡、车钩、防撞装置、车下设备等复杂结构。

图1　计算区域Fig.1 Calculation zone

气动阻力计算来流区域长度取100m,尾流区域长度取200m,左右宽为60m，高60m,计算区域见图2(a)。

列车过隧道时，流场计算由于列车与隧道之间存在相对运动，为此，计算区域采用分区对接网格技术。为真实模拟列车通过隧道全过程，选择列车头部距隧道口50m作为初始运动点，尾流区域长度取200m,左右宽为60m，高60m,计算区域见图2(b)。隧道长度由列车最不利隧道长度计算公式确定，隧道长度见表1。根据实际情况要求，计算时采用两种不同隧道截面，一种是33m2方形隧道，一种是40m2圆形隧道，隧道截面形状见图3。

单位：m(a)阻力计算区域；(b)过隧道计算区域图2　计算区域尺寸图Fig.2 Calculation zone size

速度/(km·h-1)120140160隧道长度/m274320441588

(a)40 m2圆形隧道；(b)33 m2方形隧道图3　隧道截面形状Fig.3 Tunnel cross section shape

2.2边界条件

列车明线运行时，在入口ABFE给定第一类边界条件：入口来流取理论上无穷远处的均匀来流，速度为列车运行速度，方向与列车运行方向相反；在出口DCGH给定第二类边界条件：压力固定为参考压力，静压为零。外边界AEHD、EFGH、BFGC按光滑壁面处理，给定对称面；列车表面为无滑移的壁面边界条件；地面ABCD按光滑壁面处理，为消除地面效应，给出的是滑移边界条件，大小和方向与入口来流一致[5-6]。

列车过隧道时，对于列车表面，给定运动边界条件，即X方向速度分量等于给定的列车运行速度V，Y、Z向速度分量等于0；流域底面和隧道壁面给定无滑移边界条件；流域两侧面、顶面给定对称面条件；出口给定压力出口边界条件，相对压强为0；进口给定压力进口边界条件，相对压强为0。

2.3计算网格

模型的复杂性给网格划分带来了极大的挑战。网格划分时，在列车头部以及周围流动量变化都较大的位置均采用了较细的网格，在列车转向架位置和受电弓位置也采用了比较细的网格，以免因为网格过大原因模糊掉了复杂位置几何结构。为了捕捉列车头部来流和尾部尾流流场特性，还在来流区和尾流区进行了加密。图4为计算网格。

列车明线运行时，采用OpenFoam软件对模型进行离散，物面为四边形网格，空间为六面体网格。考虑边界层的影响，对车体附近区域进行了局部网格加密，空间体网格约3 000万。第一层网格的厚度为0.001 25m。图4(a)为列车头部网格示意图。

列车过隧道时，隧道和地面用六面体结构化网格离散；列车由于其外形为三维自由曲面，用四面体非结构化网格离散。空间体网格约为1 000万，最小网格尺寸为0.007m。图4(b)为列车过隧道网格示意图。

2.4计算结果分析

2.4.1气动阻力数值模拟计算结果分析

利用商用流体软件Fluent，对温州S1线列车进行了数值模拟计算。通过计算数值求解不可压缩连续性方程、动量方程及湍流模型方程得到不同速度列车气动阻力特性。表2为气动阻力系数计算结果，图5为列车压力分布云图，图6为列车阻力分布图，图8为列车整车气动阻力随速度变化曲线。

(a)列车头部车体表面网格示意图(b)列车过隧道表面网格示意图图4　计算网格Fig.4 Calculation grid

图5　列车压力分布云图Fig.5 Train pressure distribution diagram

从图5中可以看出，列车的头车鼻锥端为驻点所在位置，此处流速为零，正压压力最大，经过该点后，气流速度逐渐加快，压力下降。其沿纵剖面的流动情况，到达头部与车顶过渡处负压降至最大值，而尾车开始时为较小的负压，气流到达尾部与车顶过渡处负压降至最大值，这均是由于过渡弧面变化很大，空气绕流速度加快，从而使这一区域的压力急剧降低所致，至车体顶面压力又再次回升成为平稳的较小的负压。

表2不同速度列车气动阻力系数

Table2Aerodynamicdragcoefficientofdifferentspeedtrain

速度/(km·h-1)120140160头车0.27690.27290.2737中间车10.14320.14280.1425中间车20.14110.14130.1415尾车0.35110.34650.3428总阻力0.91230.90350.9005

图6　列车气动阻力分布图Fig.6 Aerodynamic drag distribution of train

图7　列车整车气动阻力随速度变化曲线Fig.7 Curve of aerodynamic drag along with the speed

从上述图表中可以看出，不同车速各节车气动阻力系数基本相同；不同车速列车的气动阻力变化规律一致，即尾车阻力最大，约占总阻力的30%，两节中间车阻力相近最小，约占总阻力的15.5%，头车阻力小于尾车大于中间车，约占总阻力的39%；所有车速的阻力均为正值；列车气动阻力与车速的关系近似成平方，符合规律。

以120km/h速度为例进一步分析。120km/h速度的列车头车和尾车阻力比重最大的部位在流线型车头位置，各占总阻力的60.8%和73.4%，这主要是因为温州S1线列车为钝头车，使的列车阻力过大。而顶部空调位置加大了迎风面积，亦使阻力变大。为了减小列车阻力，需要对列车外形进行优化，使其头部流线位置变长，减小空调迎风面积，提高列车气动性能。

2.4.2列车过隧道数值模拟计算结果分析

由于隧道壁面的限制，列车通过隧道的过程必须考虑空气的压缩性，同时，列车通过隧道的过程，压力和速度等流场参数均随时间在变化，因此，需要求解可压缩和非定常的连续性方程、动量方程及湍流模型方程，以得到列车通过隧道的气动特性。

由于列车运行速度的增大，隧道通过性能随之降低，列车通过单线隧道时，车体表面压力幅值随着速度的增大而增大；列车前部车钩中心位置压力最大，压力变化幅值也最大，具体数值见表3。图8为列车以120km/h速度运行时，该位置压力变化曲线。因为隧道横截面不同，圆形隧道的阻塞比要比方形隧道的小，所以列车通过圆形隧道时的气动性能比通过方形隧道时好。

表3　列车压力最大值及幅值/Pa

(b)40m2圆形隧道

图8　列车最大压力变化曲线Fig.8 Maximum pressure curves of the train

2.4.3列车过隧道车内压力计算结果分析

列车在隧道内运行时,车外的压力变化会引起车厢内压力的变化,从而会带来乘客舒适性问题。

一般而言，我们通过数值计算可以得到车体壁面上任意一点的压力变化，然后根据车体表面压力变化求出车厢内部的压力变化，车外的压力向车厢内部传播主要取决于车体的刚度和车辆的气密性。列车的刚度比较大，可以忽略其影响。因此，本文主要考虑车辆的气密性的影响。

假定车内部压力变化率与内外压差成正比：

(3)

式中：pi为车内部压力；pε为外部压力；τ为密封指数。由气密性试验测量得到：

(4)

根据以上公式，由前文计算所得到的列车车体表面的压力变化，计算得到车厢内部的压力变化，进而可以得到车厢内部的压力变化率。

表4为列车以120，140和160km/h的速度在隧道内单车运行时，车厢内部的压力3s变化率，其中密封指数为τ=3，5和10s。

表4列车车厢内部压力变化率/(Pa/3s)

Table4Internalpressurechangerateofthetrain

速度/(km·h-1)120140160τ=0s方形隧道153921312816圆形隧道110615162004τ=3s方形隧道107114461825圆形隧道85511861556τ=5s方形隧道79610611328圆形隧道6428681105τ=10s方形隧道475628788圆形隧道387515653

计算结果表明，车厢内部压力变化最大来自头车，当动态密封指数超过10s时，司机室内部的压力变化率已经小于800/3Pa/s。因此，对于单车过隧道，动态密封指数大于10s即可。因为隧道横截面不同，圆形隧道的阻塞比要比方形隧道的小，列车在过圆形隧道时要比过方形隧道乘客感觉更加舒适。

3　噪声水平分析研究

噪声会对人体的不良影响和危害，铁路噪声对沿线居民的影响最大。欧盟和日本等均出台了高速列车噪声声压级限制标准，随着高速列车运行速度的提升，该噪声标准的规定也越来越低[13]。因此有必要对列车的噪声水平进行分析研究。本文结合大涡模拟与FW-H声学模型分析了温州S1线列车远场气动噪声的分布规律，对关键位置的噪声进行了评估。

远场噪声测点在距轨道中心线25m和距轨面高度3.5m处，沿列车纵向平行等间距选取，在升弓和降弓位置也选取了两个测点,测点编号从车头前20mZ1开始依次到车尾后20mZ17。图9和图10分别给出了沿列车轴线方向声压级分布和最大值点声压频谱分布。

图9　沿列车轴线方向声压级分布Fig.9 Sound pressure distribution in the axial direction of train

图10　最大值点声压频谱分布Fig.10 Sound pressure spectral distribution of the Maximum point

从图中可以看出，温州S1线列车以160km/h速度运行时，所有测点远场声压级幅值分布比较均匀，集中分布在76-81dB之间，整体水平较低，噪声水平最高位置处于升弓处。

4　结论

1)随着速度的增大，列车的气动阻力增大，车体表面压力增大，车内压力增大，噪声增大。

2)列车过隧道时，40m2圆形隧道要比33m2方形隧道气动性能好；动态密封指数要大于10s。

3)列车以160km/h速度运行时，线边25m远、沿列车轴线方向的最大噪声级约80dB，在环境噪声允许范围内。

[1] 袁磊，李人宪.高速列车气动噪声及影响巨[J].机械工程与自动化，2013,180(5)：31-35.

YUANLei,LIRenxian.Aerodynamicnoiseofhighspeedtrainanditsimpact[J].MechanicalEngineeringAutomaytion,2013，180(5):31-35.

[2] 刘加利，张继业，张卫华.考虑地面效应的高速列车远场气动噪声计算方法研究[J].计算力学学报，2013,30(1); 94-100.

LlUJiali,GHANUJiye，GHANUWeihua.Studyofcomputationmethodoffar-fieldaerodynamicnoiseofhigh-speedtrainconsideringgroundeffect[J].ChineseJournalofComputationalMechanics, 2013，30(1):94-100.

[3] 田红旗.列车空气动力学[M].北京：中国铁道出版社，2007：26-28，160-161.

TIANHongqi.TrainAerodynamics[M].Beijing:ChinaRailwayPublishingHouse, 2007:26-28，160-161.

[4]JOHND.Anderson.计算流体力学基础及其应用[M].北京：机械工业出版社，2012:3.

JOHND.Anderson.ComputationalFluidDynamic[M] .Beijing:ChinaMachinePress, 2012,3.

[5] 梁习锋，田红旗.列车气动性能评估参数研究[J].中国铁道科学，2003，2(1)：38-42.

LIANGXifeng,TIANHongqi.Researchonevaluatingparametersoftrainaerodynamic[J].ChinaRailwayScience,2003,24(1):38-42.

[6]TIANHongqi.Formationmechanismofaerodynamicdragofhigh-speedtrainandsomereductionmeasure[J].JournalofCentralSouthUniversity, 2009, 16(1):166-171.

[7]JOSEPHAS.Aerodynamicofhigh-speedtrains[J].AnnualReviewofFluidMechanics, 2001, 33(1): 371-414.

[8]Raghuathans,KimHD,SetoguchiT.Aerodynamicsofhigh-speedrailwaytrain[J].ProgressinAerospaceSciences,2002,38(1):469-514.

[9] 肖云华，李行，熊小慧.明线运行时动车组空调装置表面压力分布数值分析[J].铁道科学与工程学报，2013,10(3)：108-111.

XIAOYunhua,LIHang,XIONGXiaohui.NumericalsimulationofsurfacepressuredistributionofairconditioningequipmentwhenEMUrunninginopenair[J].JournalofRailwayScienceandEngineering. 2013,10(3):108-111.

[10] 蔡军爽，张洁，刘堂红.基于DES的高速列车气动阻力分布特性研究[J].铁道科学与工程学报，2014,11(5)：64-69.

CAIJunshuang,ZHANGJie,LIUTanghong.Studyondistributioncharacteristicsofaerodynamicdragofhigh-speedtrainbasedonDES[J].JournalofRailwayScienceandEngineering,2014,11(5):64-69.

[11] 姚拴宝，郭迪龙，杨国伟，等.高速列车气动阻力分布特性研究[J].铁道学报，2012,3(7):18-23.

YAOShuanbao,GUODilong,YANGGuowei,etal.Distributionofhigh-speedtrainaerodynamicdrag[J].JournaloftheChinaRailwaySociety, 2012, 34(7):18-23.

[12] 陈燕荣，肖友刚.高速列车空气动力学性能计算[J].铁道车辆，2009,47(1):14-16.

CHENYanrong,XIAOYougang.Calculationinaerodynamicperformanceofhighspeedtrain[J].RollingStock,2009,47(1):14-16.

[13]SuzukiM.Unsteadyaerodynamicforceactingonhighspeedtrainsintunnel[J].QRofRTRI, 2001,42(2): 89-93.

[14] 梅元贵，赵海恒，刘应清.铁路隧道压力波数值分析[J].西南交通大学学报，1995,30 ( 6 ):667 -672.

MEIYuangui,ZHAOHaiheng,LIUYingqing.Thenumericalpredictionofthepressuretransientgeneratedbyahighspeedtrainpassingatunnel[J].JournalofSouthwestJiaotongUniversity. 1995,30 (6):667-672.

[15] 赵晶，李人宪.高速列车进入隧道的气动作用数值模拟[J].西南交通大学学报,2009，44(1)：96-100.

ZHAOJing,LIRenxian.Numericalanalysisofaerodynamicsofhighspeedtrainsrunningintotunnels[J].JournalofSouthwestJiaotongUniversity. 2009,44 (1):96-100.

[16] 马大猷. 现代声学理论基础[M]. 北京：科学出版社, 2004: 296-306.

MADayou.Modernacousticstheory[M].Beijing:SciencePress,2004:296-306.

[17] 刘加利，张继业，张卫华. 高速列车车头的气动噪声数值分析[J]. 铁道学报. 2011,33(09): 19-26.

LIUJiali,ZHANGJiye,ZHANGWeihua.Numericalanalysisonaerodynamicnoiseofthehigh-speedtrainhead[J].JournaloftheCHINARailwaySociety. 2011,33(9):19-26.

[18]BrancatiA,AliabadiMH.Boundaryelementsimulationsforlocalactivenoisecontrolusinganextendedvolume[J].EngineeringAnalysiswithBoundaryElements, 2012, 36(2): 190-202.

[19]PapadopoulosChristosI.Developmentofanoptimized,standard-compliantproceduretocalculatesoundtransmissionloss:Numericalmeasurements[J].AppliedAcoustics, 2003, 64(11): 1069-1085.

[20] 肖友刚，康志成.高速列车车头曲面气动噪声的数值预测[J].中南大学学报(自然科学版), 2008, 39(6): 1267-1272.

XIAOYougang，KANUZhicheng.Numericalpredi-ctionofaerodynamicnoiseradiatedfromhighspeedtrainheadsurface[J].JournalofCenterSouthUniversity(ScienceandTechnology),2008，39(6):1267-1272.

Analysis and evaluation on characteristics of aerodynamics of intercity trains

LIWenhua1,SHANGKeming1,YANGMingzhi2,3

(1. CSR Qingdao Sifang Co. Ltd. , Qingdao 266111, China;2.SchoolofTransportationEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China;3.KeyLaboratoryofTrafficSafetyonTrackofMinistryofEducation,Changsha410075,China)

Thespeedofintercitytrainislimitedbetween100km/hand200km/h,buttherearefewaerodynamicstudiesforthisvelocitymagnitude.Withtheoperationoftheintercitytrain,thesafetyproblemisbecomingmoreandmoreimportant.So,itisnecessarytostudythisproblem.ThepaperstudiestheaerodynamiccharacteristicsofWenzhouS1-linetrainbynumericalsimulationmethod.Itmainlyanalyzedthedragandnoisewhenthetrainrunsinopenair.Thesurfacepressureandinsidepressurewhenthetraintravelsthroughthetunnelwerealsoinvestigated.Throughtheanalysisandcomparison,theregulationwasgiven:thedrag,surfacepressure,insidepressureandnoisewerelargerwiththeincreaseoftrainspeed;Theaerodynamicperformanceof40m2-circulartunnelisbetterthan33m2-squaretunnel；Thedynamicsealingindexshouldbegreaterthan10s;Trainsrunat160km/hspeed,lineedge25maway,alongtheaxialdirectionofthetrainthemaximumnoiselevelofabout80dB,thenoiseintheenvironmentwithintheallowablerange.

numericalsimulationmethod;intercitytrain;aerodynamiccharacteristics

2015-12-15

国家自然科学基金资助项目(11372360)

杨明智(1972-),男，湖南望城人，副教授，博士，从事列车空气动力学研究；E-mail:yqyymz@126.com

U270

A

1672-7029(2016)07-1407-07