不同形式的风挡对高速列车气动阻力及升力的影响

杨恩宇，胡家声，陈尧

（昆明铁道职业技术学院，昆明 650200）

0 引言

列车运行速度的不断提升对列车的气动性能提出了更高的要求。仅就列车运行阻力而言，相关研究表明，若列车运行速度达到200 km/h，则空气阻力在总阻力中的占比可达75%[1-2]。因此，通过优化列车各部分的结构来提高列车的气动性能成为列车提速和节能环保的共同要求。

风挡装置在列车中起着遮风挡雨和连通车厢的重要作用。由于两节车厢的风挡连接处密布各种管路和线路，还有车钩缓冲器等机械结构，且风挡外形相对于车身表面不够光滑平顺，故其成为影响高速列车气动性能的重要因素之一[3-4]。梁习锋等[5]通过数值模拟分析了不同风挡对高速列车运行过程中空气阻力的影响，分析指出大风挡和全封闭风挡对降低列车运行空气阻力有明显作用。黄志祥等[6]通过风洞试验对高速列车的两种风挡结构进行了研究，认为两种不同结构的风挡形式只影响了车厢之间的气动阻力分配，对全车总阻力影响很小。黄莎等[7]对列车风挡处的噪声问题进行了数值模拟研究，分析了风挡处的噪声特点并提出了降低噪声的有效措施。本文通过数值模拟方法，研究了仅具内风挡、内风挡+半开放式外风挡及内风挡+全封闭式外风挡3种不同的内外风挡组合形式对高速列车运行过程中气动阻力及升力的影响。

1 物理模型与网格划分

1.1 整车模型及风挡模型

本文中的高速列车模型参照CRH380A型动车组建立，采用NURBS方法（Non-Uniform Rational B-Spline）完成高速列车的车头曲面建模，车头模型如图1所示。考虑到研究模型的代表性及计算机的计算能力，选择3辆编组形式，模型包括头车Car 1、中间车Car 2及尾车Car 3。需要说明的是，Face 1和Face 3分别为Car 1和Car 2的后端面，Face 2和Face 4分别为Car 2和Car 3的前端面，Face 1与Face 2之间的风挡部分被命名为Windshield 1-2，Face 3与Face 4之间的风挡部分被命名为Windshield 3-4（内风挡+全封闭式外风挡工况中的4个端面被隐藏在外风挡内部，故该工况无Face 1、Face 2、Face 3和Face 4）。建模时忽略列车受电弓、转向架、门窗等部件，这些简化是必要而且合理的。3辆编组列车模型全长78.0 m，整车模型如图2所示。

图1 车头模型

图2 整车模型

我国早期的CRH系列动车组引进多国技术，由于原型车的差异，因此风挡形式多样，未形成统一标准，风挡所用材质也有所区别。为了使研究结果具有一定的代表性，本文采用3种最具代表性的风挡形式进行研究，分别是：仅具内风挡、内风挡+半开放式外风挡以及内风挡+全封闭式外风挡。仅具内风挡的形式结构简单，但风挡处形成较大间隙，且连接处的管路、线路及机械结构直接外露；内风挡+半开放式外风挡的形式较为常见，半开放式外风挡仅遮挡车厢连接处的侧面，车厢顶部和底部未封闭；内风挡+全封闭式外风挡的形式是在内风挡外侧设有全封闭式外风挡，全封闭式外风挡将车厢连接处的内部设施设备严密包围，其外形流畅，为了应对车厢之间的相对转动，全封闭式外风挡一般采用橡胶材料。3种不同形式的风挡模型如图3所示。

图3 不同形式的风挡模型

1.2 计算域及网格划分

本研究中列车运行工况为明线运行，考虑到明线运行时列车尾流的影响，计算域应在列车尾部留下足够的空间，计算域后端面距离列车尾部52 m，计算域前端面距离列车头部30 m，计算域宽度为30 m，计算域高度为20 m，计算域底面距离列车底部0.2 m。

车头流线型部分曲率变化较大，车端连接处是本文的主要研究对象，故对列车头部和车端连接处两个部位的网格进行加密处理。为了准确描述列车周围流场情况，对列车表面边界层进行了棱柱网格加密，车身表面第一层网格高度取1 mm。车身周围采用密度盒加密，密度盒之外的区域由于远离列车表面，网格过密不仅不能提高计算精度，反而会影响计算速度，故采用较大网格，计算域及网格划分如图4所示。

图4 计算域及网格划分（单位：m）

2 计算方法与边界条件

列车高速运行时，列车周围空气的流动状态依然满足流体的控制微分方程，根据列车运行参数算出来流马赫数接近或大于0.2，车体附近雷诺数Re达到107数量级，故车体周围应按可压缩流体的湍流模型进行计算。采用雷诺时均方程法和κ～ε两方程湍流模型求解。空间离散格式采用有限体积法的Roe格式[8-9]。

计算域入口设为压力远场边界，静压为3200 Pa，来流马赫数为0.163、0.245和0.327，分别对应200 km/h、300 km/h和400 km/h时速，湍流度取1%，湍流黏度比取1；计算域出口设为压力出口边界，出口静压为0 Pa；计算域侧面及顶面设为对称边界；由于列车在实际运行过程中与地面发生相对运动，因此将计算域地面设为移动壁面边界，车体表面设为刚性光滑壁面。

3 结果分析

为了方便下文分析，此处定义气动阻力系数Cd和气动升力系数Cl[10]。

式中：Fx为列车气动阻力；Fz为列车气动升力；ρ为空气密度；A为列车最大横截面积。

3.1 风挡局部速度矢量及端面压力分析

图5为列车在300 km/h速度时，俯视距车底1.5 m高度水平截面内3种形式的风挡单侧面的速度矢量图，从图中可以看出，仅具内风挡工况中，风挡处气流速度减慢，风挡凹槽内部有明显涡流；内风挡+半开放式外风挡工况中，内外风挡之间的空腔内形成低速内部涡流，但对沿列车表面的空气流动速度影响较小；而内风挡+全封闭式外风挡工况中，车厢连接处平顺光滑，未对车体表面气流速度造成明显影响。由此可以看出，采用内风挡+全封闭式外风挡的高速列车车厢连接处的空气流速分布情况最为理想。

图5 不同形式的风挡单侧面速度矢量图

选取300 km/h速度下列车Face 2面为研究对象，仅具内风挡及内风挡+半开放式外风挡工况下列车Face 2面的压力云图如图6所示（由于内风挡+全封闭式外风挡工况无Face 2面，故不讨论）。从图中可以看出，无论采用哪种风挡形式，Face 2面均同时出现正压和负压，Face 2面边缘以正压为主，内部以负压为主。仅具内风挡的Face 2面负压比较集中，且负压峰值达到-918 Pa；采用内风挡+半开放式外风挡形式的Face 2面负压分布比较均匀，且负压峰值相对于仅采用内风挡的有所减小。

图6 Face2端面压力云图（单位：Pa）

3.2 气动阻力分析

图7给出了采用3种不同形式风挡列车的气动阻力系数，从图中可以看出，仅具内风挡的列车的气动阻力系数最大，采用内风挡+半开放式外风挡的列车比仅具内风挡的列车气动阻力系数减少了约7%，采用内风挡+全封闭式外风挡的列车比仅具内风挡的列车气动阻力系数减少了约20%。结合上文中的速度矢量图分析，可认为外风挡的存在减小了车厢连接处列车表面气体流动的分离，从而减小了整车的气动阻力。此外，从图中还可以看出，随着列车运行速度的增大，采用3种不同形式风挡列车的气动阻力系数都呈下降趋势，列车运行速度从200 km/h提高到400 km/h，气动阻力系数降低了约14%。

图7 采用不同形式风挡列车的气动阻力系数

研究风挡处局部的气动阻力有利于进一步探究不同的风挡结构对列车气动性能的影响。表1给出了300 km/h速度下3种不同形式的风挡处各局部的气动阻力，从表中可以看出，相对于仅具内风挡的列车，采用内风挡+半开放式外风挡的列车在Face 1面所产生的气动阻力绝对值减小了10.8%，在Face 2面上减小了8.2%，在Face 3面上减小了10.3%，在Face 4面上减小了7.7%，1-2总阻力减小了45.2%，3-4总阻力减小了51.2%；相较于仅具内风挡的列车，采用内风挡+全封闭式外风挡的列车在1-2及3-4所产生的总阻力非常小，仅为仅具内风挡的列车的4.3%和4.5%。此外从表中还可以看出，风挡本身（Windshield 1-2和Windshield 3-4）所产生的气动阻力较小，车厢连接处的气动阻力主要由前后两个端面的阻力差造成。

表1 300 km/h速度下不同风挡各局部的气动阻力 N

3.3 气动升力分析

图8给出了分别采用3种不同形式风挡列车的气动升力系数，从图中可以看出，采用3种不同形式的风挡的列车气动升力系数均为负值，当列车运行速度在350 km/h以下时，采用内风挡+全封闭式外风挡列车的气动升力系数绝对值最大；采用内风挡+半开放式外风挡列车的气动升力系数绝对值最小；且采用内风挡+全封闭式外风挡及内风挡+半开放式外风挡列车的气动升力系数绝对值随着速度的提高呈减小的趋势。而列车运行速度对仅具内风挡的列车气动升力系数影响不大。

图8 采用不同形式风挡列车的气动升力系数

已有的研究显示，列车在明线运行过程中，头车升力一般为负值，尾车升力一般为正值。列车运行中车辆所受升力无论正负，均会对列车的运行产生不良影响，较大的负升力会使得车辆的动态轴重增加，轮对及钢轨磨耗加剧，反之，较大的正升力会减小轮轨之间的黏着力，在动力车上会造成牵引力的下降，而且过大的正升力可能导致列车脱轨，危及行车安全。

经计算，当列车速度为300 km/h时，不同风挡工况下各节车的气动升力系数如表2所示。从表中可以看出，无论列车采用何种形式的风挡，其头车（Car 1）均受负升力，尾车（Car 3）均受正升力，仅具内风挡时，其头车和尾车升力的绝对值较大；采用内风挡+半开放式外风挡及内风挡+全封闭式外风挡时，头车和尾车的升力状况有所改善，其中内风挡+半开放式外风挡的头车升力绝对值在3种工况中为最小，内风挡+全封闭式外风挡的尾车升力绝对值在3种工况中为最小，可见增加外风挡后头尾车升力状况有所改善。

表2 各节车气动升力系数

4 结论

1）采用内风挡+全封闭式外风挡的高速列车车厢连接处的空气流速分布情况最为理想；相对于仅具内风挡的结构，增加半开放式外风挡可使车厢连接处端面压力分布相对均匀。

2）采用不同形式风挡的列车气动阻力系数的大小顺序为：仅具内风挡>内风挡+半开放式外风挡>内风挡+全封闭式外风挡，采用内风挡+半开放式外风挡的列车比仅具内风挡的列车气动阻力系数减少了约7%，采用内风挡+全封闭式外风挡的列车比仅具内风挡的列车气动阻力系数减少了约20%。外风挡的存在减小了风挡处列车表面气体流动的分离，从而减小了整车的气动阻力。

3）当列车运行速度低于350 km/h时，采用不同形式的风挡的列车气动升力系数：内风挡+全封闭式外风挡工况>仅具内风挡工况>内风挡+半开放式外风挡工况；仅具内风挡时，头车和尾车升力系数的绝对值较大，增加外风挡后头尾车升力状况有所改善。