空调安装方式优化对列车气动特性影响研究

洪琪琛，杨明智，丁畅



空调安装方式优化对列车气动特性影响研究

洪琪琛，杨明智，丁畅

(中南大学 交通运输工程学院，轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙 410075)

基于三维、不可压和定常N-S方程的数值模拟计算方法，从空调机组的安装位置和高度等2个方向着手，分析不同方案下列车运行时的气动特性。研究结果表明：当头车空调位置远离车头、尾车空调位置靠近车尾时列车总阻力最大，较之其他方案大2.66%左右；空调阻力随着车体高度增加而逐渐减小，当车体增加高度达到350 mm时，3节车总阻力下降7.55%，但与此同时，列车在横风环境下运行稳定性变差。

高速列车；数值计算；外形优化；空调机组；气动特性

高速铁路作为国内外最重要的交通运输方式，具有运输量大、环保经济和安全性高等优点。由于高速列车是在地面上高速运行的细长体，导致一系列空气动力学问题。当列车运行速度超过200km/h时，气动阻力占总阻力70%左右，且随着列车运行速度的提高，其气动阻力占比越高[1−3]。为了减少列车运行时空气阻力，国内外学者进行了大量关于列车整体外形优化设计的研究并取得显著成果[4−6]，随着列车整体外形优化进入瓶颈期，人们开始探究列车局部设备优化来实现减阻。胡勇等[7]采用数值模拟和实车实验相结合的方法研究空调进出气口和风道内的气动性能随车速变化的规律，得出不同车速和各方案进出气口的风量变化情况，对空调设备的选取和设计提供建议。肖云华等[8]采用数值计算的方式研究了8节车编组的动车组明线工况下运行时空调表面的压力沿车长和车宽方向的分布规律，并对空调装置的安装位置给出了意见。国内对于列车空调装置优化的研究主要集中于空调进、排风道的外形设计和风机外形优化，主要研究目的是空调装置对列车内流场和车厢内舒适度的影响[9−11]，对空调装置的优化设计实现减阻和提升列车在横风环境下运行稳定性的研究较少。在安装空调设备时，考虑其设备自身的重量，列车空调的冷凝器和散热器一般都放置在列车的顶部，空调装置作为列车顶部的凸起部件，在列车实际运行中，容易在其安装区域出现空气分流现象，从而加大列车运行时的空气阻力。本文采用数值模拟方法，分析空调不同的安装位置和安装高度对列车运行时阻力的影响，从而找到一个最合理的优化方案，为列车空调机组的设计及安装提供一定的参考依据。

1 控制方程

本文研究中的车速为350 km/h，马赫数小于0.3，因而引起的空气流动是不可压缩的湍流流动，针对不可压缩流的基本控制方程进行求解。

根据质量守恒定律，单位时间内流入流体微元的质量和流出流体微元的质量相等，可导出不可压缩流体运动的质量守恒方程[12−13]：

根据动量守恒定律：作用于流体微元上所有作用力的和与微元体中流体动量增长率相等，可得到3个方向的动量守恒方程：

式中：u为流场速度，代表，和3个坐标方向的速度分量；x或x为3个坐标，代表，和3个坐标分量；为流体密度，在不可压缩流中为常数；为压力；为空气动力黏度。

-双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，控制方程组见文 献[14−15]。

2 计算模型

2.1 动车模型

我国高速列车通常采用8节车编组，由于列车中部截面保持不变，缩短后的模型不会改变列车流场结构的基本特征，为了提高计算效率，本文的动车模型均采用3节车编组，即头车+中间车+尾车，头车及尾车长度为26.5 m，中间车长度为25 m，车高3.7 m，车宽3.4 m。除空调装置及转向架外，车体表面一些细小部件均不考虑。图1为原始动车 模型。

图1 高速列车原始模型

为了研究空调安装位置对整车和其他设备的气动性能的影响，采取4种安装位置进行研究：以位置1为基准，位置2为头车车顶的空调向车头方向移动了6 800 mm，位置3为头车空调和尾车空调分别向车头方向和车尾方向移动了6 800 mm；位置4为尾车空调向车尾方向移动了6 800 mm。空调安装位置如图2所示。

(a) 位置1；(b) 位置2；(c) 位置3；(d) 位置4

在保证车厢内部的空间前提下，列车高度是有最低限度的，再加上顶部进气排气通道和电路设备的存在，几乎没有了埋入空调装置的空间，因此没有办法通过下沉空调高度以达到减阻目的，而只能考虑将车身加高，以达到空调高度降低的效果。基于以上思路，本文设计3种高度的列车模型：1) 车高为3 700 mm，此时空调导流罩完全露出车顶，车体增加的高度=0；2) 车高为3 860 mm，此时空调导流罩有一部分已经埋入车顶，车体增加的高度=160；3) 车高为4 050 mm，此时空调导流罩已经完全埋入车顶，车体增加的高度=350。具体模型见图3。

(a) h=0 mm；(b) h=160 mm；(c) h=350 mm

2.2 计算区域、网格及边界条件

据欧洲标准BSEN 14067，计算域边界不应干扰车辆周围流场，计算域应保证流场充分发展：计算区域上游不小于8倍特征高度，计算域下游不小于16倍特征高度[16−17]。特征高度定义为列车顶面距离地面的距离，本文所有工况均为平地运行，因此特征高度取车高=3.7 m。列车车轮底面距轨面高度为0.2 m，为便于设定入口及出口边界条件，计算区域上游入口处和下游出口处都尽量远离车体，避免受来流或者尾流的影响。如图4(a)所示为列车在明线运行时的计算区域，区域前端面定义为速度入口，距离动车组鼻尖点为27，速度与列车运行速度相等，均为97.22 m/s，方向相反；为消除地板附面层的影响，地面给定与速度入口一致的滑移边界条件；区域尾端距离动车组尾部60，给定压力出口边界条件，静压为0 Pa，两侧面及顶面定义为对称面边界条件，车体表面为无滑移壁面边界条件。图4(b)为列车在横风环境下运行时的计算区域，在横风环境下除了有与列车进行相对运动形成的流场之外，还有自然环境导致的横风，风速为20 m/s，方向沿轴正方向流动，入口面IJNM及面JKON均定义为速度入口边界条件，面LKOP及面ILPM均定义为压力出口边界条件，静压为0 Pa，车体表面采用无滑移壁面边界条件。

(a) 明线环境下计算域；(b) 横风环境下计算域

在网格离散过程中，对列车周围的网格进行了加密处理以保证计算的精确，同时在列车尾部后方流场由于尾涡的存在，该区域也进行了加密处理，除转向架和受电弓等复杂设备采用非结构化网格进行离散外，车体表面的物面网格为四面体结构化网格，具体网格图见图5。明线工况下网格总数为5 500万，横风工况下网格总数为5 800万。

图5 计算网格

2.3 数值方法验证

为了验证数值模拟计算方法的准确性，在中国空气动力研究与发展中心的8 m×6 m的风洞进行了风洞试验，用1:8的缩比模型的试验结果与数值模拟计算的结果进行对比。试验模型尺寸与计算模型尺寸一致，为3节车编组，为了便于分析，将各气动力和力矩进行无量纲化进行对比。各气动力系数和力矩系数分别定义为：

=/(∞) (3)

=/(∞) (4)

=/(∞) (5)

=/(∞) (6)

式中：∞=0.5v2，为动压；为气流密度，通常取1.225 kg/m3；为列车横截面面积，在本试验中=0.19 m2；为阻力；为侧向力；为升力；为倾覆力矩；为横向参考长度，在试验中取0.203 m，倾覆力矩的取矩点为列车背风侧轮轨接触点；为阻力系数；为侧向力系数；为升力系数；为倾覆力矩系数。

数值计算模型完全依照风洞试验模型建立，地面边界条件设置为固定壁面，风洞试验结果与数值计算结果对比如表1所示，数值计算与风洞试验整车阻力相差4.21%，数值计算准确可靠，满足工程应用的要求。

表1 风洞试验与数值计算结果对比

3 计算结果与分析

3.1 列车表面压力分布

图6为列车明线工况下以350 km/h运行，4种不同空调机组安装位置，列车鼻尖点顶部区域纵截面车体表面压力系数沿车长方向分布情况。观察图中压力分布曲线，沿车长方向，头车空调压力变化要明显大于中车和尾车空调。位置2和位置3在头车空调迎风侧和背风侧曲面过渡处的负压绝对值均大于位置1和位置4；位置3和位置4在尾车空调曲面过渡处的负压绝对值要大于位置1和位置2。因此可以得出，靠近车头和车尾的空调装置的最大负压绝对值要大于远离车头和车尾的空调装置的最大负压绝对值。

图6 列车纵截面压力系数

图7为不同车高方案下空调表面的压力云图，随着车高的增加，空调的高度减小，空调装置对流场的阻滞减弱，空调迎风面的正压减小，前面的研究中已经发现空调的阻力主要受迎风面正压的影响，故空调的阻力减小。空调高度的降低也使得空调导流曲面对流场的加速效应减弱，流场速度减小，使空调顶部曲面过渡处的最大负压绝对值减小。绕过空调顶部的流场一部分会沿着空调背面下冲，直接作用于风挡，空调高度降低后，下冲作用于风挡的气流减少，故风挡的正压减小。

当车体增加的高度达到350 mm时，空调已经完全埋入车顶，车顶的流场的分布十分均匀，但由于列车高度的增加，如图7所示，车头的流线型拉长，过渡曲面处拐点后移，对流场的加速效应增强，故车头曲面过渡处的负压面积会增大，头车升力也会因此改变，且最大负压的位置较=0和=160时更靠后。

(a) h=0 mm；(b) h=160 mm；(c) h=350 mm

3.2 气动力结果分析

表2为明线运行时不同安装位置的空调列车各部位阻力系数和升力系数。头车空调在位置2和位置3时头车的阻力系数大于在位置1和位置4时，说明头车空调在靠近车头位置时，头车的阻力系数增大；尾车空调在位置1和位置2时尾车的阻力系数要大于在位置3和位置4时，说明尾车空调在靠近车尾位置时，尾车的阻力系数会减小。对整车来说，位置1的阻力系数稍大于位置2和位置3，位置4的阻力系数最大，比位置3的阻力系数大2.66%。头车和中车的升力为负，尾车升力为正，说明头车的空调在靠近车头时，升力系数会增大；尾车升力系数在位置3和位置4时更小，说明尾车升力系数在空调靠近车尾位置时会减小。

表3为明线运行时不同车高的空调列车各部位气动力系数。随着增加到350 mm，头车、中车和尾车的阻力系数分别减少1.41%，11.30%和15.38%，列车的总阻力系数减少7.55%，由此可见，采取增加车高的方式对尾车的减阻效果最好，中间车次之，对头车的减阻效果不明显。

表2 不同安装位置下列车气动力系数

表3 不同车高下列车气动力系数

升力方面，从大小来看，头车的升力系数变化了26.32% ，中车升力系数变化了26.53%，尾车的升力系数变化了27.08%，从方向来看，头车和中车的升力方向为负，尾车方向为正。可见，列车高度的变化对列车升力的影响非常大，这可能也与明线运行时升力基数很小有关。

由于是通过列车车身高度增加，这样增加了横风情况下的迎风面积，必须分析其在横风环境下的侧向力和倾覆力矩。表4为横风工况下列车各部位的气动力系数随车身高度变化规律。在同一车高的工况中，列车各部位的侧向力系数和倾覆力矩系数大小关系为：头车最大，尾车最小。随着车身高度增加，列车的侧向力系数和倾覆力矩系数都变大。头车、中车和尾车的侧向力系数分别增加了1.91%，9.07%和10.42%，受电弓的侧向力系数变化不大。头车、中车和尾车的倾覆力矩系数分别增加了4.44%，8.39%和5.99%，受电弓的倾覆力矩系数增加了1.54%。由此可知，随着列车高度的增加，列车在横风下的稳定性会变差。

表4 横风下不同车高下列车气动力系数

3.3 流线分布

图8为头车顶部的空调装置纵剖面流线图，列车周围区域用速度进行渲染，将车体颜色设置为白色以便区别于周围速度流场。随着列车高度的增加，空调高度则会降低，流场流线变得更加平顺，流场在空调曲面过渡处的流速减小，风挡上方区域流场流速加快。当=0时，由于空调装置的迎风面对来流空气的阻挡作用，相当一部分的空气被滞止，在滞止区域形成一个高压区，其余空气沿着空调迎风面向上，在空调迎风面和水平面之间存在一个曲率较大的过渡区域，此处空气速度达到最大，形成一个低压区。空气此后沿着空调机组水平面向后发展，在内风挡和外风挡之间的区域产生了2个对称的旋涡，由于该区域几何尺度狭窄，气流流向改变较小。

随着列车高度增加，风挡空腔靠迎风一侧开始受流，旋涡消失，仅剩背风一侧的旋涡，且该旋涡的几何尺寸随着空调高度的减小而变大。

(a) h=0 mm；(b) h=160 mm；(c) h=350 mm

通过增加列车车身高度以达到降低空调机组高度的效果，可以较大地减小空调自身的气动阻力，但是该方案增加了车体的高度，高速列车速度高、自重较轻、抗倾覆能力低，尤其是在强横风的作用下，列车气动性能恶化，列车所受的空气阻力和升力迅速增加，影响了列车的横向稳定性，严重时甚至将导致列车发生脱轨等事故，社会影响极大。因此必须对该方案的横风气动特性进行评估。

图9为头车空调位置列车横截面的流线图，横风从列车上方绕过车顶后在列车背风侧形成了一个旋涡，可以明显看出不同车高下漩涡的几何尺度存在差异，由于车高的增加，空调机组的高度降低，空调导流罩对流场的加速效应减弱，空调顶部流场流速减小。

(a) h=0 mm；(b) h=160 mm；(c) h=350 mm

4 结论

1) 沿车长方向，头车空调区域的压力变化要明显大于中车及尾车空调区域的压力变化；靠近车头和车尾的空调装置的最大负压绝对值要大于远离车头和车尾的空调装置的最大负压绝对值。

2) 当头车和尾车车顶的空调分别向车头和车尾方向移动时，头车的阻力系数会增大，尾车的阻力系数会减小，二者变化的程度不一样，对整车来说，列车的阻力系数在位置4时最大，比其他方案的阻力系数大2.66%左右。

3) 随着车体高度的增加，头车、中车和尾车的阻力系数均在减小，尾车受影响的程度最大，当从0 mm增加到350 mm时，整车的阻力系数减少7.55%。

4) 随着车体高度的增加，列车在横风下的倾覆力矩系数增加，因此，要根据具体的运行条件选取更优方案，若列车在常年有大风的环境下运行，如新疆地区，此时列车所受的气动力会因受到自然风的影响而出现明显的波动，则选取=0 mm的方案，即不应该对车身进行加高；若列车在环境风很小的地区运行，则选取=350 mm的方案更优。

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(编辑 阳丽霞)

Study of the optimization of air conditioner installation mode’s effect on aerodynamic performance of high speed train

HONG Qichen, YANG Mingzhi, DING Chang

(Key Laboratory of Traffic Safety on Track, Ministry of Education, School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Based on steady N-S equation of three-dimensional and uncompressible viscous fluid, the aerodynamic characteristics of the train under different schemes are simulated from two directions: the installation position and the height of the air conditioner. The results indicate that when the position of head car’s air conditioner is far from the front while the air conditioner position of the tail car keep close to the end of the train, the total resistance turns out to be the maximum, which is 2.6% higher than other programs; The resistance of the air conditioner decreases as the height of the train increases, when the increase of train height reaches 350 mm, the total resistance of three cars decreased by 7.55%, but at the same time the stability of the train running in the cross-wind will be worse.

high speed train; numerical calculation; shape optimization; air conditioner; aerodynamic performance

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2018.10.024

U270.38+3

A

1672 − 7029(2018)10 − 2631 − 08

2017−08−13

国家自然科学基金资助项目(U11372360)；国家科技支撑计划资助项目(2015BAG12B01)

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