25K型铁路客车风挡气动阻力模拟计算

赵博洋，李江利，李谷越

（1.新疆铁道职业技术学院组织人事处，新疆 乌鲁木齐 830011；2.新疆铁道职业技术学院产学合作处，新疆 乌鲁木齐 830011；3.中国铁路北京局集团有限公司丰台机务段，北京 100071）

列车在运行中受到的阻力主要分两个类型，分别是基本阻力和附加阻力。这其中基本阻力又分为机械阻力和空气阻力。列车的空气阻力由三方面所构成，即压差阻力、摩擦阻力和干扰阻力。一般而言，对于在准高速以下行驶的列车而言空气阻力在总阻力中所占比例不是最大的，但通过一些有效技术手段来降低列车的空气阻力依然十分必要。

风挡的作用是连接车辆与车辆，风挡是列车车端连接装置中的最重要的组成部分之一，同时也是列车乘务人员和旅客同志通行的安全通道。在列车运行过程中，风挡主要起到密封及降噪等重要作用，来提高旅客乘坐时的舒适度。

1 物理模型

文章采用SolidWorks 2014软件完成25K铁路客车车体及风挡的三维模型的设计，采用ANSYS fluent软件完成模拟计算25K型客车车体风挡处的外部流场；通过模拟计算，得到25K型客车车体风挡处空气迹线的流动状态；通过模拟，得到25K型客车车体风挡处的气动阻力，并确定气动阻力与列车速度的关系；在车体的风挡处增设外风挡，验证了可以起到降低气动阻力的目的。

2 气动阻力模拟分析

在完成前期的三维建模步骤后，就要计算25K铁路客车风挡处的气动阻力的大小，可以通过软件CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）ANSYS FLUENT 14.5对25K铁路客车风挡处进行了气动阻力模拟分析。

为了比较没有加外风挡的25K铁路客车与加了外风挡25K铁路客车的气动阻力大小，验证外风挡是否可以减小25K铁路客车的气动阻力这一假设，现将模拟风洞的风速分别设置为 50 km/h、100 km/h、150 km/h、200 km/h，然后计算了两种的压差阻力和摩擦阻力。为了更加明显地比较出两种不同风挡的客车在相同速度时的空气总阻力，现利用Grapher软件绘制出2种风挡的速度-气动阻力图。如图1所示。

图1 速度-气动阻力拟合曲线

由图1可知，加外风挡的25K客车，其端部连接处因采用全包围的外风挡，优化了列车连接处流线形状，其气动阻力系数明显低于只有内风挡的客车。据计算结果可知速度越高空气阻力差别越大，比较计算在200km/h时，外风挡列车的空气阻力比没有加外风挡的列车小大约33%。通过对比分析可知，加挂外风挡可以显著降低列车的气动阻力。

3 结语

风挡作为列车车辆系统的重要组成部分，其自身的气动阻力与旅客乘坐的舒适度有较大关系。利用风挡的气动阻力模拟分析这一途径，能对铁路客车风挡外形的设计开辟一种新的研究途径，文章以25K铁路客车橡胶风挡作为研究对象，模拟计算其气动阻力，然后通过与加挂外风挡的25K铁路客车的气动阻力相比较发现加了外风挡的25K铁路客车的气动阻力要明显小于只有橡胶风挡的列车。据计算结果可知速度越高空气阻力差别越大，在200km/h时，外风挡列车的空气阻力比没有加外风挡的列车小33%。