張曉涵，鄧銳，房明，李田

(1.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610031；2.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京210000)

市域列車的出現(xiàn)滿足了城市域范圍內(nèi)人們的購(gòu)物、娛樂(lè)、上班等交通需求。在快速列車外形設(shè)計(jì)中，列車的氣動(dòng)設(shè)計(jì)很重要[1]。相對(duì)高鐵而言，雖然市域列車運(yùn)行速度較低，但其較短的流線型與較多的外露設(shè)備對(duì)列車氣動(dòng)減阻不利。列車外形的優(yōu)化對(duì)減小整車氣動(dòng)阻力、減小氣動(dòng)噪聲和降低能耗具有重要的意義。空調(diào)設(shè)備的安裝對(duì)列車頂部平順結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)，一般通過(guò)安裝導(dǎo)流板來(lái)降低空調(diào)設(shè)備對(duì)列車氣動(dòng)阻力的負(fù)面影響。對(duì)于120 km/h鈍體頭型列車，氣動(dòng)阻力約占總阻力的40%，當(dāng)速度達(dá)到160 km/h，氣動(dòng)阻力占比進(jìn)一步上升[1]。因此，列車氣動(dòng)外形優(yōu)化對(duì)減小整車氣動(dòng)阻力、降低氣動(dòng)噪聲和節(jié)能具有重要意義?？照{(diào)導(dǎo)流罩優(yōu)化是車輛頂部平順化設(shè)計(jì)的重要組成部分。目前，對(duì)列車局部外形(列車裙板、風(fēng)擋、設(shè)備艙、受電弓和空調(diào)導(dǎo)流罩等)減阻優(yōu)化的研究方法主要有風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值模擬方法[2]。TIAN[1]研究了列車阻力形成的機(jī)理與降低阻力的相關(guān)措施，發(fā)現(xiàn)風(fēng)擋玻璃和底部裙板的添加可以有效的降低列車阻力。SCHULTE-WER‐NING[3]研究280 km/h速度列車，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架整流罩不僅可以降低列車運(yùn)行阻力，也可以降低轉(zhuǎn)向架周圍局部噪聲。林鵬等[4]通過(guò)優(yōu)化城際列車底部設(shè)備布局，使整車減阻5.69%。LI等[5]利用CFD方法研究了重聯(lián)間距對(duì)重聯(lián)高速列車氣動(dòng)阻力的影響。左雄等[6]通過(guò)DDES數(shù)值模擬方法對(duì)列車車下設(shè)備、風(fēng)擋和空調(diào)部位進(jìn)行減阻優(yōu)化分析。姬芳芳等[7]通過(guò)商用軟件STAR-CCM+對(duì)比分析了不同外形的空調(diào)導(dǎo)流罩對(duì)列車氣動(dòng)阻力的影響。馬夢(mèng)林等[8]通過(guò)對(duì)350 km/h列車的空調(diào)導(dǎo)流罩進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使頭車氣動(dòng)阻力減少26%。SUN等[9]以CRH3車型(考慮空調(diào)導(dǎo)流罩)為研究對(duì)象，研究了隧道會(huì)車的穩(wěn)定性。肖云華等[10]利用數(shù)值方法研究了8車編組列車空調(diào)表面的壓力分布規(guī)律。李朝威[11]通過(guò)對(duì)城際列車氣動(dòng)噪聲數(shù)值分析，對(duì)空調(diào)導(dǎo)流罩邊緣與四角進(jìn)行了優(yōu)化，聲壓級(jí)降低6 dBA。黃志祥等[12]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)比3種不同空調(diào)導(dǎo)流罩氣動(dòng)阻力，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流罩3比導(dǎo)流罩1全車減阻4.59%。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高速列車的氣動(dòng)外形優(yōu)化做了大量的工作，但關(guān)于160 km/h市域車輛的空調(diào)導(dǎo)流罩優(yōu)化分析較少。雖然影響列車氣動(dòng)阻力的外部結(jié)構(gòu)有很多，但至今還未見文獻(xiàn)研究頂部空調(diào)導(dǎo)流罩角度對(duì)列車氣動(dòng)阻力的影響，本文采用數(shù)值模擬方法，對(duì)160 km/h市域列車氣動(dòng)特性進(jìn)行了分析，研究空調(diào)導(dǎo)流罩安裝角與列車氣動(dòng)阻力之間的關(guān)系，最終提出了導(dǎo)流罩優(yōu)化建議，為市域列車空調(diào)導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

1 數(shù)學(xué)模型

由于列車運(yùn)行速度為160 km/h(小于0.3 Ma)，因此不考慮氣體的可壓縮性。列車?yán)@流應(yīng)當(dāng)滿足連續(xù)性方程、動(dòng)量方程，其流體控制方程的通用形式如下：

式中：φ為通用變量，可代表典型求解變量；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項(xiàng)。式中各項(xiàng)依次為瞬態(tài)項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和廣義源項(xiàng)。由于列車運(yùn)行速度馬赫數(shù)小于0.3，因此將流場(chǎng)視為不可壓縮黏性流場(chǎng)，綜合考慮空調(diào)導(dǎo)流罩氣動(dòng)阻力組成和計(jì)算網(wǎng)絡(luò)數(shù)量，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。

阻力系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：Cd表示阻力系數(shù)；F表示阻力，N；ρ表示氣體密度，1.225 kg/m3；v表示列車運(yùn)行速度，44.44 m/s；A表示列車與空調(diào)斷面面積，9.48 m2。

2 計(jì)算模型

2.1 幾何模型

以某160 km/h市域列車為研究對(duì)象，不考慮列車受電弓，將列車轉(zhuǎn)向架進(jìn)行簡(jiǎn)化。保留列車車鉤與防爬裝置。列車模型部件分布與簡(jiǎn)稱如圖1所示，整車由4節(jié)車組成：頭車、中間車1、中間車2和尾車。其中頭車與尾車由流線型部分與非流線型部分組成。每節(jié)車包含2個(gè)空調(diào)(A)和2個(gè)轉(zhuǎn)向架(B)，頭車與尾車部分有裙板結(jié)構(gòu)(S)。頭車與尾車流線型均保留車鉤結(jié)構(gòu)，列車長(zhǎng)度為95.4 m，列車高度為特征高度H。在8個(gè)空調(diào)前后依次統(tǒng)一安裝一定角度的罩，安裝角度分別為15°，20°，25°，30°，45°，60°，75°和90°(無(wú)導(dǎo)流罩)，空調(diào)導(dǎo)流罩模型如圖2所示。

圖1 列車模型Fig.1 Train model

圖2 不同角度下的空調(diào)導(dǎo)流罩Fig.2 Air conditioning deflector with different angles

2.2 計(jì)算域與邊界條件

計(jì)算域長(zhǎng)度為72.9H，列車車鉤頂端距離入口邊界15H，尾部距離出口33H，計(jì)算域高度為8.8H，寬度為15.7H。同時(shí)為了準(zhǔn)確捕捉列車周圍流場(chǎng)，在列車周圍劃分3個(gè)不同大小的加密區(qū)，如圖3所示。車體截面積與計(jì)算域截面積之比小于0.01；高度大于列車的8倍特征高度；長(zhǎng)度方向上游大于8倍特征高度，下游大于16倍特征高度。計(jì)算區(qū)域的設(shè)置滿足鐵標(biāo)TB/T 3503.4規(guī)定的明線單車運(yùn)行工況計(jì)算區(qū)域要求。

圖3 計(jì)算域模型Fig.3 Model of the computational domain

入口邊界設(shè)置為速度入口且速度為44.44 m/s(160 km/h)，出口設(shè)置為壓力出口，側(cè)面與頂面采用對(duì)稱壁面邊界條件，地面采用移動(dòng)壁面。

2.3 網(wǎng)格劃分與獨(dú)立性檢驗(yàn)

網(wǎng)格采用切割體網(wǎng)格，第1層邊界層高度為1.3 mm，保證列車表面y+絕大多數(shù)在30～150之間，如圖4所示。列車車體表面劃分10層邊界層，保證邊界層網(wǎng)格到核心區(qū)域網(wǎng)格良好的過(guò)渡。車體表面網(wǎng)格大小在40～80 mm之間，列車頭部流線型表面進(jìn)行加密，尺寸大小在20～40 mm之間，列車裙板加密尺寸20 mm。網(wǎng)格劃分細(xì)節(jié)如圖5所示。

圖4 列車車體表面y+值分布情況Fig.4 Distribution of y+on the s train body

圖5 y=0截面車體周圍網(wǎng)格與邊界層Fig.5 Mesh around and boundary layer on the train body at the cross-section y=0 m

通過(guò)劃分3個(gè)不同尺寸的網(wǎng)格，消除網(wǎng)格變化對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。以安裝45°導(dǎo)流罩的列車模型為進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證的對(duì)象，畫分3套不同數(shù)量的網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值模擬。粗網(wǎng)格，中等網(wǎng)格和密網(wǎng)格的網(wǎng)格數(shù)量分別約為1 100萬(wàn)，1 800萬(wàn)和2 300萬(wàn)。表1為3套不同數(shù)量網(wǎng)格計(jì)算得到的車輛氣動(dòng)阻力對(duì)比情況，誤差均為相鄰網(wǎng)格數(shù)量的相對(duì)誤差。考慮到數(shù)值誤差和網(wǎng)格數(shù)量，后續(xù)數(shù)值模擬采用中等數(shù)量網(wǎng)格。

表1 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證Table 1 Mesh independence verification

3 數(shù)值方法驗(yàn)證

以理想列車橫風(fēng)實(shí)驗(yàn)[13]作為驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)數(shù)值模擬，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的可靠性。邊界條件設(shè)置與3.2節(jié)一致。

理想列車特征高度為D，提取距離列車頂端6.5D處的列車表面壓力系數(shù)分布同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖6所示。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，除了順氣流方向上的2個(gè)壁面，其他壁面整體壓力系數(shù)比實(shí)驗(yàn)值略小[14]。斷面的列車表面壓力系數(shù)分布與實(shí)驗(yàn)值基本吻合，以此邊界條件與湍流模型進(jìn)行數(shù)值數(shù)值模擬結(jié)果具有可靠性。

圖6 6.5D斷面列車表面壓力分布情況Fig.6 Surface pressure distribution of 6.5D section

4 計(jì)算結(jié)果分析

將列車各個(gè)部件的阻力進(jìn)行提取分析，其中頭車鼻尖為HN；車鉤為C；頭車為H；空調(diào)為A。由于每節(jié)車輛含有2個(gè)空調(diào)，因此按照來(lái)流方向依次是A01和A02。同樣地，轉(zhuǎn)向架為B01，B02，空調(diào)導(dǎo)流罩按照來(lái)流方向依次為AS01和AS02。

4.1 各節(jié)車輛氣動(dòng)阻力分析

圖7 為不同角度空調(diào)導(dǎo)流罩情況下列車各節(jié)車輛氣動(dòng)阻力系數(shù)變化曲線。隨著空調(diào)導(dǎo)流罩安裝角度的變化，頭車流線型部位氣動(dòng)阻力變化不大。除尾車流線型部位外，其他車輛氣動(dòng)阻力隨著導(dǎo)流罩安裝角度的增大而增大。頭車從無(wú)導(dǎo)流罩(90°)到15°導(dǎo)流罩，氣動(dòng)阻力系數(shù)降低16%左右。尾部流線型部位產(chǎn)生的壓差阻力較大，且隨著導(dǎo)流罩安裝角度的增大而減小，從無(wú)導(dǎo)流罩(90°)到安裝15°導(dǎo)流罩，尾車流線型部位阻力系數(shù)增大8.6%。針對(duì)整車而言，導(dǎo)流罩安裝角度越小，整車的氣動(dòng)阻力系數(shù)越小，列車從無(wú)導(dǎo)流罩(90°)到安裝15°導(dǎo)流罩，氣動(dòng)阻力系數(shù)減少約10%。

圖7 各個(gè)車輛氣動(dòng)阻力系數(shù)隨導(dǎo)流罩安裝角度的變化Fig.7 Variation curves of aerodynamic drag coefficient with the change of defector angle

頭車、中間車和尾車由于安裝有空調(diào)設(shè)備，其導(dǎo)流罩角度越大，迎風(fēng)面變大，其產(chǎn)生的壓差阻力也進(jìn)一步增大，最終導(dǎo)致各個(gè)車輛上的氣動(dòng)阻力隨導(dǎo)流罩安裝角度的增大而增大。然而，列車尾部流線型上沒(méi)有安裝空調(diào)，但其氣動(dòng)阻力隨其他部位空調(diào)導(dǎo)流罩的角度的增大而減小。這是由于空調(diào)導(dǎo)流罩的存在影響了列車尾部流場(chǎng)與壓力變化。圖8為列車尾部壓力分布情況，氣流經(jīng)過(guò)鈍體頭型會(huì)在尾部形成回流，產(chǎn)生尾渦結(jié)構(gòu)，較低的速度氣流會(huì)導(dǎo)致列車表面局部壓力偏大。從圖8可以看出，隨著導(dǎo)流罩角度的增大，列車尾部100 Pa左右高壓區(qū)面積逐步減小。高壓區(qū)在尾車流線型中心位置逐漸減小，相對(duì)而言負(fù)壓面積變大，導(dǎo)致尾車流線型的壓差阻力會(huì)逐漸增大。然而計(jì)算結(jié)果于此相反，可見此區(qū)域并非影響尾車流線型壓差阻力的主要原因。為了進(jìn)一步分析其氣動(dòng)阻力隨導(dǎo)流罩角度的增大而減小的原因，提取了俯視情況下的尾車流線型負(fù)壓分布情況，如圖9所示。從圖9可以看出，隨著導(dǎo)流罩安裝角度的增大，低壓區(qū)主要發(fā)生變化的區(qū)域出現(xiàn)在車頂部位。當(dāng)導(dǎo)流罩角度為15°時(shí)，其頂部低壓在?1 000 Pa左右，當(dāng)導(dǎo)流罩安裝角度增大到90°之后，頂部低壓值降低到?500 Pa左右。與圖8正壓區(qū)域相比，高壓區(qū)最大值只有100 Pa左右，而低壓值則能達(dá)到?1 200 Pa，低壓區(qū)是導(dǎo)致列車尾部流線型產(chǎn)生壓差阻力的主導(dǎo)原因，因此列車尾部流線型阻力隨導(dǎo)流罩安裝角度的增大而降低。

圖8 列車尾部流線型正壓分布情況(正視圖)Fig.8 Positive pressure distribution at rear of train(front view)

圖9 列車尾部流線型負(fù)壓分布情況(俯視圖)Fig.9 Negative pressure distribution at rear of train(top view)

4.2 空調(diào)氣動(dòng)阻力分析

列車空調(diào)由導(dǎo)流罩和空調(diào)本體組成，本小節(jié)分別對(duì)導(dǎo)流罩、空調(diào)本體(不包含導(dǎo)流罩)和空調(diào)整體(包含導(dǎo)流罩)3個(gè)部分的氣動(dòng)阻力進(jìn)行分析。

4.2.1 導(dǎo)流罩氣動(dòng)阻力分析

圖10 為不同角度下各節(jié)車輛空調(diào)導(dǎo)流罩氣動(dòng)阻力變化曲線，隨著空調(diào)導(dǎo)流罩隨著安裝角度的增大，其氣動(dòng)阻力呈現(xiàn)近似線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。除頭車外，其他3節(jié)車上的導(dǎo)流罩均在30°時(shí)出現(xiàn)斜率變小的情況，這也是導(dǎo)致整車阻力變化趨勢(shì)改變的原因。

圖10 不同角度下空調(diào)導(dǎo)流罩氣動(dòng)阻力Fig.10 Aerodynamic resistance of air conditioning fairing with different angles

導(dǎo)流罩的氣動(dòng)阻力來(lái)源主要是迎風(fēng)面受到氣流的沖擊所帶來(lái)的壓差阻力。隨著角度的增大，導(dǎo)流罩面對(duì)迎面來(lái)風(fēng)的沖擊越來(lái)越大，導(dǎo)致表面高壓區(qū)面積不斷增大，迎風(fēng)面導(dǎo)流罩的壓差阻力不斷增大。

4.2.2 空調(diào)本體(無(wú)導(dǎo)流罩部分)氣動(dòng)阻力分析

空調(diào)表面由于基本與空氣來(lái)流平行，因此整體氣動(dòng)阻力組成主要來(lái)源于黏性阻力。圖11為空調(diào)表面阻力分布情況。當(dāng)導(dǎo)流罩角度小于30°時(shí)，空調(diào)本體所受到的阻力變化不大，但當(dāng)角度大于30°之后，隨著空調(diào)導(dǎo)流罩角度的增大，各個(gè)空調(diào)的阻力不斷減小。當(dāng)導(dǎo)流罩角度為90°時(shí)，空調(diào)表面阻力最小。

圖11 不同角度下空調(diào)本體(無(wú)導(dǎo)流罩部分)氣動(dòng)阻力變化情況Fig.11 Variation of aerodynamic resistance of air conditioner body(without shroud)at different angles

為了分析空調(diào)表面的黏性阻力情況，提取列車頭車車體與空調(diào)周圍0.99倍的來(lái)流速度作為空調(diào)與列車周圍邊界層，如圖12所示。物體周圍氣流速度越高，則受到的黏性越大。隨著空調(diào)導(dǎo)流罩角度的增大，附著在列車表面的氣流邊界層越來(lái)越厚，空調(diào)表面流速較慢的氣流變多，黏性阻力逐漸降低，流速較高的氣流則受到第一個(gè)導(dǎo)流罩的影響在列車表面逐漸分離。因此，空調(diào)表面的黏性阻力隨著導(dǎo)流罩角度的增大而減小。

圖12 頭車頂部邊界層分布情況Fig.12 Distribution of boundary layer on top of head car

在角度為15°，20°和25°情況下，導(dǎo)流罩背風(fēng)側(cè)后方會(huì)有局部高速區(qū)域。氣流經(jīng)過(guò)第1個(gè)空調(diào)導(dǎo)流罩迎風(fēng)側(cè)之后會(huì)發(fā)生流動(dòng)分離，由于角度較小，分離后的氣流會(huì)在空調(diào)尾部再附著，當(dāng)氣流完全經(jīng)過(guò)導(dǎo)流罩背風(fēng)側(cè)時(shí)，又會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)分離，因此形成分離?附著?再分離的現(xiàn)象。同樣地，當(dāng)導(dǎo)流罩角度達(dá)到20°和25°時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生分離?附著?再分離的現(xiàn)象，但這種現(xiàn)象呈現(xiàn)出逐漸減弱的趨勢(shì)，表現(xiàn)為導(dǎo)流罩后方非局部高速區(qū)域面積逐漸減小。直到30°時(shí)，氣流完全在第1個(gè)導(dǎo)流罩迎風(fēng)側(cè)分離，無(wú)法形成后續(xù)的附著-再分離現(xiàn)象，因此第1個(gè)導(dǎo)流罩后方的局部高速區(qū)域消失。

4.2.3空調(diào)整體氣動(dòng)阻力分析

由于空調(diào)導(dǎo)流罩和空調(diào)本體表面阻力隨角度變化規(guī)律不同，如果考慮空調(diào)整體的氣動(dòng)阻力情況，需將兩者綜合考慮，如圖13所示。列車各車輛上空調(diào)氣動(dòng)阻力隨導(dǎo)流罩角度的增大而增大，變化規(guī)律基本一致，導(dǎo)流罩角度為90°時(shí)空調(diào)整體氣動(dòng)阻力最大。空調(diào)整體的氣動(dòng)阻力主要受到導(dǎo)流罩阻力的影響。

圖13 不同角度下空調(diào)整體氣動(dòng)阻力Fig.13 Aerodynamic resistance of the whole air conditioners with different angles

在安裝角度30°之前，導(dǎo)流罩氣動(dòng)阻力變化梯度較大，當(dāng)角度大于30°之后，導(dǎo)流罩氣動(dòng)阻力變化趨勢(shì)相對(duì)緩和，此規(guī)律與整車阻力系數(shù)變化一致。根據(jù)圖12可以看出，在角度小于30°時(shí)，列車第1個(gè)空調(diào)邊界層較薄，速度較高的氣流會(huì)沖擊到第2個(gè)空調(diào)的導(dǎo)流罩，因此氣動(dòng)阻力變化較大。當(dāng)角度大于30°后，氣流在經(jīng)過(guò)第1個(gè)空調(diào)之后，邊界層厚度增大，使第2個(gè)空調(diào)導(dǎo)流罩受到的氣流沖擊主要來(lái)源于低速氣流，因此導(dǎo)流罩氣動(dòng)阻力變化趨于緩和。

5 結(jié)論

1)空調(diào)導(dǎo)流罩的安裝是非常有必要的，從整車無(wú)導(dǎo)流罩(90°)到8個(gè)空調(diào)分別安裝15°導(dǎo)流罩，整車氣動(dòng)阻力降低10左右；安裝不同角度的導(dǎo)流罩分別有不同程度的減阻效果。

2)頭車流線型區(qū)域氣動(dòng)阻力受到空調(diào)導(dǎo)流罩效果較小，中間車和尾車氣動(dòng)阻力隨導(dǎo)流罩安裝角度的增大而增大，尾車流線型氣動(dòng)阻力隨著導(dǎo)流罩安裝角度的增大而減小。

3)導(dǎo)流罩氣動(dòng)阻力隨導(dǎo)流罩角度的增大而增大，背風(fēng)側(cè)阻力在15°時(shí)最小?？照{(diào)本體(無(wú)導(dǎo)流罩部分)氣動(dòng)阻力隨導(dǎo)流罩角度的增大而減小，空調(diào)整體氣動(dòng)阻力主要受到導(dǎo)流罩阻力的影響。