蔡軍爽，張潔，劉堂紅

(1.中國南車集團青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111;2.中南大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，湖南長沙410075;3.軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南長沙410075)

高速列車是一種貼近地面高速運動、外形細長且質(zhì)量很大的物體，隨著列車運行速度提高，其空氣動力學(xué)問題特殊性愈發(fā)突出。為實現(xiàn)高速列車安全、舒適、降低能耗并滿足環(huán)境保護等要求，世界各國開展了大量列車空氣動力學(xué)問題研究［1－3］。其中列車的空氣阻力特性關(guān)系到列車的提速和列車的節(jié)能環(huán)保能力，是高速列車空氣動力特性研究中的重要部分。根據(jù)以往多次實車試驗結(jié)果表明，我國傳統(tǒng)列車速度為120 km/h時，空氣阻力約占總阻力的40%;鈍頭機車牽引的提速列車(車輛底部裸露在外)，速度達160 km/h時，空氣阻力約占總阻力75%;流線型動車組超過200 km/h明線運行時，空氣阻力占到總阻力的75%，當(dāng)列車時速達到300 km以上時，空氣阻力將占到總阻力的80%左右。因此進行高速列車氣動阻力分布特性的研究是十分必要的，可為高速列車氣動減阻設(shè)計提供支持。同時對于我國面臨的人均能源資源嚴重匱乏的國情來說，也具有重要價值。就列車氣動阻力方面，許多學(xué)者進行了大量的研究。梁習(xí)鋒，等［4］采用數(shù)值模擬方法研究了不同類型的列車風(fēng)擋對空氣阻力的影響。黃志祥等［5］采用風(fēng)洞試驗方法對不同減阻措施下高速列車模型的空氣阻力特性進行對比分析，得到不同措施的減阻效果。Tian［6］對高速列車氣動阻力形成機理進行了研究，并提出了如光滑車體表面、優(yōu)化風(fēng)擋和裙板結(jié)構(gòu)等措施減小氣動阻力。張在中等［7］同樣采用風(fēng)洞試驗方法，研究包括CRH2原型車在內(nèi)的4種不同縱向長細比的流線型頭型的氣動力特性［7］。姚拴寶等［8］采用數(shù)值模擬方法，分析了8車編組的CRH3型動車組氣動阻力分布，得到轉(zhuǎn)向架、風(fēng)擋以及受電弓等部位對列車總氣動阻力的貢獻。Krajnovic［9］基于簡易響應(yīng)面模型進行了系列渦生成器的優(yōu)化，以期實現(xiàn)列車減阻目的。鄭循皓［10］等基于三維定?？蓧嚎sN－S方程和k－ε方程湍流模型，采用有限體積法對速度為400 km/h的高速列車空氣動力學(xué)性能進行了數(shù)值模擬，分析了車底結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)向架氣動力的影響。通過以上研究，得到列車氣動阻力主要由頭尾壓差阻力、表面摩擦阻力及其他部位壓差阻力等3部分組成，得到不同車型頭車、中間車以及尾車氣動阻力所占的比例以及通過優(yōu)化空調(diào)和受電弓導(dǎo)流罩、設(shè)置全封閉風(fēng)擋以及安裝側(cè)面裙板等方式降低空氣阻力。但這些研究基本只區(qū)分頭、中、尾車，再者把轉(zhuǎn)向架、風(fēng)擋分出來進行分析，而沒有就車輛各個部分對氣動阻力所產(chǎn)生的貢獻進行詳細研究?；诖耍疚牟捎梅蛛x渦湍流模型(Detached Eddy Simulation，DES)研究某高速列車頭、中、尾不同區(qū)域?qū)φ嚉鈩幼枇Φ呢暙I值，從而為有針對性地提出減阻措施提供依據(jù)。

1 風(fēng)洞試驗

高速列車氣動阻力的風(fēng)洞試驗參考文獻［7］。該風(fēng)洞試驗在中國空氣動力研究與發(fā)展中心(CARDC)的15 m×8 m×6 m大型低速風(fēng)洞第2試驗段進行，試驗風(fēng)速為60 m/s。為了降低地面附面層的影響，安裝了高速列車試驗專用地板裝置，其上表面距風(fēng)洞下洞壁距離為1.06 m。同時在地板中間設(shè)置1個直徑為7 m、可旋轉(zhuǎn)360°的轉(zhuǎn)盤以實現(xiàn)不同側(cè)滑角的風(fēng)洞試驗，其他部分均固定不動，轉(zhuǎn)盤中心距地板前緣為7.84 m，距后緣為8.26 m。地板前、后緣加工成流線型，以減少對氣流的干擾。本次試驗?zāi)Ｐ蜑榻饘倏蚣芙Y(jié)構(gòu)，外部用木材成型。模型比例為1∶8，采用3車編組 (頭車、中車、尾車)，如圖1所示。列車模型頭尾外形完全對稱，試驗的測量設(shè)備選用盒式六分量應(yīng)變天平，對列車模型的氣動力進行測量。

圖1 高速列車風(fēng)洞試驗Fig.1 Wind tunnel test of a high － speed train

2 數(shù)值模擬

2.1 計算理論

在本文中，根據(jù)風(fēng)洞試驗，選取Uin=60 m/s，計算得到馬赫數(shù) Ma=0.176，小于0.3，可認為空氣密度保持不變，按不可壓縮流動問題進行處理。采用DES方法進行流場模擬。DES結(jié)合了雷諾時均(RANS)和大渦模擬(LES)的長處，依靠網(wǎng)格分辨尺度在近壁區(qū)采用RANS模型求解，在遠壁區(qū)則采用LES模型求解。由于在壁面附近采用了RANS模型，因此在計算時可采用較大的網(wǎng)格，從而可以增大時間步長，有效縮短計算時間，提高計算效率。在DES方法中，RANS模型主要有:Spalart－Allmaras(S－A)模型、Realizable k－ε(可實現(xiàn)k－ε)模型以及SST k－ω(剪切應(yīng)力傳輸kω)模型。本文采用基于Realizable k－ε方程的DES方法，該方法能更準確地計算含有旋流、逆壓梯度邊界層及分離流的流場。

2.2 計算模型

數(shù)值計算模型參考風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ徒?，見圖2，其包含了轉(zhuǎn)向架和風(fēng)擋。同樣采用3車編組方式，模型總長為9.55 m。在風(fēng)洞試驗中，為避免車輛之間的受力干擾，每兩車之間存在一定的間隙，數(shù)值模型中，也采取了相同的處理方式。

本次計算區(qū)域以及坐標定義如圖3所示。計算域的大小依據(jù)風(fēng)洞試驗而定，即長16.1 m、寬8 m、高4.94 m。列車表面定義為wall，即無滑移邊界條件;入口給定為速度入口邊界，根據(jù)風(fēng)洞試驗，給定恒定風(fēng)速60 m/s;對應(yīng)的出口為壓力出口，靜壓設(shè)定為0;域的頂部、底部以及兩側(cè)均設(shè)置為固定壁面。

圖2 數(shù)值計算高速列車模型Fig.2 Numerical calculation model of high － speed train

圖3 計算域Fig.3 Calculation zone

采用開源CFD求解軟件包——OpenFoam中的SnappyHexMesh工具包進行網(wǎng)格生成。該工具包提供自動網(wǎng)格生成方法，可以合理控制計算域中不同位置處的網(wǎng)格分辨率和密度。同時為正確模擬列車近壁面流動，在列車表面設(shè)置10層附面層，第1層網(wǎng)格厚度為0.625 mm。由于流場速度變化主要集中在列車表面周圍，因此對列車附近進行網(wǎng)格加密處理。且為了更好地求解尾部流場，加大了尾部加密區(qū)域。圖4為計算網(wǎng)格。

圖4 計算網(wǎng)格Fig.4 Calculation grid

選擇時間步長為5×10－5s，每一時間步內(nèi)設(shè)置50次迭代，通過監(jiān)測列車氣動阻力以保證每一時間步內(nèi)的計算均是收斂的。為得到瞬態(tài)流場，設(shè)定10 000個時間步;此后，流場達到收斂，然后進行流場數(shù)據(jù)采樣，平均化流場，同樣設(shè)定10 000個時間步;總計時間步為20 000個，并保存每一個時間步的計算數(shù)據(jù)。

2.3 無量綱系數(shù)

為方便比較，對氣動阻力、壓力進行無量綱化，即氣動阻力系數(shù)Cd，壓力系數(shù)Cp。具體的表達式如下:

其中:ρ為來流密度，取1.225 kg/m3，U 為風(fēng)洞試驗中給定的來流速度，取60 m/s;p為靜壓值;pref為參考壓力值，取0 Pa;S為參考面積，根據(jù)風(fēng)洞試驗選取S=0.175 m2;Fd為阻力。

2.4 氣動阻力系數(shù)時均方法

由于在本文中采用的DES瞬態(tài)求解方法，得到的為瞬態(tài)氣動阻力系數(shù)，其時程曲線如圖5。從圖5可知，當(dāng)t=0.4 s時，各個車輛的氣動阻力系數(shù)均達到了平穩(wěn)變化，可認為其周圍流場達到收斂，因此，為得到氣動阻力系數(shù)，可采用均方根方法對0.5～0.9 s這一時段內(nèi)總計8 000個點進行平均;車輛瞬態(tài)氣動阻力系數(shù)時程曲線在均方根值上下波動，頭車的脈動幅度最小，尾車最大。

圖5 氣動阻力系數(shù)時程曲線(右側(cè)為左側(cè)局部放大圖)Fig.5 Time history curve of aerodynamic drag coefficient(right figure is the local amplification of the left figure)

3 結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)洞實驗與數(shù)值計算結(jié)果對比

［7］中高速列車風(fēng)洞試驗所測得的阻力系數(shù)與本文所采用的DES方法計算得到的結(jié)果進行對比，見表1。

表1 風(fēng)洞試驗與數(shù)值計算對比Table 1 Comparison of wind tunnel test and numerical calculation

通過表1可以發(fā)現(xiàn)，本文采用的DES方法求解得到的氣動阻力系數(shù)略小于風(fēng)洞試驗值;比對風(fēng)洞試驗結(jié)果和數(shù)值計算結(jié)果，兩者之間的絕對誤差在2%以內(nèi)，吻合度很好，說明本文中采用的方法可用于后續(xù)的研究。

3.2 氣動阻力系數(shù)分析

通過3.1節(jié)，驗證了本文所采用的數(shù)值方法，因此本節(jié)中將進一步分析車輛各個部分對列車整車氣動阻力的貢獻值。列車的分塊方法如圖6所示。分別將頭車、中車和尾車各分為6塊，其中轉(zhuǎn)向架與其周圍劃分為轉(zhuǎn)向架區(qū)域部分 (區(qū)域1和區(qū)域5)，外風(fēng)擋分別劃分到頭車和尾車，內(nèi)風(fēng)擋移至中車，得到頭、中、尾車不同區(qū)域阻力系數(shù)結(jié)果如表2～表4所示。

圖6 車體分區(qū)方式Fig.6 Separate zone of car body

表2 頭車各部分氣動阻力系數(shù)Table 2 Aerodynamic drag coefficient of each part of head car

表3 中車各部分氣動阻力系數(shù)Table 3 Aerodynamic drag coefficient of each part of middle car

表4 尾車各部分氣動阻力系數(shù)Table 4 Aerodynamic drag coefficient of each part of tail car

從表3可知，頭車的車頭部分 (tc1和tc2區(qū)域)氣動阻力占到了頭車總阻力的85.8%，轉(zhuǎn)向架區(qū)域(tc1和tc5區(qū)域)占到了70.0%，最大阻力系數(shù)出現(xiàn)在tc1區(qū)域，即流線型頭部轉(zhuǎn)向架區(qū)域，tc6區(qū)域則為較小的負阻力系數(shù);對中車而言，最大阻力系數(shù)出現(xiàn)在zc2區(qū)域，為中車前端上部區(qū)域，同樣在中車6區(qū)域為負阻力系數(shù)，并且數(shù)值較大，中車轉(zhuǎn)向架區(qū)域(zc1和zc5區(qū)域)氣動阻力占到整個中車的43.5%;而對于尾車，最大阻力系數(shù)出現(xiàn)在wc2區(qū)域，即流線型頭部曲面區(qū)域，轉(zhuǎn)向架區(qū)域(wc1和wc5區(qū)域)氣動阻力只占到整個尾車的30.7%，車頭部分 (wc1和wc2區(qū)域)也只占到了56.4%，均小于頭車的情況。同時頭、中、尾車的前端轉(zhuǎn)向架區(qū)域氣動阻力系數(shù)大幅度減少，后端轉(zhuǎn)向架區(qū)域氣動阻力系數(shù)則逐漸增加。

3.3 流場分析

流場分析主要包括瞬態(tài)流場和時均流場2種情況。在瞬態(tài)流場中，常常以第二不變量Q的等值面來描述渦流結(jié)構(gòu)，它是描述三維瞬態(tài)數(shù)據(jù)的最佳可視化技術(shù)［11－12］。Q定義如下:

其中:W為渦量幅值;S為應(yīng)變率幅值。

圖7為列車周圍渦流結(jié)構(gòu)圖，取Q=50 000，采用速度渲染方式。在列車的頭部、風(fēng)擋、車底結(jié)構(gòu)(主要為轉(zhuǎn)向架)以及車尾處產(chǎn)生了大量的漩渦，使得列車周圍流場湍流十分復(fù)雜;沿車長方向，頭車車體附近的漩渦情況好于中車和尾車的;在列車車體上半部分，漩渦結(jié)構(gòu)較小;在車尾，由于邊界層分離，致使一些大的漩渦生成，這些漩渦從列車尾部脫落，形成脈動。因此，從列車周圍漩渦結(jié)構(gòu)可推測得到頭車的阻力系數(shù)波動最小，尾車最大，這與2.4節(jié)得到的氣動阻力時程曲線是吻合的。

圖7 列車周圍瞬態(tài)流場結(jié)構(gòu)——第二不變量Q=50 000等值面圖Fig.7 Transient flow field structure around the train——the second invariant Q=50 000 level

圖8為列車周圍流場俯視圖，采用速度渲染方式，切片位于車高中心位置處。其中圖8(a)和圖8(b)分別為瞬態(tài)和時均速度場。從瞬態(tài)速度場中可以明顯地看到從車頭到車尾，列車周圍的湍流情況逐漸復(fù)雜;車尾部出現(xiàn)一個低速度區(qū)域。在時均流場圖中，沿車長方向，貼近車體表面的低速范圍緩慢增大;到車尾，由于附面層分離，使得其后一定距離的區(qū)域出現(xiàn)低速集中區(qū)，且流場結(jié)構(gòu)以車長為軸對稱分布。

圖8 列車周圍流場俯視圖Fig.8 Vertical view of flow field around trains

4 結(jié)論

(1)本文采用的DES數(shù)值模擬方法得到的氣動阻力系數(shù)值可以很好地吻合風(fēng)洞試驗結(jié)果，兩者偏差在2%以內(nèi)。

(2)車輛瞬態(tài)氣動阻力系數(shù)時程曲線在均方根值上下波動，頭車的脈動幅度最小，尾車最大。

(3)頭車、尾車的頭部曲面區(qū)域以及整車的轉(zhuǎn)向架區(qū)域的氣動阻力是整車阻力的主要來源;頭車、中車的后上端區(qū)域氣動阻力為負值，有利于節(jié)約能源消耗;從頭車到中間車到尾車前端轉(zhuǎn)向架區(qū)域氣動阻力系數(shù)大幅度減少，后端轉(zhuǎn)向架區(qū)域氣動阻力系數(shù)逐漸增加。

(4)列車的頭部、風(fēng)擋、車底結(jié)構(gòu) (主要為轉(zhuǎn)向架)以及車尾處產(chǎn)生了大量的漩渦;沿車長方向，頭車車體附近的漩渦情況小于中車和尾車的;在車尾，有一些大的漩渦生成，這些漩渦從列車尾部脫落，形成脈動;在時均流場圖中，沿車長方向，貼近車體表面的低速范圍緩慢增大;到車尾，由于附面層分離，使得其后一定距離的區(qū)域出現(xiàn)低速集中區(qū)，且流場結(jié)構(gòu)以車長為軸對稱分布。

參考文獻:

［1］田紅旗.列車空氣動力學(xué)［M］.北京:中國鐵道出版社，2007:160－161.

TIAN Hongqi.Train aerodynamics［M］.Beijing:China Railway Publishing House，2007:160－161.

［2］Raghunathan RS，Kim HD，Setoguchi T.Aerodynamics of high － speed railway train［J］.Progress in Aerospace Sciences，2002，38(6－7):469－514.

［3］肖云華，李行，熊小慧.明線運行時動車組空調(diào)裝置表面壓力分布數(shù)值分析［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2013，10(3):108－111.

XIAO Yunhua，LI Hang，XIONG Xiaohui.Numerical simulation of surface pressure distribution of air conditioning equipment when EMU running in open air［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2013，10(3):108－111.

［4］梁習(xí)鋒，舒信偉.列車風(fēng)擋對空氣阻力影響的數(shù)值模擬研究［J］.鐵道學(xué)報，2003，25(1):34－37.

LIANG Xifeng，SHU Xinwei.Numerical simulation research on train aerodynamic drag affected by the train windshield［J］.Journal of the China Railway Society，2003，25(1):34－37.

［5］黃志祥，陳立，蔣科林.高速列車減小空氣阻力措施的風(fēng)洞試驗研究［J］.鐵道學(xué)報，2012，34(4):16－21.

HUANG Zhixiang，CHEN Li，JIANG Kelin.Wind tunnel test of air－drag reduction schemes of high－speed train［J］.Journal of the China Railway Society，2012，34(4):16－21.

［6］Tian Hongqi.Formation mechanism of aerodynamic drag of high － speed train and some reduction measures［J］.Journal of Central South University，2009，16(1):166－171.

［7］張在中，周丹.不同頭部外形高速列車氣動性能風(fēng)洞試驗研究［J］.中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013，44(6):2603－2608.

ZHANG Zaizhong，ZHOU Dan.Wind tunnel experiment on aerodynamic characteristic of streamline head of high speed train with different head shapes［J］.Journal of Central South University(Science and Technology)，2013，44(6):2603－2608.

［8］姚拴寶，郭迪龍，楊國偉，等.高速列車氣動阻力分布特性研究［J］.鐵道學(xué)報，2012，34(7):18－23.

YAO Shuanbao，GUO Dilong，YANG Guowei，et al.Distribution of high － speed train aerodynamic drag［J］.Journal of the China Railway Society，2012，34(7):18 －23.

［9］Krajnovic S.Shape optimization of high－speed trains for improved aerodynamic performance［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part F:Journal of Rail and Rapid Transit，2009，223(5):439 －452.

［10］鄭循皓，張繼業(yè)，張衛(wèi)華.高速列車轉(zhuǎn)向架空氣阻力的數(shù)值模擬［J］.交通運輸工程學(xué)報，2011，11(2):45－51.

ZHENG Xunhao，ZHANG Jiye，ZHANG Weihua.Numerical simulation of aerodynamic drag for highspeed train bogie［J］.Journal of Traffic and Transportation Engineering，2011，11(2):45－51.

［11］苗秀娟，高廣軍.車窗對車輛側(cè)向氣動性能影響的數(shù)值模擬［J］.中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012，43(9):3698－3703.

MIAO Xiujun，GAO Guangjum.Influence of window on train side aerodynamic performance by numerical simulation［J］.Journal of Central South University(Science and Technology)，2012，43(9):3698－3703.

［12］Jeong J，Hussain F.On the identification of the vortex［J］.Journal of Fluid Mechanics，1995，285(2):69 －94.