黃學(xué)輝

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轉(zhuǎn)向架對(duì)高速列車氣動(dòng)性能的影響

黃學(xué)輝

（東方電氣集團(tuán)國際合作有限公司 成都 611731)

隨著列車速度不斷提高，轉(zhuǎn)向架對(duì)整車氣動(dòng)阻力的影響越來越大，也是研究輪軌關(guān)系及地面效應(yīng)的基礎(chǔ)。采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)有無轉(zhuǎn)向架列車不同運(yùn)行速度和橫風(fēng)風(fēng)速下的氣動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，研究了轉(zhuǎn)向架對(duì)列車氣動(dòng)特性的影響。研究結(jié)果表明：當(dāng)無橫風(fēng)時(shí)，有無轉(zhuǎn)向架列車受到的氣動(dòng)阻力和升力均近似與列車運(yùn)行速度的平方成正比，而轉(zhuǎn)向架受到的空氣阻力約占總阻力的25%，且隨著列車速度的增加而增加，但增加幅度較??；橫風(fēng)對(duì)列車的氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)升力、側(cè)向力影響都很大，且相同橫風(fēng)下，考慮轉(zhuǎn)向架時(shí)列車的氣動(dòng)阻力約為不考慮時(shí)的1.7倍。

高速列車；氣動(dòng)特性；數(shù)值計(jì)算；轉(zhuǎn)向架

0 引言

隨著列車速度的不斷提高，空氣對(duì)高速列車產(chǎn)生氣動(dòng)作用的影響越來越大，而列車運(yùn)動(dòng)引起的氣流流動(dòng)也嚴(yán)重的影響了沿線周邊環(huán)境[1]。同時(shí)列車速度的提高加劇了輪軌間作用力，運(yùn)行能耗增加，這些均對(duì)車輛設(shè)計(jì)及運(yùn)行控制提出了更高的要求。而以往建模時(shí)常被忽略的轉(zhuǎn)向架，影響的不僅是列車的氣動(dòng)性能，同時(shí)也是輪軌關(guān)系及地面效應(yīng)研究的基礎(chǔ)。因此，以往過多簡化模型計(jì)算得到的結(jié)果越來越不能滿足現(xiàn)代高速列車的設(shè)計(jì)及運(yùn)行控制要求。近幾年國內(nèi)外學(xué)者圍繞列車空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了較多的風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，但一般忽略了受電弓、轉(zhuǎn)向架及風(fēng)擋等局部結(jié)構(gòu)，所采用的計(jì)算模型往往將列車底部簡化為一個(gè)平板，文獻(xiàn)[2]中通過比較分析給出了轉(zhuǎn)向架阻力大約占總阻力的30%的估計(jì)數(shù)據(jù)。此后，北京交通大學(xué)郗艷紅[3,4]以考慮真實(shí)列車為研究對(duì)象，采用數(shù)值計(jì)算研究了橫風(fēng)空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)和橫風(fēng)作用下的輪軌動(dòng)力學(xué)特性，該分析并沒有對(duì)比研究轉(zhuǎn)向架對(duì)氣動(dòng)效應(yīng)影響作用。西南交通大學(xué)鄭循皓[5,6]詳細(xì)研究了轉(zhuǎn)向架區(qū)域形狀對(duì)列車氣動(dòng)阻力性能的影響，表明轉(zhuǎn)向架阻力占整車阻力比例較大且轉(zhuǎn)向架對(duì)橫風(fēng)性能的影響比較大。此外，國內(nèi)外學(xué)者還研究了列車底部裙板對(duì)整車氣動(dòng)性能的影響[7,8]。

本文正是在以往研究的基礎(chǔ)上，建立更為詳細(xì)的計(jì)算模型，采用數(shù)值計(jì)算方法研究了列車周圍的流場分布特性及轉(zhuǎn)向架對(duì)列車氣動(dòng)特性的影響，一方面為車輛設(shè)計(jì)及運(yùn)行控制提供更為準(zhǔn)確的氣動(dòng)數(shù)據(jù)，另一方面也為進(jìn)一步深入研究輪軌間熱應(yīng)力及地面效應(yīng)的影響奠定了基礎(chǔ)。

1 幾何模型

真實(shí)的高速列車外形復(fù)雜，長細(xì)比非常大，要完全模擬列車外流場的三維繞流，對(duì)計(jì)算時(shí)間、計(jì)算機(jī)容量都難以接受，也沒有必要。因此，本文對(duì)列車計(jì)算幾何模型做了適當(dāng)簡化，不考慮車頭燈、門把手、受電弓等突出物，即將列車表面簡化成一光滑的幾何體，列車頭部外形如圖1所示。本文所采用的計(jì)算模型整車由兩動(dòng)力車和一中間車拖車組成，其中動(dòng)力車長20500 mm（含車頭蓋），拖車長度25500 mm，整個(gè)模型的長度共67300 mm。由于列車中間車截面基本保持不變，因此縮短的編組形式并不會(huì)改變列車周圍流場的基本特征[9]。

圖1 列車頭部流線型外形

2 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

高速列車對(duì)周圍空氣的擾動(dòng)隨著列車的離開距離的增大而減小，理論上列車對(duì)周圍氣體的影響范圍是無限遠(yuǎn)的。但根據(jù)現(xiàn)有的條件，計(jì)算必須在有限的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。因此，計(jì)算中通常以不影響車體附近的流體流動(dòng)為限來確定計(jì)算域的邊界。參照以往高速列車計(jì)算域的選取，本文計(jì)算域的邊界取距車體5倍車寬以上。其中，不考慮橫風(fēng)時(shí)，列車側(cè)面和頂部的計(jì)算域距車體15.5 m，計(jì)算域入口距車頭31.0 m，出口距車尾62.0 m?？紤]到車體的對(duì)稱性，只選取列車一半進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)考慮到橫風(fēng)時(shí)，計(jì)算域的入口和頂部不變，而上風(fēng)向距車體30.0 m，下風(fēng)向和出口方向距車體為60.0 m，此時(shí)計(jì)算模型需全車計(jì)算。本文利用ANSYS劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其實(shí)體與網(wǎng)格如圖2所示。然后將網(wǎng)格導(dǎo)入STAR-CD中進(jìn)行流場和氣動(dòng)力計(jì)算[10]。有、無轉(zhuǎn)向架計(jì)算模型中的列車表面網(wǎng)格如圖3所示。

（a）幾何結(jié)構(gòu)

（b）離散網(wǎng)格

圖2 計(jì)算區(qū)域

Fig.2 Computation domain

（a）不考慮轉(zhuǎn)向架

（b）考慮轉(zhuǎn)向架

圖3 列車表面計(jì)算網(wǎng)格

Fig.3 Computation mesh of train nose

3 無橫風(fēng)時(shí)列車氣動(dòng)力性能

3.1 列車表面壓力分布

高速運(yùn)行的列車，由于車頭的擠壓、車身的摩擦以及車尾的吸引，在車體附近產(chǎn)生了高速的列車風(fēng)。列車風(fēng)繞流列車，引起列車表面壓力分布的劇烈變化，不僅增加了列車的運(yùn)行阻力，同時(shí)也對(duì)車體各部分的密封性及強(qiáng)烈的設(shè)計(jì)提出了不同的要求。圖4和圖5分別顯示了有、無轉(zhuǎn)向架的列車頭部和尾部的表面壓力分布。

（a）頭部

（b）尾部

圖4 350 km/h無轉(zhuǎn)向架列車表面壓力分布

Fig.4 Pressure distribution of the train surface without bogie at 350 km/h

（a）頭部

（b）尾部

圖5 350 km/h有轉(zhuǎn)向架列車表面壓力分布

Fig.5 Pressure distribution of the train surface with bogie at 350 km/h

從圖4可以看出，在列車的正前方，空氣受到擠壓最嚴(yán)重，且最大正壓力出現(xiàn)在車頭的最前點(diǎn)，表明該點(diǎn)為滯止點(diǎn)。隨著氣流繞流車體，空氣流速逐漸增加，壓力隨之逐漸降低，直到列車頭部最大截面處時(shí)，氣流速度達(dá)到最大，壓力降至最低，此時(shí)，在列車頭部便形成了負(fù)壓區(qū)，即產(chǎn)生了流動(dòng)分離；對(duì)于車身，由于空氣的摩擦作用，在列車表面形成了薄的邊界層，其中靠近車體的氣體以與列車相等的速度運(yùn)動(dòng)，并在邊界層內(nèi)速度降至與外界未受干擾狀態(tài)一致，車身表面呈現(xiàn)微弱的負(fù)壓狀態(tài)；而在車尾，列車將對(duì)周邊空氣產(chǎn)生吸引作用，同樣是在列車尾部最大截面處，由于產(chǎn)生流動(dòng)分離，又一次形成負(fù)壓區(qū)。

由圖5可看出，考慮轉(zhuǎn)向架時(shí)列車表面壓力分布與不考慮時(shí)基本一致，即最大壓力出現(xiàn)在列車正前方的滯止點(diǎn)處，最大截面處同樣出現(xiàn)了分流；列車尾部產(chǎn)生吸引，形成負(fù)壓。但在列車轉(zhuǎn)向架的部位壓力分布有明顯的不同，不存在轉(zhuǎn)向架時(shí)，列車下部流場比較具有規(guī)律，壓力分布也是均勻過渡；而當(dāng)考慮轉(zhuǎn)向架時(shí)，其所處位置恰好改變了列車下部及周圍的流場，從而也改變了周圍作用在列車上氣流的分布規(guī)律，使列車整體壓力增加，壓力變化范圍增大。

3.2 氣動(dòng)阻力

不同速度下高速列車的氣動(dòng)阻力具體參見表1，表中分別給出了不含轉(zhuǎn)向架列車的整車氣動(dòng)阻力和阻力系數(shù)，以及考慮轉(zhuǎn)向架時(shí)車體氣動(dòng)阻力、轉(zhuǎn)向架氣動(dòng)阻力及轉(zhuǎn)向架所占百分比。由表1可以看出轉(zhuǎn)向架對(duì)整車空氣阻力的影響，即轉(zhuǎn)向架受到的空氣阻力約占總阻力的25%，且這個(gè)比例隨著列車速度的增加略有增大，但增加幅度很小。

表1 高速列車不同速度下氣動(dòng)阻力

對(duì)比有無轉(zhuǎn)向架時(shí)整車的氣動(dòng)阻力計(jì)算結(jié)果可以看出帶轉(zhuǎn)向架的列車總阻力稍大于無轉(zhuǎn)向架時(shí)列車的空氣阻力，阻力系數(shù)約為0.475。因此，表明帶轉(zhuǎn)向架時(shí)列車的氣動(dòng)阻力系數(shù)有所增加，但增加的幅度很小。其主要是由于轉(zhuǎn)向架改變了車底的氣流流動(dòng)特性，使得原本作用于車身的氣動(dòng)力轉(zhuǎn)為作用在轉(zhuǎn)向架上。有轉(zhuǎn)向架時(shí)，車身的阻力減小，但增加了轉(zhuǎn)向架的氣動(dòng)阻力；無轉(zhuǎn)向架時(shí)，沒有轉(zhuǎn)向架的阻力，卻增加了車身的氣動(dòng)阻力。因而，對(duì)于現(xiàn)代高速列車考慮整車的氣動(dòng)阻力時(shí)，是否考慮轉(zhuǎn)向架其結(jié)果影響不大。

以上分析結(jié)果表明有無轉(zhuǎn)向架對(duì)整車的氣動(dòng)阻力影響不大，但實(shí)際上，車底的氣流流動(dòng)與實(shí)際有很大差別，特別是需要進(jìn)行車輪熱應(yīng)力分析時(shí)，必需建立完整轉(zhuǎn)向架的計(jì)算模型才能更為準(zhǔn)確地再現(xiàn)車底流動(dòng)特性，以便準(zhǔn)確地進(jìn)行輪軌傳熱分析。

4 橫風(fēng)時(shí)列車氣動(dòng)力性能

4.1 氣動(dòng)阻力

當(dāng)列車速度分別為300 km/h和350 km/h、不同橫風(fēng)風(fēng)速下高速列車受到的氣動(dòng)阻力見表2。為了與無橫風(fēng)情況進(jìn)行比較，表中給出了橫風(fēng)速度為0時(shí)氣動(dòng)阻力的計(jì)算結(jié)果。由表中計(jì)算結(jié)果可以看出，橫風(fēng)的存在增加了列車的氣動(dòng)阻力。因此，可以看出，橫風(fēng)的存在改變了列車與風(fēng)度之間的作用角度，使列車周圍的流場發(fā)生變化，從而增加了列車的氣動(dòng)阻力。

考慮轉(zhuǎn)向架時(shí)列車氣動(dòng)阻力的計(jì)算結(jié)果如表2所示，表中分別給出了不同橫風(fēng)風(fēng)速下列車各部分受到的氣動(dòng)阻力，為了比較橫風(fēng)對(duì)列車氣動(dòng)阻力的影響，也列出了風(fēng)速為0 m/s時(shí)的氣動(dòng)阻力。通過比較可以看出，橫風(fēng)的存在使列車的氣動(dòng)阻力有很大增加，且列車的氣動(dòng)阻力均隨著橫風(fēng)風(fēng)速與列車速度的增加而增加。列車在恒定速度時(shí)，隨橫風(fēng)風(fēng)速的增加，列車氣動(dòng)阻力增加的幅值逐漸減小。另外，整車的氣動(dòng)阻力與不考慮轉(zhuǎn)向架時(shí)相比可以看出，在有橫風(fēng)的情況，列車的氣動(dòng)阻力比無轉(zhuǎn)向架時(shí)大很多，可見橫風(fēng)對(duì)列車的氣動(dòng)阻力影響較大。

表2 不同橫風(fēng)下高速列車時(shí)氣動(dòng)阻力

4.2 氣動(dòng)升力和側(cè)向力

不同橫風(fēng)下列車氣動(dòng)升力與側(cè)向力的計(jì)算結(jié)果見表3，可以看出，隨著橫風(fēng)風(fēng)速的增加列車的氣動(dòng)升力也隨之增大，300 km/h時(shí)增加了近9倍，而在350 km/h時(shí)增加了近7倍。因此列車在低速運(yùn)行時(shí)氣動(dòng)升力增加的幅值比高速運(yùn)行時(shí)要大，而且與氣動(dòng)阻力相比，橫風(fēng)對(duì)氣動(dòng)升力的影響更大。同樣，對(duì)于側(cè)向力，隨著橫風(fēng)風(fēng)速的增加也隨之增加，但通過比較可以看出，在相同的橫風(fēng)速度時(shí)，側(cè)向力隨著列車速度的增大而增加，列車的運(yùn)行速度越高，側(cè)向力越大，即列車在高速運(yùn)行時(shí)側(cè)向力增加的幅值比低速時(shí)大。因此，隨著今后列車運(yùn)行速度的不斷提高，研究高速列車橫風(fēng)下穩(wěn)定性時(shí)，必須考慮列車速度的影響。

表3 橫風(fēng)下高速列車氣動(dòng)升力與側(cè)向力

列車的氣動(dòng)升力與側(cè)向力計(jì)算結(jié)果見表3，可以看出考慮轉(zhuǎn)向架后列車的垂向和側(cè)向的氣動(dòng)性能規(guī)律類似，均是在恒定的列車速度時(shí)，隨橫風(fēng)風(fēng)速的增加而增加，且增大的梯度也越來越大；相同的橫風(fēng)風(fēng)速時(shí)，隨列車速度的增加而增加，但考慮轉(zhuǎn)向架時(shí)列車的氣動(dòng)升力和側(cè)向力均比不考慮時(shí)大很多。因此，可以說明在橫風(fēng)存在的情況下，轉(zhuǎn)向架對(duì)列車的氣動(dòng)升力和側(cè)向力影響更大。

5 結(jié)論

本文采用數(shù)值計(jì)算方法分別對(duì)有、無轉(zhuǎn)向架列車模型進(jìn)行計(jì)算，得到了列車氣動(dòng)特性以及周圍流場、壓力分布特性，比較分析了轉(zhuǎn)向架對(duì)列車氣動(dòng)性能的影響。主要結(jié)論如下：

（1）在無橫風(fēng)條件下，列車運(yùn)行速度在200 km/h-350 km/h之間時(shí)，有、無轉(zhuǎn)向架列車的平均氣動(dòng)阻力系數(shù)分別為0.475和0.468，而轉(zhuǎn)向架受到的空氣阻力約占總阻力的25%，且隨著列車速度的增加而增加，但增加幅度較??；

（2）無橫風(fēng)條件下考慮轉(zhuǎn)向架時(shí)列車總阻力稍大于無轉(zhuǎn)向架時(shí)列車空氣阻力，表明轉(zhuǎn)向架對(duì)車體受到的總氣動(dòng)阻力影響不大；

（3）橫風(fēng)對(duì)列車的氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)升力、側(cè)向力影響都很大，隨著橫風(fēng)風(fēng)速的增加而增加，且增大的梯度也越來越大。相同橫風(fēng)下，考慮轉(zhuǎn)向架時(shí)列車的氣動(dòng)阻力約為不考慮時(shí)的1.7倍。

[1] 李人憲,關(guān)永久,趙晶,等.高速鐵路隧道緩沖結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)作用分析[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2012,47(2):175-180.

[2] A S Joseph.高速列車空氣動(dòng)力學(xué)[J].力學(xué)進(jìn)展,2003,33(3):404-423.

[3] 郗艷紅,毛軍,李明高,等.高速列車側(cè)風(fēng)效應(yīng)的數(shù)值模擬[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2010,34(1):14-19.

[4] 郗艷紅.橫風(fēng)作用下的高速列車氣動(dòng)特性及運(yùn)行安全性研究[D].北京:北京交通大學(xué),2012.

[5] 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(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2011,11(2):45-51.

[6] 鄭循皓.轉(zhuǎn)向架對(duì)高速列車空氣動(dòng)力學(xué)性能的影響研究[D].成都:西南交通大學(xué),2012.

[7] SCH U LTE-WE RNING B. Research of European railway operators to reduce the environmental impact of high-speed trains [J].Proceeding s of the Institution of Mechanical Engineers, Part F:Journal of Rail and Rapid Transit, 2003,217(4):249-257.

[8] 楊志剛,高喆,陳羽,等.裙板安裝對(duì)高速列車氣動(dòng)性能影響的數(shù)值分析[J].計(jì)算機(jī)輔助工程,2010,19(3):16-21.

[9] Khier W, Breuer M, Durst F.Flow Structure Around Trains Under Side wind Conditions: A Numerical Study[J].Computers & Fluids, 2000(29):179-195.

[10] 陳霖,畢海權(quán),劉小霞,等.地鐵隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速數(shù)值模擬分析[J].制冷與空調(diào),2017,31(3):245-248.

Influence of Bogie on Aerodynamic Characteristics of High-speed Trains

Huang Xuehui

( Dongfang Electric International Co., Ltd, Chengdu, 611731 )

With the increase of train speed, bogie has great effect on the aerodynamic resistance of the whole train, and it is also the basis to study the relations of wheel/rail and the ground effect. In this paper, the numerical calculation method is used to study the influence of aerodynamic characteristics of train bogies, and calculate the aerodynamic characteristics of the train with and without bogies under the different speed of train and cross wind. The results show that: the aerodynamic resistance and lift of train which with and without bogies are all proportional to the square of train speed approximately. The resistance of bogie is about 25% of the whole train’s, and increase with the speed of train increase, but the increasing range is smaller. Cross wind has great effect for the aerodynamic resistance, aerodynamic lift and yawing force, and under the same condition of cross wind, the aerodynamic resistance with bogies is about 1.7 times to without.

High-speed train; Aerodynamics characteristics; Numerical calculation; Bogie

1671-6612（2018）04-445-06

A

U270.11

黃學(xué)輝（1981.10- ），男，碩士，工程師，E-mail：huangxuehui@decintl.net

2017-09-13