不同排障器导流罩对高速列车阻力及升力的影响

余以正,姜旭东,孙健

(中国中车集团 长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130021)

不同排障器导流罩对高速列车阻力及升力的影响

余以正,姜旭东,孙健

(中国中车集团 长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130021)

利用风洞试验与CFD方法，比较分析某型高速动车组在四种不同排障器导流罩型式下气动特性，发现排障器导流罩以及不同型式的排障器导流罩能明显影响到列车的整车阻力及尾车升力性能.排障器导流罩可以阻止来自列车前方的气流进入转向架区域，并能够将车头前方的气流导向两侧，阻止车头前方死水区的形成.不同型式排障器导流罩对整车的阻力性能的影响最大可以到4%左右，并在大侧风条件下明显影响尾车升力性能，当侧偏角大于18°后不同型式的排障器对尾车升力性能的影响明显增加.因此合理的设计排障器导流罩至关重要.

列车；排障器导流罩；阻力；风洞试验 ；数值模拟

0 引言

随着国家高速列车的发展，列车速度越来越高.高速列车面临着诸如气动阻力、气动升力以及气动噪声等一系列空气动力学问题.研究表明当列车速度为300 km/h时，空气阻力占总阻力的85%以上[1].另外高速列车尾车升力对列车运行稳定性、舒适性有非常大的影响[2-3].当前，国内外在提升高速列车空气动力学性能方面花费了大量的精力，比如改变列车外形，增加转向架处裙板以及在两车连接处采取风挡外包的方式[4].譬如，40年前，日本为开发东海道新干线高速铁路，借鉴航空航天技术，开始研究与空气动力学有关的列车外形，以解决速度提高后可能出现的空气动力学问题设计成子弹头形状[5-6]，被称为“子弹列车”，如0系列车；德国开发的IEC系列高速列车，法国的TGV列车，头型都是在基于空气动力学基础上进行设计的.我国高铁的起步晚于日本、德国、法国等国家，但是随着近年来的消化吸收与再创新工作的深入，我国高速列车取得了长足的发展，可以说目前我国高铁技术已经跨入世界一流的行列.我国高速列车空气动力学也取得了非常大的进步，我国不仅基于空气动力学设计出了具有优越空气动力学性能的头型，为提升高速列车的空气动力学性能，对列车各个局部也开展了大量的设计、分析与试验.本文基于某型动车组的排障器导流罩结构型式进行分析,发现不同的排障器导流罩型式能够影响到列车阻力、尾车升力等，从而明显影响到列车的整体空气动力学性能.尤其是改变排障器导流罩形状时,对列车整体结构改动很小,且容易实现,因此具有很好的应用前景.

1 分析模型

本文从仿真分析与风洞试验两方面入手研究不同型式的排障器导流罩对某型高速列车空气动力学性能的影响.空气动力学仿真分析计算与风洞试验模型相对于实车均需要合理简化，简化的原则是要保证简化的部位对列车整体比较计算结果影响很小甚至无影响，本次分析对车门、车上、两车连接处等局部位置进行了一定的简化.列车明线运行时阻力主要来源于头车、中间车、尾车以及它们之间的连接部位.因此计算三车编组运行的情形即可反映列车真实的明线运行过程，图1是三车编组分析计算几何模型，图2是排障器安装位置示意图.本文分析了五种模型，分别考虑排障器形状及前后位置，通过前期仿真分析优化出四种型式的排障器导流罩进行风洞试验，此外对于无排障器导流罩的型式也进行了分析及试验.图3是安装设计的四种不同的排障器导流罩实物模型照片.各排障器方案特征描述如下：排障器罩1，带有导流凹槽，凹槽占排障器导流罩1/2 ；排障器罩2，无导流凹槽；排障器罩3，带有导流凹槽，凹槽占排障器导流罩1/3；排障器罩4，带有导流凹槽，排障器导流罩前端下拉10%。

图1 三车编组计算及风洞试验几何模型

图2 排障器导流罩位置示意图

图3 四种不同型式的排障器导流罩

2 列车风洞试验

2.1风洞试验装置

本文为了获得不同风速、风向的环境风条件下不同型式的排障器导流罩对高速动车组的气动性能影响，分别对四种不同型式的排障器导流罩下的列车模型进行风洞试验，比较分析不同导流罩下列车模型的气动特性，并验证数值计算的可靠性，为高速动车组的优化设计提供科学依据.在中国空气动力研究与发展中心低速所(简称低速所)8 m×6 m风洞进行了测力、测压试验.试验模型置于专为列车风洞试验设计的地板上，见图4.地板前、后缘为流线型，以减少对气流的干扰；每块地板后缘下表面装有扰流片，在地板之间的缝隙附近形成涡流低压区，可以吸引地板上表面气流，从而降低地板附面层厚度.

图4 风洞试验地板装置

根据高速列车模型各部分的气动力及模型内部空间尺寸，结合低速所现有盒式六分量应变天平的量程及外形尺寸，试验选用3台盒式六分量应变天平，分别对列车模型的头车、中间车和尾车同时进行气动力和力矩的测量.列车模型表面压力分布的测量，采用美国 Scanivalve传感器公司生产的DSM3400电子压力扫描阀系统.采用4个模块扫描阀 (每个扫描阀128个测点)， 传感器量程为6 890 Pa，精度为0.08%FS.由VXI系统进行风洞测力试验的数据采集，角度控制及速压控制分别由相应的工控机系统实现.数据采集环节采用VXI总线，16位A/D板，64个异步通道，采样频率10 kHz,整个系统仪器转换精度0.01%，设备之间由网络通讯传递指令.

2.2仿真分析数学模型的选取

列车试验模型比例为1∶8，三车编组：头车、中间车和尾车，带平地路基和轨道，如图5所示.列车模型头、尾车完全相同，三车编组模型总长度约9.7 m.列车模型内部为金属框架结构，外部用代木(合成材料)成型.列车模型的头车、中间车和尾车为相互独立的测力单元，之间有5～10 mm的间隙.试验对头车、尾车和中间车采用三天平同时测力方案，测力天平位于模型内腔.为了实现列车模型的头车、中间车和尾车的单独测力，并避免侧风通过缝隙造成流场模拟失真，在各独立的测力单元之间采用嵌套结构.列车模型表面测压孔的压力通过细钢管引出，并用细塑料管引入电子扫描阀进行测量.列车模型测压点分布在头部和尾部，在模型表面曲率较大的位置测压点分布较密，在模型表面曲率较小的位置测压点分布较稀.列车模型通过连接件与天平连接，天平底部与支架上部连接，支架下部支撑在路基轨道上.支架与模型底部口盖留有约10 mm的缝隙.列车模型的侧偏、倾斜、俯仰误差均控制在5′以内.轨道中间部位固定在转盘之上，两端有滑轮，可以随转盘同步转动，并通过支杆刚性固定在轨道上，不同排障器导流罩可实现更换，见图6.图6车头车尾部分为风洞试验与仿真分析压力测点，通过压力测点的测压数据可以与仿真分析进行对比，从而实现仿真分析与风洞试验相互验证.

图5 三车编组带平地 图6 风洞试验模型路基和轨道

3 仿真分析

3.1仿真分析数学模型的选取

本文利用STARCCM+大型流场计算商用软件，根据流场特点，数值求解的控制方程为低速粘流的Navier-Stokes方程，湍流采用两方程湍流模型，近壁区采用低Re数修正与壁面函数相结合的方法，方程采用有限体积法离散，并采用并行的压力修正算法求解[7].

3.2CFD计算模型

CFD计算模型、隧道长度、计算测点保证与动模型试验完全一致.车头是影响计算结果的重要部位，因此在该区域分布了较密的网格以保形，在车身连接处，转向架、风档和空调等部位都进行了网格加密.对曲率变化较大的部分和关键区域都进行了网格加密，以满足此类问题计算对网格的要求，近壁面第一层网格最小网格高度为0.5mm.图7、图8是整车车体表明网格以及流场计算域示意图.

图7 整车车体表面网格 图8 流场计算域示意图

计算区域示意图见图8，车体截面积与计算区域截面积之比小于0.01；高度方向(H)大于8倍特征高度；长度方向上游(LF)大于8倍特征高度；下游(LB)大于16倍特征高度.入口(面ABCD)宜设置为低湍流均匀来流条件；出口(面EFGH)宜设置为恒压或质量守恒边界条件；顶面(面BFGC)和侧面(面ABFE、面CDHG)宜设置为壁面或对称边界条件；地面(面AEHD)和道床设置为与列车运行方向相反、速度大小相等的移动壁面；列车表面为无滑移壁面.

4 试验结果与仿真结果分析

4.1阻力数据分析

图9是变侧偏角条件下不同排障器导流罩阻力数据比较.在小侧偏角时，无排障器导流罩阻力性能明显不如安装了排障器导流罩的情形；其中排障器导流罩2性能最优，其次是排障器导流罩4，再次是排障器导流罩1，最次是排障器导流罩3.在侧偏角大于20°后排障器导流罩3的阻力反而大于无排障器导流罩时的阻力，主要是由于大侧偏角后排障器3的前凸结构引起较大的漩涡导致阻力增加，证明了排障器导流罩的形状对阻力影响较大，在有些工况，不合理的排障器导流罩甚至不如不安装排障器导流罩.

图9 变侧偏角条件下不同排障器导流罩阻力数据比较

0°侧偏角条件下(图10)安装排障器导流罩1时在三车编组阻力系数为0.348；安装装排障器导流罩2时三车编组阻力系数为0.342；安装装排障器导流罩3时三车编组阻力系数为0.353；安装装排障器导流罩2时三车编组阻力系数为0.347；无排障器导流罩时三车编组阻力系数为0.358.整体来讲，在安装了本文的四个排障器导流罩导流罩方案后，0°侧偏角条件下列车阻力性能明显优于无排障器导流罩的情况.最优方案2比无排障器导流罩时阻力减小4.5%，最优方案2比方案3阻力减小2.8%.说明有无导流罩对阻力的影响可以达到4%以上的影响，高速列车以3高速列车以350 km/h速度运行时，空气动力学阻力一般在70 kN，则气动阻力导致的功率损耗为6805kW，如果阻力降低4.5%，则气动阻力导致的功率损耗降低了306 kW.不同型式的排障器导流罩对阻力影响最大能相差3%左右，这对于高速列车来说已经相当可观，因此设计出合理的排障器导流罩至关重要.

图10 零度侧偏角条件下不同排障器导流罩阻力数据比较

4.2升力数据分析

图11是变侧偏角条件下不同排障器导流罩升力数据比较.在小侧偏角时，各排障器对尾车升力影响不大.但是当侧偏角大于18°后不同型式的排障器对尾车升力性能的影响明显增加.侧偏角大于18°后排障器导流罩方案2的升力性能无明显优于其它排障器导流罩方案.

图11 变侧偏角条件下不同排障器导流罩升力数据比较

4.3CFD计算分析

图12是选取的车头中间线测压点压力系数数据进行比较.由图12可见，车头压力测点仿真分析与风洞试验数据几乎重合，说明仿真分析与风洞试验可以互相验证.

图12 试验与仿真分析测点压力系数比较

图13是CFD计算流线图及压力云图，由图13可见列车在高速运行时，来自前方的气流将会高速的冲入转向架部位，而转向架部位是设备结构特别复杂且多变的区域，高速气流冲入转向架区域会形成图13所示的涡旋.涡旋会使得列车的阻力增加，从而导致列车能耗增加，同时涡旋会导致列车尾车升力增大进而影响尾车的稳定.图14可见排障器导流罩可以阻止来自列车前方的气流进入转向架区域，并能够将车头前方的气流导向两侧，阻止车头前方死水区的形成，排障器导流罩可以影响头尾车阻力4%左右，并影响尾车升力性能，因此合理的设计排障器导流罩至关重要.

图13 转向架区域涡线图

图14 排障器及转向架压力及流线云图

5 结 论

本文利用风洞试验与CFD方法，对某型高速动车组四种不同型式的排障器导流罩方案空气动力学性能进行了分析，可以得到以下结论：

(1)列车在高速运行时，来自前方的气流将会高速的冲入转向架部位而产生涡旋,使得列车的阻力增加，排障器导流罩可以影响头整车阻力4%左右，并在大侧风条件下明显影响尾车升力性能；

(2)本文中的四种排障器方案，在小侧偏角时，无排障器导流罩阻力性能明显不如安装了排障器导流罩的情形；其中排障器导流罩2性能最优，其次是排障器导流罩4，再次是排障器导流罩1，最次是排障器导流罩3.证明了排障器导流罩的形状对阻力影响较大，在有些工况，不合理的排障器导流罩甚至不如不安装排障器导流罩；

(3)0°侧偏角条件下安装本文中排障器导流罩1时在三车编组阻力系数为0.348；安装装排障器导流罩2时三车编组阻力系数为0.342；安装装排障器导流罩3时三车编组阻力系数为0.353；安装装排障器导流罩2时三车编组阻力系数为0.347；无排障器导流罩时三车编组阻力系数为0.358.整体来讲，在安装了本文的四个排障器导流罩导流罩方案后，0°侧偏角条件下列车阻力性能明显优于无排障器导流罩的情况；不同型式的排障器导流罩对阻力影响最大能相差3%左右，这对于高速列车来说已经相当可观，因此设计出合理的排障器导流罩至关重要；

(4)在小侧偏角时，各排障器对尾车升力影响不大.但是当侧偏角大于18°后不同型式的排障器对尾车升力性能的影响明显增加.侧偏角大于18°后排障器导流罩方案2的升力性能无明显优于其它排障器导流罩方案，说明大侧风条件下不同型式的排障器导流罩能明显影响到尾车的升力性能.

[1]田红旗, 高广军. 270km/h 高速列车气动力性能研究[J]. 中国铁道科学, 2003, 24(2): 14-18.

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[3]田红旗.列车空气动力学[M]. 北京:中国铁道出版社, 2007.

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[7]田红旗.列车空气动力学[M]. 北京：中国铁道出版社, 2007.

DragForceandLiftForcePerformanceofaHighSpeedTrainAffectedbyDifferentCowcatcherAir-Deflector

YU Yizheng, JIANG Xudong,SUN Jian

( CNR Changchun Railway Vehicles Co., Ltd, Changchun 130021, China)

Wind tunnel test and CFD simulation are used for researching the drag force and lift force performance of a high speed train affected by four different cowcatcher air-deflectors. It is found that the high speed train cowcatcher air-deflector and its structure can affect the drag force and lift force performance of a high speed train. The cowcatcher air-deflector can prevent the air ahead of the train getting into the bogie zone, and lead the air ahead train to the side of the train to prevent the air ahead of the train forming the dead region. Different cowcatcher air-deflector can affect the drag force performance by almost 4% with obvious effect on the lift force performance. When the side slip angle is greater than 18 degree, the effect on the lift force performance by different cowcatcher air-deflector is increased obviously. So rationally designing the cowcatcher air-deflectors is very important for the high speed train.

high-speed train; cowcatcher air-deflectors; drag force; CFD simulation

1673- 9590(2017)06- 0030- 04

2017- 02-30

余以正(1981-)，男，工程师，硕士，主要从事高速列车空气动力学的研究

E-mailyuyizheng@cccar.com.cn.

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