左建勇，吳萌嶺，羅卓軍

（同濟(jì)大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院，上海200092）

隨著高速動車組運(yùn)行速度的提高，空氣流場對動車組影響越來越明顯［1］，資料及試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明當(dāng)高速列車以250km·h－1速度平穩(wěn)運(yùn)行時，空氣阻力約占列車總阻力的80%～90%以上［2］.高速動車組在運(yùn)行過程中其近地面空間將形成一個復(fù)雜的流場，該流場直接作用在車底及轉(zhuǎn)向架上，包括安裝在轉(zhuǎn)向架上的各個部件并相互作用［3－7］.因此，有必要研究其車下流場規(guī)律，進(jìn)而揭示高速動車組車下復(fù)雜流場環(huán)境與高速動車組之間的相互作用關(guān)系.本文在建立典型高速動車組模型、軌道等環(huán)境模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)流場有限元知識將高速列車整體仿真模型劃分為車頭部分、車尾部分、中間車前部及中間車后部四個計算區(qū)域，仿真分析了運(yùn)行速度為300 km·h－1時高速列車各部分的流場分布規(guī)律和運(yùn)行阻力分布規(guī)律.

1 仿真對象及模型

圖1為典型高速動車組及環(huán)境仿真對象，通過CATIA 等三維軟件建立列車模型，利用流場分析軟件確定車下近地面流場分析域，研究動車組運(yùn)行過程中列車與流場環(huán)境間的耦合關(guān)系.

仿真研究對象的流場復(fù)雜，網(wǎng)格數(shù)較多.六節(jié)編組動車組如果在同一模型中進(jìn)行計算，網(wǎng)格數(shù)將達(dá)7 000萬個，擬通過對稱分析簡化處理方式，采用小型工作站進(jìn)行仿真揭示其規(guī)律性變化關(guān)系.根據(jù)動車組及環(huán)境構(gòu)成特點(diǎn)，將模型劃分為車頭部分、車尾部分、中間車前部和中間車后部四種類別.通過這四種類別仿真的不同組合即可得出六節(jié)、八節(jié)等編組列車的仿真結(jié)果，圖2 為典型動車組模型劃分示意圖.

在進(jìn)行動車組類別劃分的基礎(chǔ)上，仍需對動車組各部分進(jìn)行簡化處理.車頭部分和車尾部分所采用的三維模型相同，區(qū)別在于Fluent軟件中所設(shè)置邊界條件有所差異，仿真中該部分建模如圖3a所示.車頭部分和車尾部分模型簡化如下：①轉(zhuǎn)向架采用無動力轉(zhuǎn)向架，對結(jié)構(gòu)復(fù)雜且對流場影響不大的部件進(jìn)行簡化，重點(diǎn)考慮構(gòu)架、軸箱、心盤、空氣彈簧、輪對、軸盤、輪盤以及制動盤夾鉗等對流場影響；②運(yùn)行環(huán)境中軌道模型采用整體道床，為了保證在最大程度模擬車下真實(shí)流場的前提下減少模型生成的網(wǎng)格數(shù)量，在轉(zhuǎn)向架附近設(shè)置了鋼軌以及軌枕對扣件進(jìn)行簡化；③刪除了車下轉(zhuǎn)向架附近車體裙邊及其周圍復(fù)雜結(jié)構(gòu)，一方面為簡化網(wǎng)格劃分減小計算模型規(guī)模，另一方面相對于轉(zhuǎn)向架和車體來說裙邊結(jié)構(gòu)面積較小且基本呈縱向分布，對分析列車阻力分布趨勢影響較小；④簡化了整個模型中影響網(wǎng)格劃分的小邊、小面、小體和小縫隙.

中間車前部和中間車后部所采用的三維模型相同，其Fluent軟件中所設(shè)置的邊界條件有所差異，仿真中該部分建模如圖3b所示.中間車前部和中間車后部模型簡化如下：①轉(zhuǎn)向架同樣為無動力轉(zhuǎn)向架，處理方式同車頭部分和車尾部分；②運(yùn)行環(huán)境中關(guān)于軌道的建模，處理方式同車頭部分和車尾部分；③簡化車輛連接處風(fēng)擋；④簡化整個三維模型中影響網(wǎng)格劃分的小邊、小面、小體和小縫隙.

2 仿真過程與結(jié)果

2.1 參數(shù)設(shè)置

動車組具有中截面幾何對稱特點(diǎn)，因此計算域采用對稱計算域，同時考慮了空氣繞流和流場的充分延展.根據(jù)實(shí)際計算需要采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分.將上述四種類別模型與空氣域采用布爾運(yùn)算可得到相應(yīng)空氣域模型.由于仿真模型復(fù)雜，因此在網(wǎng)格劃分時結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地方設(shè)置較小的網(wǎng)格尺寸，結(jié)構(gòu)簡單的地方設(shè)置較大的網(wǎng)格尺寸.以車頭部分為例說明網(wǎng)格劃分的策略如圖4所示，計算工況的空間單元體網(wǎng)格數(shù)約500萬.使用Gambit軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分：車下部分、轉(zhuǎn)向架及其附近空氣域以及軌道環(huán)境的網(wǎng)格劃分較密；車體表面附近網(wǎng)格劃分較密，但相對轉(zhuǎn)向架附近網(wǎng)格要疏；離車體表面及轉(zhuǎn)向架比較遠(yuǎn)的外側(cè)空氣域的網(wǎng)格較疏.車尾部分、中間車前部、中間車后部模型的網(wǎng)格劃分策略參照車頭部分進(jìn)行.

分別對車頭部分、中間車前部、中間車后部和車尾部分流場模型進(jìn)行分析，車頭部分的入口面另外設(shè)置在車頭前方，車尾部分出口面設(shè)置在車尾后方.如第一節(jié)車的車輛中部分界面作為車頭部分流場模型的出口面和中間車后部流場模型的入口面，第一節(jié)車后轉(zhuǎn)向架與第二節(jié)車前轉(zhuǎn)向架的分界面作為中間車后部流場模型的出口面和中間車前部流場模型的入口面.

四種類別算例在Fluent中邊界條件設(shè)置如下：入口截面均勻來流設(shè)置為300km·h－1，雷諾數(shù)以車體高度為特征長度取2.46×107；出口面設(shè)為壓力出口；地面為移動壁面邊界條件；對稱面為對稱邊界條件；車體表面為無滑移壁面邊界條件；流域上表面和側(cè)面設(shè)為對稱邊界條件.按不可壓縮定常計算方式進(jìn)行計算，湍流模型選用Realizablek－ε兩方程模型，并選用Coupled壓力修正算法對計算模型進(jìn)行一階精度計算，當(dāng)殘差收斂到10－3數(shù)量級后再進(jìn)行二階精度計算，直至殘差小于10－4.

2.2 仿真結(jié)果

圖5為車頭部分、車尾部分、中間車前部、中間車后部仿真壓力云圖，表1為相應(yīng)部分的仿真數(shù)值.可以看出：①車頭部分的前端有較大正壓力，最大正壓約4kPa；車底轉(zhuǎn)向架附近特別是轉(zhuǎn)向架前方出現(xiàn)負(fù)壓，最大負(fù)壓約2kPa.因此改善轉(zhuǎn)向架附近結(jié)構(gòu)設(shè)計可有效減小空氣阻力，同時也可改善流場對轉(zhuǎn)向架的受力影響.②車尾部分的車體表面呈現(xiàn)較大面積負(fù)壓，最小負(fù)壓出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向架附近約3kPa.同時在車尾部及轉(zhuǎn)向架靠尾部后側(cè)出現(xiàn)局部正壓變化.③中間車前部的轉(zhuǎn)向架來流方向壓力較大，轉(zhuǎn)向架附件區(qū)域紊流明顯，正負(fù)壓差最大約8kPa.④中間車后部的轉(zhuǎn)向架來流方向壓力較大，正負(fù)壓最大約6kPa，相比中間車前部而言轉(zhuǎn)向架附近空間的壓力變化平緩.

表1 仿真結(jié)果（300km·h－1）Tab.1 Simulation results of different parts（300km·h－1） N

3 對比分析

3.1 仿真數(shù)據(jù)分析

根據(jù)第2 節(jié)內(nèi)容，分析運(yùn)行速度為300km·h－1時六節(jié)編組動車組的運(yùn)行阻力可按式（1）進(jìn)行計算，結(jié)果如表2所示.從表中可知車體表面和車體上靠近轉(zhuǎn)向架附近所受阻力最大，分別占總阻力30.3%和33.6%，即整個車體所受的阻力占總阻力的63.9%，車下轉(zhuǎn)向架包括構(gòu)架、輪對和制動盤等占比為36.1%.式中：F為六節(jié)編組列車總阻力；F1為車頭部分阻力；F2為中間車后部阻力；F3為中間車前部阻力；F4為車尾部分阻力.

表2 六節(jié)編組列車以300km·h－1運(yùn)行時的各部分阻力仿真結(jié)果Tab.2 Drag values of different parts of a six－car train at 300km·h－1

3.2 試驗(yàn)對比

根據(jù)文獻(xiàn)［2］，ICE 和TGV－A 高速列車車體及關(guān)鍵部件的風(fēng)阻試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示.

圖6 為高速動車組模型仿真結(jié)果與ICE 和TGV－A 的數(shù)據(jù)對比結(jié)果.由圖6可知高速動車組在300km·h－1運(yùn)行時，車體表面及頭尾壓差形成的阻力為17～27kN；轉(zhuǎn)向架部分阻力約25kN；因轉(zhuǎn)向架附近空間及間隙等引起的阻力至少20kN.因此在關(guān)注動車組外形、車體等風(fēng)阻影響的同時應(yīng)重點(diǎn)考慮減小轉(zhuǎn)向架附近空間的風(fēng)阻影響，可通過設(shè)置必要的蓋板、導(dǎo)流機(jī)構(gòu)等措施改變車下環(huán)境的流場分布以減小風(fēng)阻影響.

表3 計算結(jié)果與ICE試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比（300km·h－1）Tab.3 Comparison of simulation and ICE test results（300km·h－1）

圖6 仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比Fig.6 Result comparison between the simulation and experiment

4 結(jié)論

（1）高速動車組在高速運(yùn)行時流場環(huán)境與列車相互作用，尤其是近地面車下環(huán)境將形成一個復(fù)雜的流場，有必要研究其耦合關(guān)系.

（2）建立了包含車下環(huán)境的高速動車組流場規(guī)律仿真模型，依據(jù)流場有限元知識提出將模型劃分為車頭部分、車尾部分、中間車前部及中間車后部四個類別的方法，有效提高了仿真計算效率，并給出了整體模型仿真計算公式.

（3）通過與部分高速列車如ICE 和TGV－A 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證了上述仿真思路與計算的可行性與合理性.

（4）針對所建立的六節(jié)編組動車組模型，仿真結(jié)果表明：其總體受力69.4kN，車下部分尤其是轉(zhuǎn)向架附近流場分布各異，紊流形式明顯，該部分阻力占總體阻力33.6%，正負(fù)壓力差最大為8kPa；建議在關(guān)注動車組外形、車體等風(fēng)阻影響的同時，重點(diǎn)考慮減小轉(zhuǎn)向架附近空間的風(fēng)阻影響.

［1］ 田紅旗.列車空氣動力學(xué)［M］.北京：中國鐵道出版社，2007.TIAN Hongqi.Train aerodynamics ［M］.Beijing：China Railway Press，2007.

［2］ 董錫明.高速動車組工作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)［M］.北京：中國鐵道出版社，2007.DONG Ximing. The working principle and structure characteristics of the high－speed EMU［M］.Beijing：China Railway Press.2007.

［3］ 田春，吳萌嶺，費(fèi)巍巍.空氣動力制動制動風(fēng)翼縱向位置制動力規(guī)律［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，39（5）：705.TIAN Chun， WU Mengling， FEI Weiwei. Rule of aerodynamics braking force in longitudinal different position of high－speed train［J］.Journal of Tongji University：Natural Science，2011，39（5）：705.

［4］ Raghunathan R S，Kim H D，Setoguchi T.Aerodynamics of high－speed railway train［J］.Progress in Aerospace Sciences，2002，38：469.

［5］ 任尊松，徐宇工，王璐雷，等.強(qiáng)側(cè)風(fēng)對高速列車運(yùn)行安全性影響研究［J］.鐵道學(xué)報，2006，28（6）：46.REN Zunsong，XU Yugong，WANG Lulei，et al.Study on the running safety of high－speed trains under strong cross winds［J］.Journal of the China Railway Society，2006，28（6）：46.

［6］ 梅元貴，許建林，趙鶴群，等.側(cè)風(fēng)環(huán)境下高速列車外部流場數(shù)值模擬方法研究［J］.工程力學(xué)，2012（6）：253.MEI Yuangui，XU Jianlin，ZHAO Hequn，et al.A research on numerical method of air flow around the high－speed train under crosswind［J］.Engineering Mechanics，2012（6）：253.

［7］ 荊江.高速列車及關(guān)鍵部件氣動性能數(shù)值分析［D］.北京：中國科學(xué)院力學(xué)研究所，2009.JING Jiang.Numerical analysis of aerodynamic performance on high－speed train and key components［D］.Beijing：Insititute of Mechanics of Chinese Academy of Sciences，2009.