王 進，高敦升，李 斌

（南車青島四方機車車輛股份有限公司 高速列車系統(tǒng)集成國家工程實驗室（南方），青島 266111）

線間距是指相鄰兩股道線路中心線之間的最短距離。線間距的大小直接影響到鐵路建設的成本，而高速列車（車速達250 km/h～300 km/h時）空氣阻力占總阻力的75%以上[1]。合理的線間距，既可以減少線路的建設成本，又使得列車保持合適的氣動阻力，減少能耗。

目前復線上運行的列車全部是相向而行，在區(qū)間影響線間距的主要因素是列車交會時產生的會車壓力波。但現(xiàn)有的復線運行模式，無法滿足春運等客流量高峰期間的需求量。在單方向運輸需求大的情況下，將現(xiàn)有的鐵路線路，由單車道增加到兩車道會解決春運等高峰期一票難求的現(xiàn)象，同時也能滿足未來鐵路運輸越來越大的需求量，而且由于在某些特殊情況下，也有可能出現(xiàn)兩車并行運行的狀況。故需要考慮兩列高速列車同向并行運動時線間距對車體氣動阻力的影響?，F(xiàn)今國內外在高速列車交會時對線間距距離的計算已經(jīng)有很多[2～6]，但還沒有關于高速列車同向并行運行時對線間距的仿真計算。本文將采用數(shù)值模擬計算的方法，對速度在100 km/h～400 km/h區(qū)間內，不同線間距對兩列高速列車同向并行運行時氣動阻力的影響進行仿真計算，并得出結論。

1 列車計算幾何模型

本文以國內某新型動車組外型為參考，采用1∶1實車比例模型，考慮到計算機的計算能力，編組方式為3節(jié)聯(lián)掛，即：頭車+中間車+尾車。其基本形狀如圖1。

圖1 全車模型

2 數(shù)值計算

2.1 計算域場和網(wǎng)格劃分

考慮空氣繞流和流場的充分發(fā)展，此次計算兩列列車同向運行，中間位置是中截面幾何對稱，因此采用對稱計算域如圖2。列車前方長度約為150 000mm，后方約為250 000mm，上方約為40 000mm，外側為15 000mm，內側分別為1 500mm、2 000mm、2 500mm和 3 000mm。

圖2 計算域示意圖

全域場網(wǎng)格劃分采用非結構網(wǎng)格，車體和制動風翼表面為三角形網(wǎng)格，為更好地模擬附面層效應，在緊靠車體和風翼表面空間上采用多層三棱柱五面體網(wǎng)格，在空間其他位置采用四面體網(wǎng)格，如圖3。在保證計算精度的前提下，節(jié)省了網(wǎng)格數(shù)目并提高了計算速度。本次計算所有網(wǎng)格數(shù)目控制在2 000 000左右。

圖3 網(wǎng)格劃分

2.2 控制方程與湍流模型

在運行速度小于300 km/h時，采用的是不可壓縮流計算方式，大于300 km/h時，按照可壓縮流計算。湍流模型選用帶旋流修正的k-e（Realizable k-e）兩方程模型，此模型對于旋轉流動、強逆壓梯度的邊界層流動、流動分離和二次流都有著很好的表現(xiàn)。具體公式如下：

Gk、Gb分別是由層流速度梯度和浮力產生的湍流動能，YM是在可壓縮湍流中，過渡擴散產生的波動，C1，C2，C3是常量，σk和σε是k方程和e方程的湍流Prandtl數(shù)，Sk和Sε是自定義的值。

在本文中，重要常數(shù)的取值為C1ε=1.44，C2=1.9，σk=1.0，σε=1.2。

3 計算結果分析

本文計算的線間距分別為3 m、4 m、5 m、6 m，車速為100 km/h、200 km/h、250 km/h、300 km/h、350 km/h、400 km/h。由圖4可以看出，雙車同向運行且線間距相同時，隨運行速度的增大，氣動阻力大幅增加。當運行速度相同時，隨著線間距的增大，車體氣動阻力不同程度的減小。

圖4 不同線間距下車體氣動阻力比較

車體的氣動阻力主要由粘性阻力和壓差阻力組成。由圖5可以看出，氣動粘性阻力隨運行速度的增加而增大，但相同速度不同線間距下，車身氣動粘性阻力幾乎相等。這也說明了線間距變化對車身的氣動粘性阻力影響很小。

圖5 不同線間距下車體氣動粘性阻力比較

由圖6可以看出，相同線間距下，氣動壓差阻力隨著運行速度增加而增大，而當速度相同時，隨線間距減小，氣動壓差阻力同步減少，并且速度在100 km/h～250 km/h之間時，線間距每減少1 m，壓差阻力的變化值比速度大于300 km/h時的壓差阻力變化值要大。這也說明了當速度在100 km/h～250 km/h之間時，線間距的變化對車體壓差阻力影響較大，而當速度大于300 km/h時，線間距對車體壓差阻力的影響較小。

圖6 不同線間距下車體氣動壓差阻力比較

壓差阻力主要是由氣流在車尾區(qū)域產生氣體分離現(xiàn)象導致的，由圖7可以看出，速度為200 km/h時，線間距為3 m和6 m時，車體尾部氣體分離程度加深，導致車體頭尾部壓力分布變化明顯，這也導致3 m時的壓差阻力大于6 m的情況。而從圖8可以看出，當速度為400 km/h，線間距3 m和6 m時的車體頭尾部壓力分布基本一致，這也說明了線間距的變化對400 km/h時的車體上壓力分布影響很小。

圖7 200km/h車體周圍壓力云圖

4 結束語

本文仿真計算了在不同線間距、運行速度下3節(jié)編組形式的新型動車組的氣動阻力。通過比較分析發(fā)現(xiàn)，氣動壓差阻力對總氣動阻力的變化值起主要影響作用，而氣動粘性阻力影響很小。當列車同向并行運動速度超過300 km/h時，可以不考慮6 m以下線間距變化對氣動阻力的影響，而當速度低于300 km/h時，在6 m以下線間距，列車受到的氣動阻力隨線間距增大而明顯減小。未來需要更進一步研究氣動阻力、能耗和建設成本等綜合因素，找到解決問題最優(yōu)的方式。

圖8 400km/h車體周圍壓力云圖

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