转向架对高速列车气动性能的影响

黄学辉



转向架对高速列车气动性能的影响

黄学辉

（东方电气集团国际合作有限公司 成都 611731)

随着列车速度不断提高，转向架对整车气动阻力的影响越来越大，也是研究轮轨关系及地面效应的基础。采用数值计算方法对有无转向架列车不同运行速度和横风风速下的气动特性进行了数值计算，研究了转向架对列车气动特性的影响。研究结果表明：当无横风时，有无转向架列车受到的气动阻力和升力均近似与列车运行速度的平方成正比，而转向架受到的空气阻力约占总阻力的25%，且随着列车速度的增加而增加，但增加幅度较小；横风对列车的气动阻力、气动升力、侧向力影响都很大，且相同横风下，考虑转向架时列车的气动阻力约为不考虑时的1.7倍。

高速列车；气动特性；数值计算；转向架

0 引言

随着列车速度的不断提高，空气对高速列车产生气动作用的影响越来越大，而列车运动引起的气流流动也严重的影响了沿线周边环境[1]。同时列车速度的提高加剧了轮轨间作用力，运行能耗增加，这些均对车辆设计及运行控制提出了更高的要求。而以往建模时常被忽略的转向架，影响的不仅是列车的气动性能，同时也是轮轨关系及地面效应研究的基础。因此，以往过多简化模型计算得到的结果越来越不能满足现代高速列车的设计及运行控制要求。近几年国内外学者围绕列车空气动力学效应进行了较多的风洞试验和数值计算，但一般忽略了受电弓、转向架及风挡等局部结构，所采用的计算模型往往将列车底部简化为一个平板，文献[2]中通过比较分析给出了转向架阻力大约占总阻力的30%的估计数据。此后，北京交通大学郗艳红[3,4]以考虑真实列车为研究对象，采用数值计算研究了横风空气动力学效应和横风作用下的轮轨动力学特性，该分析并没有对比研究转向架对气动效应影响作用。西南交通大学郑循皓[5,6]详细研究了转向架区域形状对列车气动阻力性能的影响，表明转向架阻力占整车阻力比例较大且转向架对横风性能的影响比较大。此外，国内外学者还研究了列车底部裙板对整车气动性能的影响[7,8]。

本文正是在以往研究的基础上，建立更为详细的计算模型，采用数值计算方法研究了列车周围的流场分布特性及转向架对列车气动特性的影响，一方面为车辆设计及运行控制提供更为准确的气动数据，另一方面也为进一步深入研究轮轨间热应力及地面效应的影响奠定了基础。

1 几何模型

真实的高速列车外形复杂，长细比非常大，要完全模拟列车外流场的三维绕流，对计算时间、计算机容量都难以接受，也没有必要。因此，本文对列车计算几何模型做了适当简化，不考虑车头灯、门把手、受电弓等突出物，即将列车表面简化成一光滑的几何体，列车头部外形如图1所示。本文所采用的计算模型整车由两动力车和一中间车拖车组成，其中动力车长20500 mm（含车头盖），拖车长度25500 mm，整个模型的长度共67300 mm。由于列车中间车截面基本保持不变，因此缩短的编组形式并不会改变列车周围流场的基本特征[9]。

图1 列车头部流线型外形

2 计算区域及网格划分

高速列车对周围空气的扰动随着列车的离开距离的增大而减小，理论上列车对周围气体的影响范围是无限远的。但根据现有的条件，计算必须在有限的区域内进行。因此，计算中通常以不影响车体附近的流体流动为限来确定计算域的边界。参照以往高速列车计算域的选取，本文计算域的边界取距车体5倍车宽以上。其中，不考虑横风时，列车侧面和顶部的计算域距车体15.5 m，计算域入口距车头31.0 m，出口距车尾62.0 m。考虑到车体的对称性，只选取列车一半进行计算。当考虑到横风时，计算域的入口和顶部不变，而上风向距车体30.0 m，下风向和出口方向距车体为60.0 m，此时计算模型需全车计算。本文利用ANSYS划分结构化网格，其实体与网格如图2所示。然后将网格导入STAR-CD中进行流场和气动力计算[10]。有、无转向架计算模型中的列车表面网格如图3所示。

（a）几何结构

（b）离散网格

图2 计算区域

Fig.2 Computation domain

（a）不考虑转向架

（b）考虑转向架

图3 列车表面计算网格

Fig.3 Computation mesh of train nose

3 无横风时列车气动力性能

3.1 列车表面压力分布

高速运行的列车，由于车头的挤压、车身的摩擦以及车尾的吸引，在车体附近产生了高速的列车风。列车风绕流列车，引起列车表面压力分布的剧烈变化，不仅增加了列车的运行阻力，同时也对车体各部分的密封性及强烈的设计提出了不同的要求。图4和图5分别显示了有、无转向架的列车头部和尾部的表面压力分布。

（a）头部

（b）尾部

图4 350 km/h无转向架列车表面压力分布

Fig.4 Pressure distribution of the train surface without bogie at 350 km/h

（a）头部

（b）尾部

图5 350 km/h有转向架列车表面压力分布

Fig.5 Pressure distribution of the train surface with bogie at 350 km/h

从图4可以看出，在列车的正前方，空气受到挤压最严重，且最大正压力出现在车头的最前点，表明该点为滞止点。随着气流绕流车体，空气流速逐渐增加，压力随之逐渐降低，直到列车头部最大截面处时，气流速度达到最大，压力降至最低，此时，在列车头部便形成了负压区，即产生了流动分离；对于车身，由于空气的摩擦作用，在列车表面形成了薄的边界层，其中靠近车体的气体以与列车相等的速度运动，并在边界层内速度降至与外界未受干扰状态一致，车身表面呈现微弱的负压状态；而在车尾，列车将对周边空气产生吸引作用，同样是在列车尾部最大截面处，由于产生流动分离，又一次形成负压区。

由图5可看出，考虑转向架时列车表面压力分布与不考虑时基本一致，即最大压力出现在列车正前方的滞止点处，最大截面处同样出现了分流；列车尾部产生吸引，形成负压。但在列车转向架的部位压力分布有明显的不同，不存在转向架时，列车下部流场比较具有规律，压力分布也是均匀过渡；而当考虑转向架时，其所处位置恰好改变了列车下部及周围的流场，从而也改变了周围作用在列车上气流的分布规律，使列车整体压力增加，压力变化范围增大。

3.2 气动阻力

不同速度下高速列车的气动阻力具体参见表1，表中分别给出了不含转向架列车的整车气动阻力和阻力系数，以及考虑转向架时车体气动阻力、转向架气动阻力及转向架所占百分比。由表1可以看出转向架对整车空气阻力的影响，即转向架受到的空气阻力约占总阻力的25%，且这个比例随着列车速度的增加略有增大，但增加幅度很小。

表1 高速列车不同速度下气动阻力

对比有无转向架时整车的气动阻力计算结果可以看出带转向架的列车总阻力稍大于无转向架时列车的空气阻力，阻力系数约为0.475。因此，表明带转向架时列车的气动阻力系数有所增加，但增加的幅度很小。其主要是由于转向架改变了车底的气流流动特性，使得原本作用于车身的气动力转为作用在转向架上。有转向架时，车身的阻力减小，但增加了转向架的气动阻力；无转向架时，没有转向架的阻力，却增加了车身的气动阻力。因而，对于现代高速列车考虑整车的气动阻力时，是否考虑转向架其结果影响不大。

以上分析结果表明有无转向架对整车的气动阻力影响不大，但实际上，车底的气流流动与实际有很大差别，特别是需要进行车轮热应力分析时，必需建立完整转向架的计算模型才能更为准确地再现车底流动特性，以便准确地进行轮轨传热分析。

4 横风时列车气动力性能

4.1 气动阻力

当列车速度分别为300 km/h和350 km/h、不同横风风速下高速列车受到的气动阻力见表2。为了与无横风情况进行比较，表中给出了横风速度为0时气动阻力的计算结果。由表中计算结果可以看出，横风的存在增加了列车的气动阻力。因此，可以看出，横风的存在改变了列车与风度之间的作用角度，使列车周围的流场发生变化，从而增加了列车的气动阻力。

考虑转向架时列车气动阻力的计算结果如表2所示，表中分别给出了不同横风风速下列车各部分受到的气动阻力，为了比较横风对列车气动阻力的影响，也列出了风速为0 m/s时的气动阻力。通过比较可以看出，横风的存在使列车的气动阻力有很大增加，且列车的气动阻力均随着横风风速与列车速度的增加而增加。列车在恒定速度时，随横风风速的增加，列车气动阻力增加的幅值逐渐减小。另外，整车的气动阻力与不考虑转向架时相比可以看出，在有横风的情况，列车的气动阻力比无转向架时大很多，可见横风对列车的气动阻力影响较大。

表2 不同横风下高速列车时气动阻力

4.2 气动升力和侧向力

不同横风下列车气动升力与侧向力的计算结果见表3，可以看出，随着横风风速的增加列车的气动升力也随之增大，300 km/h时增加了近9倍，而在350 km/h时增加了近7倍。因此列车在低速运行时气动升力增加的幅值比高速运行时要大，而且与气动阻力相比，横风对气动升力的影响更大。同样，对于侧向力，随着横风风速的增加也随之增加，但通过比较可以看出，在相同的横风速度时，侧向力随着列车速度的增大而增加，列车的运行速度越高，侧向力越大，即列车在高速运行时侧向力增加的幅值比低速时大。因此，随着今后列车运行速度的不断提高，研究高速列车横风下稳定性时，必须考虑列车速度的影响。

表3 横风下高速列车气动升力与侧向力

列车的气动升力与侧向力计算结果见表3，可以看出考虑转向架后列车的垂向和侧向的气动性能规律类似，均是在恒定的列车速度时，随横风风速的增加而增加，且增大的梯度也越来越大；相同的横风风速时，随列车速度的增加而增加，但考虑转向架时列车的气动升力和侧向力均比不考虑时大很多。因此，可以说明在横风存在的情况下，转向架对列车的气动升力和侧向力影响更大。

5 结论

本文采用数值计算方法分别对有、无转向架列车模型进行计算，得到了列车气动特性以及周围流场、压力分布特性，比较分析了转向架对列车气动性能的影响。主要结论如下：

（1）在无横风条件下，列车运行速度在200 km/h-350 km/h之间时，有、无转向架列车的平均气动阻力系数分别为0.475和0.468，而转向架受到的空气阻力约占总阻力的25%，且随着列车速度的增加而增加，但增加幅度较小；

（2）无横风条件下考虑转向架时列车总阻力稍大于无转向架时列车空气阻力，表明转向架对车体受到的总气动阻力影响不大；

（3）横风对列车的气动阻力、气动升力、侧向力影响都很大，随着横风风速的增加而增加，且增大的梯度也越来越大。相同横风下，考虑转向架时列车的气动阻力约为不考虑时的1.7倍。

[1] 李人宪,关永久,赵晶,等.高速铁路隧道缓冲结构的气动作用分析[J].西南交通大学学报,2012,47(2):175-180.

[2] A S Joseph.高速列车空气动力学[J].力学进展,2003,33(3):404-423.

[3] 郗艳红,毛军,李明高,等.高速列车侧风效应的数值模拟[J].北京交通大学学报,2010,34(1):14-19.

[4] 郗艳红.横风作用下的高速列车气动特性及运行安全性研究[D].北京:北京交通大学,2012.

[5] 郑循皓,张继业,张卫华.高速列车转向架空气阻力的数值模拟[J].交通运输工程学报,2011,11(2):45-51.

[6] 郑循皓.转向架对高速列车空气动力学性能的影响研究[D].成都:西南交通大学,2012.

[7] SCH U LTE-WE RNING B. Research of European railway operators to reduce the environmental impact of high-speed trains [J].Proceeding s of the Institution of Mechanical Engineers, Part F:Journal of Rail and Rapid Transit, 2003,217(4):249-257.

[8] 杨志刚,高喆,陈羽,等.裙板安装对高速列车气动性能影响的数值分析[J].计算机辅助工程,2010,19(3):16-21.

[9] Khier W, Breuer M, Durst F.Flow Structure Around Trains Under Side wind Conditions: A Numerical Study[J].Computers & Fluids, 2000(29):179-195.

[10] 陈霖,毕海权,刘小霞,等.地铁隧道火灾临界风速数值模拟分析[J].制冷与空调,2017,31(3):245-248.

Influence of Bogie on Aerodynamic Characteristics of High-speed Trains

Huang Xuehui

( Dongfang Electric International Co., Ltd, Chengdu, 611731 )

With the increase of train speed, bogie has great effect on the aerodynamic resistance of the whole train, and it is also the basis to study the relations of wheel/rail and the ground effect. In this paper, the numerical calculation method is used to study the influence of aerodynamic characteristics of train bogies, and calculate the aerodynamic characteristics of the train with and without bogies under the different speed of train and cross wind. The results show that: the aerodynamic resistance and lift of train which with and without bogies are all proportional to the square of train speed approximately. The resistance of bogie is about 25% of the whole train’s, and increase with the speed of train increase, but the increasing range is smaller. Cross wind has great effect for the aerodynamic resistance, aerodynamic lift and yawing force, and under the same condition of cross wind, the aerodynamic resistance with bogies is about 1.7 times to without.

High-speed train; Aerodynamics characteristics; Numerical calculation; Bogie

1671-6612（2018）04-445-06

A

U270.11

黄学辉（1981.10- ），男，硕士，工程师，E-mail：huangxuehui@decintl.net

2017-09-13