楊 敏

（青海民族大學(xué) 繼續(xù)教育（職業(yè)技術(shù)）學(xué)院，青海 西寧810007）

常規(guī)鈍頭列車(chē)在明線以120km／h的速度運(yùn)行時(shí)，氣動(dòng)阻力占總阻力40%。當(dāng)提高列車(chē)運(yùn)行速度時(shí)，氣動(dòng)阻力也隨之大幅增加。通過(guò)加裝改造車(chē)體結(jié)構(gòu)，減小氣動(dòng)阻力，可以節(jié)省機(jī)車(chē)功率，減少能耗。本文采用計(jì)算流體力學(xué)方法，應(yīng)用Solid－Works2009／Flow Simulation構(gòu)建數(shù)值風(fēng)洞，對(duì)鈍頭列車(chē)就打開(kāi)車(chē)輛門(mén)窗、車(chē)輛間加裝風(fēng)擋、車(chē)體加裝底罩、車(chē)頭前部加裝圓頂結(jié)構(gòu)等模型，在不同運(yùn)行速度下的氣動(dòng)阻力進(jìn)行模擬計(jì)算，分析了列車(chē)運(yùn)行中開(kāi)窗的利弊及鈍頭列車(chē)車(chē)頭圓頂、車(chē)體底罩、車(chē)間風(fēng)擋結(jié)構(gòu)的減阻效果。

1 建立數(shù)值計(jì)算模型

列車(chē)一般由兩節(jié)及以上車(chē)輛組成，當(dāng)氣流流過(guò)車(chē)頭部一定距離后，繞流邊界層的結(jié)構(gòu)和車(chē)輛氣動(dòng)力變化已基本趨向穩(wěn)定。因此，為節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，同時(shí)受計(jì)算機(jī)硬件條件限制，計(jì)算模型以列車(chē)兩節(jié)廂為研究對(duì)象，尺寸大小為21m×1.6m×2.4 m（見(jiàn)圖1（a），細(xì)小結(jié)構(gòu)未忽略）。圖1（b）為打開(kāi)車(chē)輛的部分車(chē)窗車(chē)門(mén)模型，圖1（c）為關(guān)閉門(mén)窗的參考模型，圖1（d）為圖1（c）基礎(chǔ)上車(chē)輛之間加裝風(fēng)擋模型，圖1（e）為圖1（d）基礎(chǔ)上加裝底罩模型，圖1（f）為圖1（e）基礎(chǔ)上車(chē)頭前部加裝圓頂模型。

相關(guān)研究表明，列車(chē)外流場(chǎng)屬于典型的鈍體繞流，基于列車(chē)平均長(zhǎng)度和最高速度的流場(chǎng)雷諾數(shù)變化范圍為105～108，流場(chǎng)中的慣性力比粘性力大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此列車(chē)外流場(chǎng)流動(dòng)為湍流狀態(tài)。Flow Simulation是嵌入SolidWorks的流體動(dòng)力學(xué)分析軟件，應(yīng)用Flow Simulation軟件能夠模擬和研究湍流。

圖1 列車(chē)模型

2 數(shù)值計(jì)算及分析

2.1 數(shù)值計(jì)算

2.1.1 計(jì)算區(qū)域

綜合相關(guān)文獻(xiàn)資料及試算經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算區(qū)域選擇長(zhǎng)、寬、高分別取10倍車(chē)長(zhǎng)（車(chē)前3倍車(chē)長(zhǎng)、車(chē)后6倍車(chē)長(zhǎng)）、6倍車(chē)寬、5倍車(chē)高，即250m×20m×20 m。車(chē)速范圍取80～160km／h。

2.1.2 項(xiàng)目構(gòu)建

借助流體工程向?qū)В付黧w為空氣，流動(dòng)類(lèi)型為湍流，計(jì)算區(qū)域的基礎(chǔ)網(wǎng)格和列車(chē)局部網(wǎng)格精度均為5級(jí)（通過(guò)試算，計(jì)算圖1（e）、圖1（f）加裝底罩模型時(shí)精度取3級(jí)），最小特征尺寸取0.2m（圖1（e）、圖1（f）中車(chē)底與軌面間距）。入口邊界條件取風(fēng)速（反向車(chē)速）并選中完全發(fā)展的湍流項(xiàng)，出口邊界條件為默認(rèn)靜壓（1atm），壁面邊界條件按無(wú)滑移、絕熱壁給定，求解目標(biāo)選氣動(dòng)阻力平均值。

2.1.3 計(jì)算結(jié)果

如圖1（c）模型，V列車(chē)＝150km／h的氣動(dòng)阻力f1（c）＝23 707.0N，原始計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1中各模型在不同車(chē)速下的氣動(dòng)阻力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 列車(chē)氣動(dòng)阻力計(jì)算結(jié)果N

表2 列車(chē)氣動(dòng)阻力計(jì)算結(jié)果

2.2 結(jié)果分析

1）車(chē)速?gòu)?0km／h增至160km／h，氣動(dòng)阻力增加為原來(lái)的3.3～3.6倍（見(jiàn)表2），符合Davis公式；加裝風(fēng)擋及底罩后，列車(chē)速度的增大程度較加裝前有所減弱。

2）加改后列車(chē)氣動(dòng)阻力變化隨車(chē)速變化見(jiàn)圖2，其中開(kāi)窗增阻（閉窗減阻）fΔ1＝f1（b）－f1（c），風(fēng)擋減阻fΔ2＝f1（c）－f1（d），底罩減阻fΔ3＝f1（d）－f1（e），圓頭減阻fΔ4＝f1（e）－f1（f），底罩加圓頭減阻fΔ5＝fΔ3＋fΔ4。

圖2 列車(chē)減阻效果圖

由圖2可見(jiàn):①列車(chē)開(kāi)門(mén)窗運(yùn)行時(shí)氣動(dòng)阻力輕微增加，說(shuō)明非空調(diào)列車(chē)夏天運(yùn)行時(shí)，可打開(kāi)少數(shù)車(chē)窗降溫。②車(chē)輛間加裝風(fēng)擋、車(chē)底部加裝底罩、車(chē)頭部加裝圓頂結(jié)構(gòu)均有利于列車(chē)減阻，車(chē)體底部加裝底罩的效果尤為明顯（V列車(chē)＞110km／h），故減少列車(chē)氣動(dòng)阻力的重點(diǎn)部位在車(chē)體底部。③加裝底罩后，存在氣動(dòng)阻力增加區(qū)段（fΔ3＜0，這與車(chē)底附面層性質(zhì)及未考慮移動(dòng)地板條件有關(guān)），氣動(dòng)阻力增減的速度分界點(diǎn)在110km／h附近，車(chē)頭部加裝圓頂結(jié)構(gòu)、車(chē)輛間加裝風(fēng)擋后曲線fΔ5上移，該分界速度減小約為100km／h?？梢?jiàn)，列車(chē)加裝底罩后，氣動(dòng)阻力增減的分界速度值與減少氣動(dòng)阻力的加改措施直接相關(guān)。

3 結(jié) 論

鈍頭提速列車(chē)采用加裝車(chē)體底罩、車(chē)頭圓頂（或盡可能簡(jiǎn)單并接近流線型）、車(chē)間風(fēng)擋等措施可有效減少空氣阻力，降低能耗；加裝底罩的減阻效果最佳，V列車(chē)＞110km／h時(shí)，速度越高則效果越明顯，V列車(chē)＜110km／h時(shí)，存在著氣動(dòng)阻力反而略有增加的負(fù)面效果；若在加裝底罩的基礎(chǔ)上，再加裝車(chē)頭前部圓頂及車(chē)輛間風(fēng)擋等減阻結(jié)構(gòu)，則氣動(dòng)阻力增與減的速度分界點(diǎn)左移至約100km／h。

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