明线运行列车气动地面效应数值模拟

张 胜，戴志远，李 田

明线运行列车气动地面效应数值模拟

张 胜1，戴志远2，李 田2

（1. 西南交通大学，轨道交通国家实验室（筹），成都 610031；2. 西南交通大学，牵引动力国家重点实验室，成都 610031）

通过数值仿真方法研究了滑移地面以及旋转轮对对明线运行列车气动性能的影响。首先, 建立了三车编组列车计算模型, 考虑固定和滑移两种不同的地面边界条件、固定和滑移两种不同的路基边界条件、静止和旋转两种不同的轮对边界条件; 其次, 基于风洞试验数据验证了数值仿真的可靠性, 表明了剪切应力运输湍流模型和网格划分的可行性和有效性; 最后, 对比四种不同组合下的明线运行列车气动性能。研究结果表明: 固定地面将得到偏低的列车气动阻力系数, 约减少4.27%; 滑移路基使得尾车气动阻力系数和整车阻力增加约1.87%, 引起这一差异主要原因在于地面和路基的表面附面层厚度差异; 静止轮对和旋转轮对对列车气动阻力和升力系数都小于1.0%，因此, 列车气动风洞试验可以忽略轮对旋转的影响, 考虑地面边界和路基边界的影响。

地面效应；列车空气动力学；气动性能；滑移地面；旋转轮对

0 引 言

高速列车是一种贴地运行的交通工具，地面对列车运行时的气动性能可能存在影响。目前，研究列车空气动力学的主要方法包括理论分析、风洞试验[1-2]和数值模拟[3-7]。由于列车外形的复杂性，列车空气动力学相关的理论分析应用较少，实车试验较为广泛，但主要都是针对列车会车[8]、通过隧道[9]等测试。明线运行列车的空气动力学研究工作主要采用风洞试验和数值模拟，两者相辅相成。风洞试验数值结果可以验证数值模拟结果的准确性[4-7]，而数值模拟可以更加全面地了解列车气动性能，包括表面压力和流场等[4-7]。

风洞试验主要针对列车头型及其他涉及减小气动阻力的优化方案，黄志祥等[10]通过风洞试验研究了空调导流罩、车身侧面裙板和外风挡的减阻优化效果，为高速列车减小气动阻力和外形优化提供了参考依据。张在中等[2]通过风洞试验对比了以CRH2为原型的4种不同纵向长细比高速列车模型气动性能，分析了雷诺数对列车气动力系数的影响。研究结果表明：列车流线型头部越长越有利于降低空气阻力；当列车流线型长度相差不大时，纵向长细比系数越大越利于减阻。黄志祥等[11]研究了列车风洞试验模拟方式和试验条件等因素对试验结果的影响，尤其是气动阻力。路基的存在会使得头车、中间车、尾车和整车的气动阻力都明显减小，并给出了路基前端距离车头的长度建议和路基前端斜坡坡度建议，此外，固定地板表面附面层厚度偏大，将导致气动阻力试验结果偏小。夏超等[12]利用数值模拟方法对列车风洞试验的地面效应问题进行研究，比较了移动地面、静止地面和不同离地间隙工况下气动性能。Zhang等[13]利用分离涡模型对CRH2的地面效应开展了类似研究；赖晨光等[14]通过对单向翼翼型的优化，改善了一种气动悬浮列车的地面效应；PREMOLI等[15]比较了横风作用下静止列车和运行列车的气动性能差异。

由于地面效应很难通过实车试验来获取且风洞试验对风洞地面性能要求较高，数值模拟可以通过验证并对不同的地面条件以及轮对旋转等效应开展研究。部分研究[16-17]对横风下列车空气动力学进行了数值仿真，但是未详细分析地面效应；有部分研究[11-14]通过数值仿真或者风洞试验方法探讨了列车空气动力学的地面效应，但是未考虑轮对旋转或者滑移路基等因素。本文主要利用数值仿真方法研究滑移地面、滑移路基以及旋转轮对对明线运行列车气动性能的影响，并阐述列车表面压力及周围流场的差异。

1 计算模型、网格及方法

1.1 列车计算模型

图1为风洞试验中的三车编组列车模型，缩尺比例为1/8，包括头车、一节中间车、尾车、拖车转向架、动车转向架、风挡、路基和轨道。头车和中间车的长度分别为26.25m和24.5m，三车编组总长度为78m。车体宽度为3.76m，车体高度为3.7m，中间车车与车之间的风挡留有10mm间隙。

1.2 计算区域及边界

图2（a）给出了计算区域及边界条件，其中入口距列车鼻尖10，左右侧及顶部距离列车10，车尾距离出口20。入口速度in为97.22m/s（350km/h），左右侧及顶部均设置为对称边界，出口设置为压力出口边界，列车表面均设置为无滑移壁面，地面及轮对根据不同工况设置不同。图（b）给出了旋转轮对及轮轴。

表1给出了四种数值仿真模拟工况，其中地面包括固定和滑移边界，路基包括固定和滑移边界，轮对包括固定和旋转两种情况。由于计算量较大且主要对比不同部位两种不同边界条件的影响，因此选用四种工况。

表1 四种数值仿真工况

Tab.1 Four cases for the numerical simulation

1.3 计算方法

数值仿真选取SST-湍流模型[4]，计算使用双精度模型，压力速度耦合方程选取SIMPLEC算法。压力、动量和密度方程均使用二阶迎风离散格式，所有计算均采用CFD商业软件ANSYS FLUENT 15.0。

1.4 计算网格

网格主要以六面体为主，四面体为辅。车体表面网格尺寸为基准尺寸的1/32至1/64，转向架表面网格尺寸为基准尺寸的1/64至1/128，车体及转向架附近都划分了边界层，第一层网格高度为0.05mm，保证车体壁面+为1左右。两种不同基准尺寸0.14m和0.1m下的计算网格数量分别为5 383.22万和8 632.47万，生成的计算截面及附近网格如图3所示。

图3 计算网格

表2给出了不同网格数量下头车阻力和升力系数的结果比较，从中可以看出，网格数量从5 383.22万增加到8 632.47万，头车阻力系数和升力系数基本没有变化，误差在1.5%内，因此，后续计算均采用网格1。

表2 网格数量对头车气动力系数的影响

2 计算结果

计算结果比较主要包括以下三个方面：气动力系数、速度分布和压力分布。

2.1 气动力系数比较

表3给出了四种工况下数值仿真得到的气动阻力系数、升力系数与风洞试验结果的对比。从表3可以看出，工况2的计算结果从各车及整车角度几乎最接近风洞试验的阻力系数，整车气动阻力系数误差为1.09%。当采用固定地面时，将引起附面层厚度的增加，所以工况1中头车、中间车和尾车的气动阻力系数均小于工况2的计算结果，考虑固定地面得到的整车气动阻力系数要减少4.27%；当考虑滑移地面和滑移路基时，尾车气动阻力和整车阻力系数均有一定的增加（约增加1.87%）；工况3和工况4得到的阻力系数相对误差仅为0.63%，即旋转轮对对气动阻力系数基本没有影响。

表3 不同工况下数值仿真计算结果与试验结果对比

各工况下头车的升力向下，中间车的升力接近于0，尾车的升力向上。考虑滑移地面和滑移路基时对头车和尾车的升力有一定的影响，旋转轮对对头车和尾车的升力影响较小。

表4给出了四种工况下数值仿真得到的典型部件气动阻力系数对比。头车车体的气动阻力系数最大，尾车次之，六个转向架中头车一位端转向架的气动阻力系数最大，这与其位置相关。滑移地面对头车车体的气动阻力影响较大，滑移基对转向架的气动阻力影响较大，旋转轮对对车体及转向架的气动阻力系数基本没有影响。

表4 不同工况下主要部件气动阻力系数对比

2.2 速度分布比较

图4给出了不同工况下纵向中心截面（= 0 m）的速度云图。从图中可以看出路基前端和头车鼻尖流线型部位上方的气流速度明显增加。尾车车体底板的速度比头车车体下方的速度慢，这是由于车体附面层的发展，远离流场入口的位置附面层高度增加，速度变小。

当采用固定地面时，路基前方的地面附面层高度不断增加（见图（a）），路基前端上方较近位置的气流加速效应更加明显，而在路基上方较高处的气流速度较小，较高处气流速度的差异造成了列车流线型附近区域速度的差异（比较图（a）和（b）的路基前端）。考虑了滑移地面以后，列车流线型附近区域的速度较大（见图（a）与其他图的比较）。

相比固定路基工况，考虑滑移路基时头车和尾车车体下方的速度所有下降，而头车车体上方的高速区域有所增加，轮对旋转与否对周围气流的影响较小。

图4 不同工况下纵向中心截面速度云图

2.3 压力分布比较

图5为头车纵向中心剖面（= 0 m）压力沿纵向距离的分布曲线，从图中可以看出，不同工况下的压力分布规律一致，排障器处的正压最大，头车鼻尖处的正压次之；排障器后方的负压幅值最大，转向架区域附近也出现较大的负压。工况3和工况4的压力曲线基本重合，因此，两种情况下的头车气动力系数基本一致。从图5（b）可知，相比鼻尖同一位置，工况1鼻尖压力幅值几乎处处最小，因此，工况1下的头车气动阻力系数最小；工况2鼻尖压力幅值几乎处处最大，因此，工况2下的头车气动阻力系数最大。从图5可以看出，滑移地面和滑移路基情况下，头车车顶的压力幅值略大于固定路基情况，因此，头车的升力系数要大于固定路基下的系数。

图6为尾车纵向中心剖面（= 0 m）压力沿纵向距离的分布曲线，可以看出，不同工况下的压力分布规律一致，车体大部分区域为负压，在流线型局部出现正压。工况3和工况4的压力曲线基本重合，因此，两种情况下的尾车气动力系数基本一致。从图（b）可知，在靠近尾部鼻尖同一位置，工况1和工况2鼻尖压力较之另外两种工况下的压力要大，因此，工况1和工况2下的尾车气动阻力系数相对较小。

图5 头车纵向中心线压力分布

图6 尾车纵向中心线压力分布

3 结 论

通过数值仿真方法研究了滑移地面、滑移路基以及旋转轮对对明线运行列车气动性能的影响，主要结论如下：

（1）基于风洞试验数据验证了数值仿真的可靠性，表明了SST湍流模型和网格划分的可行性和有效性。

（2）固定地面将得到偏低的列车气动阻力系数，约减少4.27%；滑移路基对尾车气动阻力系数和整车阻力有一定的影响，引起这一差异的主要原因在于地面和路基的表面附面层厚度有差异，旋转轮对对列车气动阻力和升力的影响较小。

（3）建议列车气动风洞试验可以忽略轮对旋转的影响，应考虑地面边界和路基边界的影响。

[1] DORIGATTI F, STERLING M, BAKER C J, et al. Crosswind effects on the stability of a model passenger train—a comparison of static and moving experiments [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2015, 138, 36-51.

[2] 张在中, 周丹. 不同头部外形高速列车气动性能风洞试验研究[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2013, 44(6): 2603-2608.

[3] 李田, 张继业, 张卫华. 列车通过引起轨侧脉动压力波的数值模拟[J]. 机械工程学报, 2017, 53(8): 115-123.

[4] LI T, HEMIDA H, ZHANG J Y, et al. Comparisons of shear stress transport and detached eddy simulations of the flow around trains[J], Journal of Fluids Engineering, 2018, 140, 111108.

[5] MORDEN J A, HEMIDA H, BAKER C J. Comparison of RANS and detached eddy simulation results to wind-tunnel data for the surface pressures upon a class 43 high-speed Train [J]. Journal of Fluids Engineering, 2015, 137, 041108.

[6] HEMIDA H., Baker C., LES of the flow around a freight wagon subjected to crosswind[J]. Computers & Fluids, 2010, 39, 1944-1956.

[7] FLYNN D., HEMIDA H., SOPER D., et al., Detached- eddy simulation of the slipstream of an operational freight train[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2014, 132, 1-12.

[8] 李明水, 雷波, 林国斌, 等. 磁浮高速会车压力波和列车风的实测研究 [J]. 空气动力学学报, 2006, 24(2): 209-212.

[9] 刘堂红, 田红旗, 金学松. 隧道空气动力学实车试验研究[J]. 空气动力学学报, 2008, 26(1): 42-46.

[10] 黄志祥, 陈立, 蒋科林. 高速列车减小空气阻力措施的风洞试验研究[J]. 铁道学报, 2012, 34(4): 16-21.

[11] 黄志祥, 陈立, 蒋科林. 高速列车空气动力学特性的风洞试验研究[J]. 铁道车辆, 2011, 49(12): 1-6.

[12] 夏超, 单希壮, 杨志刚, 等. 风洞地面效应对高速列车空气动力学特性的影响[J]. 铁道学报, 2015, 37(4): 8-16.

[13] ZHANG J, LI J, TIAN H Q, et al. Impact of ground and wheel boundary conditions on numerical simulation of the high-speed train aerodynamic performance[J]. Journal of Fluids and Structures, 2016, 61, 249-261.

[14] 赖晨光, 任浡麒, 阎志刚, 等. 气动悬浮列车单向翼翼型优化与地面效应分析[J]. 空气动力学学报, 2017, 35(1): 123-128.

[15] PREMOLI A, ROCCHI D, SCHITO P, et al. Comparison between steady and moving railway vehicles subjected to crosswind by CFD analysis [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2016, 156, 29-40.

[16] HEMIDA H, BAKER C J. LES of the flow around a freight wagon subjected to crosswind [J]. Computers & Fluids, 2010, 39, 1944-1956.

Numerical Simulation of Aerodynamic Ground Effect of a Train Running in the Open Air

ZHANG Sheng1，DAI Zhi-Yuan2，LI Tian2

(1. Laboratory for Rail Transportation, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. State-key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

The effects of moving ground and rotating wheelsets on the aerodynamic performance of a train running in the open air were studied by numerical simulation. First, a train model with a head car, middle car, and tail car was established; different boundary conditions for the ground, embankment, and wheelset were considered; the two different ground boundary conditions were static and moving, the two different embankment boundary conditions were also static and moving, and the two different wheelset boundary conditions were static and rotating. Based on wind tunnel experimental data, the reliability of numerical simulation was verified showing the feasibility and effectiveness of the Shear Stress Transport (SST) turbulence model and mesh. Finally, the aerodynamic performances of the train running in the open air under four different situations were compared. The research results show that the static ground resulted in a lower aerodynamic drag force coefficient for the train, approximately 4.27%. The moving embankment had a certain influence on the aerodynamic drag coefficients of the tail car and the whole train with an increase of 1.87%. This difference is mainly caused by the difference in the boundary layer thickness of the ground and embankment. The boundary conditions of the wheelset had less influence on the aerodynamic drag and lift coefficients of the train within a difference of 1.0%. Therefore, the influence of the wheelset rotation can be ignored in the wind tunnel experiments for trains, whereas the influence of the boundary conditions of the ground and embankment should be considered.

ground effect; train aerodynamic; aerodynamic characteristic; moving ground; rotatingwheel

U271.91

A

10.3969/j.issn.1672-4747.2020.01.016

1672-4747（2020）01-0120-07

2019-05-02

四川省科技计划（2019YJ0227）；中国博士后科学基金（2019M663550）；国家自然科学基金（51605397）

张胜（1979—），男，西南交通大学讲师，硕士，主要研究方向：轨道交通质量基础和计算机应用技术，E-mail：zhang @swjtu.edu.cn

张胜，戴志远，李田. 明线运行列车气动地面效应数值模拟[J]. 交通运输工程与信息学报，2020，18（1）：120-125, 132.

（责任编辑：刘娉婷）