基于列车明线运行与横风下的列车气动特性分析

李西安　 冯　笑

（郑州铁路职业技术学院　 河南郑州　450052）

基于列车明线运行与横风下的列车气动特性分析

李西安 冯笑

（郑州铁路职业技术学院 河南郑州450052）

采用Hypermesh软件对一CRH3型车车体进行有限元网格划分，采用SC/Tetra软件分别对列车明线运行和横风下运行进行数值模拟。对于列车明线运行，主要研究不同网格划分对计算结果的影响以及与风洞试验数据的比较。对于列车横风作用下运行，主要研究不同车速和风速下列车的气动性能变化规律。

高速列车 数值模拟 外流场 横风

1　引言

伴随着列车速度的提高，列车的气动效应对列车的运行性能将产生很大影响，空气动力学问题的研究比例也越来越大。在强风环境下列车的运行状态明显改变，流场附近的气动力显著增加，在强风环境下导列车脱轨或倾覆事故屡见不鲜［1-3］。在铁路沿线大风地段合理修建挡风墙也是提供列车安全运行的重要措施，兰新线挡风墙的修筑［4］。据有关试验数据统计表明，高速列车运行速度在300 km/h以上时，75 %以上的运行阻力来源于气动阻力，受空气阻力和横风的影响，列车将会运行失稳［5-7］。空气动力学的研究，对于提高列车运行的稳定性、平稳性以及降低空气动力噪声也会有重大意义。

本文采用数值模拟的方法，在不同车速（200 km/h ～ 300 km/h）和不同环境横风风速（15.5 ～30 m/s）下对列车明线运行和横风下运行的空气动力特性进行分析研究。

2　控制方程

2.1动量守恒方程

对于流体力学的动量守恒方程是指表面力和体积力之和等于其动量对于时间的变化率。列车的运行速度不超过300 km/h，马赫数小于0.3，列车附近的流场可认为是不可压缩的粘性流场，其动量守恒方程［8］的数学表达式为：

2.2标准k-ε模型

本文选采用的是典型k-ε涡流模型，此模型对于模拟边界层流动、旋转涡流、流动分离、强逆压梯度和二次流具有较高的计算精度。列车在横风作用下高速运行时，周围流场可定义为三维黏性非定常的湍流流场。控制方程［9］如下：

Gk、Gb分别为速度梯度和浮力引起的湍动动能产生项； YM代表脉动扩张；C1ε、C2ε和C3ε是常数；σk和σε是k方程和e方程的Prandtl数； Sk和Sε为自定义值；Cμ为经验常数，通常取为0.09。

3　计算模型

3.1简化几何模型

为了较为准确的计算列车的气动载荷，同时避免大量网络，本文采用1︰1实车结构进行简化，简化过程中要注意列车的表面、车端连接、列车转向架以及运行线路，略去细小设备，将长编组列车简化成：头车+中间车+尾车，其中头车和尾车结构相同，简化后几何模型如图1所示。

图1　列车几何模型

3.2流场区域

3.2.1明线流场区域

车体结构和流场特点都是关于车体纵向截面对称，取半个流场作为计算区域，半个流场区域大小为430 m×53 m×156 m，车头距流场前端为102 m，车尾距流场后端252 m，车身侧面距流场侧端51 m，车轮离地面0.208 m（铁轨高度），车顶距流场上端151.5 m。

3.2.2横风下流场区域

受横风作用的影响，流场特点发生了变化，取整个流场作为计算区域，整个流场区域大小为430 m×356 m×95 m，车头距流场前端为102 m，车尾距流场后端252 m，车身迎横风侧距流场侧端101.5 m，车身背横风侧距流场侧端251.5m，车轮离地面0.208 m（铁轨高度），车顶距流场上端91.5 m。

3.3网格划分

网格划分也是有限元模拟计算中的一个重要环节，本文主要采用四面体单元和三棱柱单元对计算区域进行非结构网络全域场划分，根据计算对象的不同对列车结构作不同程度的边界层分离划分，对于车身特殊部位研究需要对网格进一步加密，例如转向架、车头和车尾的流线过渡区及空调进风口等，而远离壁面的网络可适当变疏，合理优化网格数量和规划计算区域对象，可有效提高计算速度和计算精度，本次计算的网格数目为550万，头车网格划分如图2所示。

图2　头车网格划分图

3.4边界条件及计算工况

列车明线运行时，外流场边界需要赋予一定的条件，通过流场内空气和地面的运动来模拟列车的运行，入口边界为速度入口（气流速度为97.22 m/s），出口边界为压力出口（静压为0Pa），地面边界为移动壁面（壁面速度为97.22 m/s），车身边界为固定壁面（产生粘性阻力），左、右两侧以及上测边界为自然流动，由于采用半车作为计算域，取车体纵断面作为对称面，对称面为自由滑移壁面（不产生粘性阻力）。

在横风作用下列车运行时，取整车作为计算区域，入口边界为速度入口（车速与横风风速的合成速度），出口边界为压力出口（静压为0Pa），地面边界为移动壁面（壁面速度为车速），车身边界为固定壁面（产生粘性阻力），上侧边界为自然流动，空调进风口速度入口（由空调进风量计算，风量为1200 m3/h）。

为了精确计算列车的各项气动参数，选取列车运行速度为200 km/h和300 km/h，横风风速为15.5（7级）、22.6（9级）、30.0（11级），大气压强为标准大气压作为本次计算的运行工况。

4　明线运行计算结果分析

本文以时速300公里的高速列车明线运行为研究对象，采用10种不同的网格数量来模拟不同网格数量下对列车明线运行的影响，并将数值计算结果与风洞试验结果进行了对比分析。

4.1不同网格划分对模拟结果的影响

表1　不同网格的计算结果

计算结果由表1显示，随着网格数量的变化，车身表面压力均呈现出较为一致的分布规律。以车头鼻端处压强为例，随着车身表面网格总数不断增加，鼻端压力也随之增加，压力系数逐渐向1靠近，列车所受向下的气动压差升力值和气动压差阻力也逐渐减小。无论是否有边界层网格的插入，当半车网格总数超过200万时，此时可得到误差较小的车头鼻端压力系数；当半车网格总数达到300万以上时，车头鼻端压力系数基本可以保持为1，列车所受气动粘性升力基本保持不变，维持在20 Pa左右。

4.2模拟计算结果和实验数值比较

为了验证仿真模拟计算结果的适用性，选10号网格的表面压力分布图及压力系数作为列车的可靠性分析，如图3和图4所示：鼻端最大压力为6014Pa，压力系数是1.0326。从列车鼻端开始沿车身纵向对称面布置了31个压力监测点，将获取的压力系数值与数值计算中相同位置监测点的压力系数值进行对比，风洞实验数据来自企业。对比结果有图5可以看出，风洞试验测出的参考点压力系数与数值模拟的计算结果基本一致，测点4、15、20的压力系数存在偏差，但是偏差较小，不影响模拟数值和实验数据的一致性。

图3　编号10列车表面压力分布云图

图4　编号10列车表面压力系数云图

图5　实验值与计算值压力系数对比

5　横风下运行计算结果分析

在横风作用下，基于空气动力学气动性能的研究，主要研究不同车速和不同风速下的气动力和气动力距，重点分析车体的升力、侧向力和倾覆力矩。

5.1车体升力

如表6计算结果显示，列车在横风下运行时，车体所受气动升力随着车速和风速的提高而增大，当固定车速，风速由15.5 m/s增加到30.0 m/s时，运行速度为200 km/h和300 km/h的列车气动升力分别增加了340.7 %和337.1 %。而当固定风速，车速由200 km/h增加到300 km/h时，风速为15.5 m/s，22.6 m/s、和30.0 m/s下的列车气动升力分别增加了18.4 %、19.2 %和20.0 %。由此可见，当风速一定时，列车速度增加对于气动阻力的影响大于气动升力。见表2，。

表2　列车稳态横风下升力（N）

5.2车体侧向力

表3　列车稳态横风下侧向力（N）

如表3所示， 当车速固定，风速由15.5 m/s增加到30.0 m/s时，运行速度为200 km/h、和300 km/h的列车气动侧向力分别增加了296.3 %和150.2 %，由此可见，当车速较低时，横风对于列车气动侧向力的影响更大。而当风速固定，车速由200 km/h增加到300 km/h时，风速为15.5 m/s、22.6 m/s和30.0 m/s下的列车气动侧向力分别增加了31.2 %、20.5 %和17.2 %。可以看出，随着横风风速的提高，由于车速提高而导致的列车气动侧向力提高值逐渐减少。当横风风速为30.0 m/s时，随着车速增加，车体所受气动侧向力反而减少。

5.3车体倾覆力矩

如表4结果显示，当固定车速，风速由15.5 m/s增加到30.0 m/s时，对于运行速度为200 km/h和300 km/h的列车倾覆力矩，头车增加量分别为197.7 %和189.9 %，中车增加量分别为7730.8 %和809.2 %，尾车增加量分别为482.1 %和8974.1 %。由此可得，风速越大，祸流就越剧烈，列车两侧的压差就越大，列车所受到的倾覆力矩随迅速也相应增大，在车速较小时，横风对中车影响较大；当车速较大时，横风对尾车影响较大。当固定风速，车速由200 km/h增加到300 km/h时，头车倾覆力矩在3种级别的风速作用下分别增加了32.3 %、41.9 %、32.9 %；中车倾覆力矩分别减少了146.7 %、52.9 %、16.6 %；尾车倾覆力矩在3种级别的风速下分别减少了97.5 %、47.1 %、14.8 %，由此可得，列车速度对于倾覆力矩的影响比横风风速要小

表4　列车横风下倾覆力矩（N·m）

6　结论

本文通过调整车体表面网格尺寸及边界层网格厚度，得出网格划分对计算结果有重大影响，鼻端处压力随着车体表面网格尺寸的减少而增加，当半车网格数达到300万以上时，压力系数稳定在1左右；选10号网格的计算结果与风洞实验结果进行了比对，数值模拟仿真分析的流场总体变化趋势与风洞试验结果一致。

在横风作用下分析了气动载荷对列车气动参加的变化规律，计算结果显示，横风对列车气动升力的影响要大的多，而列车速度的增加对于气动阻力的影响大于气动升力；当车速较低时，横风对于列车气动侧向力的影响更大；而随着风速的提高，车速提高引起的列车侧向力提高值逐渐减少；随着风速的增加，列车头车、中车、尾车所受到的倾覆力矩均迅速增大，且在车速较小时，对中车影响较大，当车速较大时，对于尾车影响较大。

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Numerical Analysis of Aerodynamic Performance of the Train in Open Air and Cross Wind

LI Xi-an FENG Xiao
（Zhengzhou Railway Vocational & Technical College ZhengzhouHenan450052China）

This paper gives a finite element meshing on the body of Model CRH3 train through the software of Hypermesh， and gives a numerical simulation on the train operation in open-wire line and cross wind conditions respectively by adopting the SC/Tetra software. For the train operation under open-wire condition， the main research focuses on the effects on calculation result with different mesh generation， as well as the comparison with wind tunnel experiment data. while， for the one under cross wind condition， the research mainly focuses on the change rule of aerodynamic performance of the train with different speed and various wind speed.

high-speed train numerical simulation external flow field cross-wind

文献标识码：B文章编号：1673-1816（2016）03-0072-07

2016-06-18

李西安（1989-），助教，研究方向铁道车辆可靠性分析。