林鵬， 李桂波

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司技術(shù)中心，山東青島 266111）

0 引言

隨著計(jì)算技術(shù)與優(yōu)化理論的發(fā)展，大批研究者致力于高速列車頭型設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究以達(dá)到減阻降噪的目的，取得了一系列實(shí)質(zhì)性的研究成果［1-5］。流線型車頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路通過改變頭部幾何外形而改變相應(yīng)的流場結(jié)構(gòu)，從而降低列車運(yùn)行壓差阻力。通過改變外形來提高列車氣動(dòng)性能的傳統(tǒng)方法已經(jīng)趨于極致，并受制造工藝和設(shè)計(jì)要求不斷提高的限制，逐步顯示出局限性，應(yīng)用“新”的理論與技術(shù)開展列車氣動(dòng)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一種必然趨勢。

近年來，邊界層控制減阻技術(shù)在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用并取得了系列成就［6-8］，具有巨大的應(yīng)用潛力。該技術(shù)在高速動(dòng)車組方面的應(yīng)用還處于探索階段，且大部分研究集中于表面微結(jié)構(gòu)對(duì)邊界層的控制。杜健等［9］研究了仿生非光滑溝槽減阻，減阻率可達(dá)6%。朱海燕等［10］通過在車體表面加設(shè)球窩非光滑表面來控制邊界層湍流特性，最大減阻率可達(dá)25%。

通過在車體不同位置設(shè)置抽吸氣孔，對(duì)車體邊界層轉(zhuǎn)捩、分離、渦流等特殊流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)控，改變局部流動(dòng)以減小阻力，并通過數(shù)值仿真研究抽吸氣減阻機(jī)理及減阻效果，為高速列車氣動(dòng)減阻提供參考。

1 數(shù)值研究方法

一般情況下列車運(yùn)行速度比較小，可忽略空氣密度變化和熱傳導(dǎo)效應(yīng)，流動(dòng)控制方程為：

式中：ρ，ui，p分別為密度、速度和壓強(qiáng)；μt為渦粘性系數(shù)。采用列車空氣動(dòng)力學(xué)應(yīng)用最廣泛的κ-ε方程湍流模型，渦粘性系數(shù)為：

式中：Cμ為湍流常數(shù)，一般取Cμ=0.09；κ為湍流動(dòng)能，ε為湍流耗散率，分別由相應(yīng)湍流控制方程計(jì)算。壓力速度耦合采用SIMPLE算法，對(duì)流項(xiàng)和粘性項(xiàng)分別采用二階迎風(fēng)和二階中心格式。

采用4節(jié)編組列車進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算區(qū)域及邊界條件見圖1。將列車高度H作為特征長度，列車位于計(jì)算區(qū)域中間，車頭距離來流進(jìn)口邊界15H，以保證湍流流場充分發(fā)展；車尾距離計(jì)算區(qū)域出口50H，以保證尾渦形成、脫落不受出口邊界條件影響；計(jì)算區(qū)域高度和寬度分別為15H和24H。計(jì)算區(qū)域進(jìn)口給定速度入口邊界條件；出口給定壓力出口邊界條件，靜壓為0；地面為移動(dòng)地面邊界條件，速度與進(jìn)口設(shè)置一致；側(cè)面及頂面給定滑動(dòng)壁面，而車身表面則給定無滑移表面邊界條件。

圖1 計(jì)算區(qū)域及邊界條件

計(jì)算網(wǎng)格采用開源流體計(jì)算軟件OpenFOAM中的SnappyHexMesh網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行離散，繞列車表面設(shè)置10層棱柱層，最內(nèi)層網(wǎng)格尺度為0.000 1 m。由于高速列車湍流流場擾動(dòng)大部分集中在列車表面周圍，因此距離列車表面2H距離的區(qū)域進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格離散。為研究網(wǎng)格無關(guān)性，對(duì)3種不同密度的網(wǎng)格進(jìn)行離散計(jì)算，3種網(wǎng)格分別稱為粗糙網(wǎng)格、優(yōu)化網(wǎng)格、精細(xì)網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)量分別為1 500萬、2 200萬和3 400萬。

高速列車精細(xì)網(wǎng)格分布見圖2。計(jì)算區(qū)域縱切面精細(xì)網(wǎng)格分布見圖2（a）；車端連接處采用半包外風(fēng)擋，即風(fēng)擋僅布置在列車側(cè)面，而列車上部和下部無風(fēng)擋，兩側(cè)風(fēng)擋與前后車廂端面圍成上下開口的空腔，外風(fēng)擋連接處幾何細(xì)節(jié)對(duì)列車阻力有一定影響，因此該處需要設(shè)置較密的面網(wǎng)格（見圖2（b））；轉(zhuǎn)向架為開放結(jié)構(gòu)，包含諸多細(xì)碎零件，為保證計(jì)算效率和數(shù)值穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向架采用簡化模型（見圖2（c））。

不同網(wǎng)格密度列車風(fēng)風(fēng)速分布見圖3，由距離軌道中心線1.78 m、距離軌面1.85 m處列車風(fēng)風(fēng)速分布可以看出，優(yōu)化網(wǎng)格和精細(xì)網(wǎng)格曲線非常相近，且很好地捕捉到了列車尾渦區(qū)的速度峰值，證明精細(xì)網(wǎng)格密度滿足計(jì)算要求。

2 分布規(guī)律

2.1 邊界層

根據(jù)邊界層厚度為0.99倍來流速度的定義，對(duì)列車表面速度等值面采用壓力渲染顯示技術(shù)，得到了高速列車表面邊界層分布俯視圖（見圖4），在列車頭部區(qū)域邊界層為圓球狀，速度等值面在鼻尖位置基本為0，隨著向車體過渡，列車側(cè)面邊界層逐漸變厚，在達(dá)到列車尾端時(shí)，出現(xiàn)顯著變化，類似圓球狀，接著過渡為逐漸擴(kuò)張的圓管狀。由于列車尾流湍流運(yùn)動(dòng)復(fù)雜多變，因此列車尾端邊界層形狀變化較大。

車頂過渡位置局部放大見圖5，頭車靠近流線型過渡部位的邊界層非常薄，隨著氣體加速向前上方運(yùn)動(dòng)，邊界層在該位置附近出現(xiàn)分離，出現(xiàn)較大速度梯度。

尾車表面渦旋分布見圖6，采用Q等量流場顯示技術(shù)清楚地展示了列車尾部渦旋分布，邊界層從尾車流線型過渡部位開始發(fā)生分離，產(chǎn)生許多瞬態(tài)的無規(guī)則漩渦，這些漩渦沿車尾方向發(fā)展并逐漸脫落。圖6還展示了列車尾部駐點(diǎn)位置邊界層分離后產(chǎn)生的尾渦結(jié)構(gòu)主要有2個(gè)瞬態(tài)渦系結(jié)構(gòu)，2個(gè)漩渦的核心呈對(duì)稱式分布，之后2個(gè)漩渦進(jìn)入尾流，并且在遠(yuǎn)離列車尾部方向慢慢耗散。

圖2 高速列車精細(xì)網(wǎng)格分布

圖3 不同網(wǎng)格密度列車風(fēng)風(fēng)速分布

圖4 高速列車表面邊界層分布俯視圖

圖5 車頂過渡位置局部放大圖

圖6 尾車表面渦旋分布

2.2 阻力

為分析列車不同位置壓差阻力和摩擦阻力，給出了高速列車縱剖面壓力系數(shù)分布（見圖7），頭車、尾車、車輛連接部位出現(xiàn)較明顯的壓力波動(dòng)，造成壓力差，產(chǎn)生壓差阻力，其中頭車和尾車的壓力波動(dòng)幅值較大，中間車僅在車輛連接部位處出現(xiàn)小幅波動(dòng)。

圖7 高速列車縱剖面壓力系數(shù)分布

列車各節(jié)車壓差阻力和摩擦阻力系數(shù)分布、各節(jié)車占總氣動(dòng)阻力系數(shù)的百分比見圖8，頭車和尾車氣動(dòng)阻力對(duì)列車總氣動(dòng)阻力貢獻(xiàn)最大，其中尾車略大于頭車，中間車氣動(dòng)阻力相差不大。頭車和尾車壓差阻力相差不大，均大于中間車。

圖8 列車各節(jié)車壓差阻力和摩擦阻力系數(shù)分布及各節(jié)車占總氣動(dòng)阻力系數(shù)的百分比

總之，高速列車邊界層引起的摩擦阻力占總氣動(dòng)阻力的50%左右，通過邊界層控制減阻具有很大的應(yīng)用潛力。其中頭車部位邊界層速度梯度大，頂部過渡有分離產(chǎn)生，是邊界層控制減阻的重點(diǎn)。各阻力系數(shù)和壓力系數(shù)計(jì)算方法如下：

式中：Cx為阻力系數(shù)；Fx為空氣阻力；ρ為空氣密度，取1.225 kg/m3；V為動(dòng)車組運(yùn)行速度，m/s；S為參考面積（列車橫截面積）；Cp為壓力系數(shù)；p為壓力；p∞為來流壓力（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101 325 Pa）。

3 頭車減阻

為提高計(jì)算效率，采用3節(jié)編組列車進(jìn)行數(shù)值仿真。列車頭車抽吸氣孔設(shè)置見圖9，重點(diǎn)關(guān)注抽吸氣效應(yīng)對(duì)邊界層分離及其引起的氣動(dòng)阻力系數(shù)變化的影響，沒有考慮與抽吸氣孔連接的空氣流道影響以及抽吸氣速度控制等問題。仿真模型中，抽吸氣孔處設(shè)置為流量出口邊界條件，通過改變出口流量數(shù)值改變抽吸氣孔抽吸速度。抽吸速度分別為0.2U、0.4U、0.6U、0.8U及U（U為列車運(yùn)行速度）時(shí)氣動(dòng)阻力系數(shù)變化情況見表1，列車頭車、中間車、尾車、整車氣動(dòng)阻力系數(shù)隨抽吸速度變化曲線見圖10。

圖9 列車頭車抽吸氣孔設(shè)置

表1 頭車邊界層分離點(diǎn)區(qū)域抽吸氣時(shí)列車氣動(dòng)阻力系數(shù)變化

頭車邊界層分離點(diǎn)區(qū)域設(shè)置抽吸氣孔僅對(duì)頭車氣動(dòng)阻力系數(shù)產(chǎn)生較大影響，對(duì)中間車和尾車氣動(dòng)阻力系數(shù)影響不大。設(shè)置抽吸氣孔后，列車頭車氣動(dòng)阻力系數(shù)減小，中間車氣動(dòng)阻力系數(shù)略有減小，但減小幅度非常小，尾車氣動(dòng)阻力系數(shù)在抽吸速度小時(shí)略有減小，但當(dāng)抽吸速度增大到某一數(shù)值時(shí)有非常小幅度的增阻，中間車和尾車的氣動(dòng)阻力系數(shù)變化和頭車變化相比可忽略不計(jì)；隨著抽吸速度的增大，列車頭車減阻率基本呈線性增大，而中間車和尾車的減阻率則變化不大，因此整車減阻率也隨著抽吸速度的增大而增大，當(dāng)抽吸速度達(dá)到U時(shí)，頭車減阻率高達(dá)14%，整車減阻率達(dá)6%，減阻效果明顯。

圖10 氣動(dòng)阻力系數(shù)隨抽吸速度變化曲線

4 尾車減阻

對(duì)列車尾車邊界層分離點(diǎn)區(qū)域布置了類似頭車的抽吸氣孔，計(jì)算條件與頭車相同。抽吸氣前、后列車中心縱向剖面速度及邊界層分布見圖11，抽吸氣前、后流場的主要區(qū)別在于抽吸氣孔位置附近邊界層明顯變薄，最薄處厚度為0，壓力分布也發(fā)生變化，引起阻力發(fā)生變化。尾車分離點(diǎn)區(qū)域抽吸氣時(shí)列車氣動(dòng)阻力系數(shù)變化見表2，列車頭車、中間車、尾車、整車氣動(dòng)阻力系數(shù)隨抽吸速度變化曲線見圖12。

尾車邊界層分離點(diǎn)區(qū)域設(shè)置抽吸氣孔僅對(duì)尾車氣動(dòng)阻力系數(shù)產(chǎn)生較大影響，尾車阻力顯著減小，對(duì)頭車和中間車氣動(dòng)阻力系數(shù)影響不大；隨著抽吸速度的增大，列車尾車和整車減阻率基本呈線性增大，當(dāng)抽吸速度達(dá)到U時(shí)，尾車減阻率高達(dá)13%，整車減阻率達(dá)5%，減阻效果明顯。

表2 尾車邊界層分離點(diǎn)區(qū)域抽吸氣時(shí)列車氣動(dòng)阻力系數(shù)變化

圖11 列車中心縱向剖面速度及邊界層分布

5 結(jié)論

采用精細(xì)化數(shù)值模擬研究了高速列車邊界層發(fā)展、分離特性及其對(duì)阻力分布的影響，進(jìn)而提出列車頭車和尾車分離區(qū)抽吸氣邊界層控制減阻方案，得到以下重要結(jié)論：邊界層引起的摩擦阻力占總氣動(dòng)阻力的50%左右，通過邊界層控制減阻具有很大的應(yīng)用潛力；頭車邊界層分離點(diǎn)區(qū)域設(shè)置抽吸氣孔后，列車頭車氣動(dòng)阻力系數(shù)減小，中間車和尾車的氣動(dòng)阻力系數(shù)變化較??；尾車邊界層分離點(diǎn)區(qū)域設(shè)置抽吸氣孔后，列車尾車氣動(dòng)阻力系數(shù)減小，頭車和中間車氣動(dòng)阻力系數(shù)變化不大；下一步可重點(diǎn)針對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域、車端連接區(qū)域等邊界層分離區(qū)開展流場結(jié)構(gòu)研究，提出創(chuàng)新性流動(dòng)控制減阻方案。

圖12 氣動(dòng)阻力系數(shù)隨抽吸速度變化曲線