高速列車頭部氣動性能的模擬計算與試驗

馬夢林，鄧海，王東屏，兆文忠

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028;2.長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)

0 引言

隨著速度的提高，列車與周圍空氣的相互作用加劇，空氣動力學(xué)問題越來越突出.列車氣動阻力占總運(yùn)行阻力的比例越來越大，大量理論分析和試驗表明，列車以350 km/h以上明線高速運(yùn)行時，列車運(yùn)行阻力90%以上來自于氣動阻力.與此同時，列車的氣動阻力與列車頭部外形有著密切的關(guān)系.氣動阻力是空氣動力學(xué)研究的主要內(nèi)容之一［1-2］，而氣動阻力系數(shù)是衡量高速列車頭部氣動特性的一個重要參數(shù)，尋求列車最佳頭部形狀使其氣動阻力最小，有效地降低空氣動力學(xué)現(xiàn)象對列車運(yùn)行和周邊環(huán)境的影響，是高速列車氣動外形設(shè)計中一個重要的研究課題.

本文利用數(shù)值模擬方法和風(fēng)洞試驗方法兩種途徑對一節(jié)半編組的列車模型的氣動特性進(jìn)行分析研究，并通過對兩種研究方法分析結(jié)果的對比，尋求研究列車氣動特性方法有效地結(jié)合點和不同點，為今后列車氣動外形在不同的研究情況下的分析方法的選擇與結(jié)合提供參考.

1 高速列車氣動特性研究方法概述

對于列車氣動特性的研究方法主要有兩個方法:實驗研究方法和數(shù)值模擬方法.實驗方法包括風(fēng)洞試驗法、線路試驗以及動模型試驗［3-5］，在高速列車頭型設(shè)計的初期風(fēng)洞試驗是主要的設(shè)計驗證手段.數(shù)值模擬方法主要是利用CFD程序?qū)α熊囍車牧鲌鲞M(jìn)行模擬計算來反映列車外部復(fù)雜流動特性的一種方法.CFD方法作為一種強(qiáng)有力的輔助設(shè)計工具，在列車頭型的設(shè)計初期起到一定的指導(dǎo)與預(yù)測的作用，并可以擴(kuò)展研究范圍和給出比較完整的定量結(jié)果［6］.而風(fēng)洞試驗則是通過模擬試驗來不斷揭示各種氣動現(xiàn)象，通過試驗數(shù)據(jù)的分析與推理得出重要的結(jié)論.因此，若將CFD數(shù)值模擬方法與風(fēng)洞試驗兩者很好的結(jié)合應(yīng)用，讓二者互為補(bǔ)充互為應(yīng)用，對列車氣動特性的研究無疑是一種更加完善的研究方法.

2 高速列車車頭的數(shù)值模擬

CFD方法可以看作是流動基本方程(質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程)控制下對流動的數(shù)值模擬，通過數(shù)值模擬，可以得到極其復(fù)雜問題的流場內(nèi)各個位置的基本物理量的分布，以及這些物理量隨時間的變化情況，確定漩渦分布特性、空化特性及脫流區(qū)等［7-8］.下面利用通用流體分析軟件FLUENT，對列車頭部及車身周圍的流場進(jìn)行空氣動力學(xué)分析，得到模型周圍的繞流特性和氣動特性參數(shù).

2.1 模型簡化

明線運(yùn)行的高速列車是一個近地且長細(xì)比很大的運(yùn)動體，周圍流場是三維不可壓湍流，可用三維不可壓雷諾平均N-S方程模擬.不可壓Navier-Stokes方程:

對于連續(xù)方程:

對于x方向的動量方程:

y、z方向具有類似的表示.

求解方法采用湍流模型，采用高雷諾數(shù)的k－ε兩方程模型:

湍動能方程:

湍流耗散率方程:

同時，由于主要分析高速列車頭形對的氣動阻力的影響，并為了便于和風(fēng)洞試驗結(jié)果進(jìn)行分析對比，數(shù)值模擬分析的模型采用頭車加半節(jié)中間車的編組方式.車體底部與轉(zhuǎn)向架區(qū)域的零部件較多，若將它們?nèi)矿w現(xiàn)出來勢必使計算模型的網(wǎng)格規(guī)模過大，所以對它們進(jìn)行適當(dāng)簡化處理.簡化后的計算模型如圖1所示:

圖1 簡化后的車體模型

2.2 計算區(qū)域及邊界條件

同樣，為了使計算結(jié)果與后續(xù)風(fēng)洞試驗結(jié)果在相同的工況下進(jìn)行對比，計算區(qū)域的選擇應(yīng)保證與風(fēng)洞試驗的阻塞比相同，并且盡量避免入口邊界、出口邊界不受到列車的影響，保證速度分布均勻，入口邊界與出口邊界選擇離車體110 m計算區(qū)域如圖2所示:

圖2 計算區(qū)域

2.3 網(wǎng)格劃分

首先將計算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到離散的計算對象.由于列車車頭不能完全實現(xiàn)流線型設(shè)計，因此，在車頭的近壁面區(qū)域會出現(xiàn)不同程度的邊界層分離現(xiàn)象.因此，通過多次計算結(jié)果分析，調(diào)整車頭附近的網(wǎng)格密度，而在遠(yuǎn)離壁面的區(qū)域，網(wǎng)格可以適當(dāng)放大.同時，為了更好的控制網(wǎng)格的密度，將計算區(qū)域劃分為五個區(qū)域，圖3所示，為列車頭部壁面區(qū)域的網(wǎng)格，以此為基礎(chǔ)，其它計算區(qū)域的網(wǎng)格由密變疏的呈放射狀分布.

圖3 列車頭部區(qū)域的網(wǎng)格劃分

2.4 計算結(jié)果分析

在60 m/s時速下，對列車車頭周圍的流場進(jìn)行了空氣動力性能數(shù)值分析.計算得到在此工況下的列車車頭表面的壓力分布云圖、列車頭車的空氣阻力系數(shù)等氣動性能參數(shù).

圖4、圖5是列車頭車表面的壓力分布，圖6為列車車頭縱向?qū)ΨQ面上矢量分布圖.列車運(yùn)行時，由于車頭的擠壓，使車頭迎風(fēng)面周圍流場呈正壓狀態(tài)，列車鼻端的最高壓力是4 731.122 Pa.

圖4 列車車頭表面的壓力分布云圖

圖5 列車車頭表面的壓力分布云圖(局部放大圖)

圖6 列車車頭對稱面的矢量分布圖

根據(jù)分析計算結(jié)果，利用阻力系數(shù)計算公式:

計算得高速列車車頭車的列車壓差阻力和列車空氣摩擦阻力分別為2 971.203 2 N(X負(fù)向)、1082.8172 N(X 負(fù)向)，氣動阻力系數(shù)為0.1698.

3 風(fēng)洞模型試驗

風(fēng)洞模型試驗是研究列車氣動特性中應(yīng)用最廣泛的手段之一.通過風(fēng)洞模型試驗在列車氣動外形的設(shè)計與研究上有著舉足輕重的作用.風(fēng)洞模型試驗的基本原理是根據(jù)運(yùn)動相對性原理和流動相似性原理，將列車和線路等物體按幾何相似性制作成縮比模型，并固定在風(fēng)洞的試驗段，通過風(fēng)洞的動力裝置，產(chǎn)生可以人為控制的氣流，通過穩(wěn)定、加速和整流，使之成為具有所需要的速度、密度和壓力的均勻氣流，當(dāng)氣流流過列車模型，在滿足必要的相似條件下，測量列車模型的空氣動力特性，就可以得到實際列車的空氣動力特性了.

3.1 試驗設(shè)備

本文的風(fēng)洞試驗在8 m×6 m/12 m×16 m風(fēng)洞第二試驗段進(jìn)行的，此風(fēng)洞為閉口串列雙試驗段大型低速風(fēng)洞，模型所在的第二試驗段寬8 m，高6 m，長15 m，穩(wěn)定風(fēng)速為20～70 m/s，滿足本次試驗最高風(fēng)速60 m/s的要求.與此同時，試驗?zāi)Ｐ托掳惭b在列車試驗專用地板上，此列車試驗專用地板前、后緣為流線型，以減少氣流的干擾，并且每塊板后緣下表面裝有擾流片，在板塊之間的縫隙附件形成渦流低壓區(qū)，可以有效地吸引地板上表面氣流，從而降低地板附面層厚度.試驗的測量設(shè)備選用的是盒式六分量應(yīng)變天平對列車模型的氣動力和力矩進(jìn)行測量.

3.2 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

風(fēng)洞試驗的模型縮尺比例為1∶8，一節(jié)半編組.模型安裝在路基軌道模型上，如圖7所示.列車模型為金屬框架結(jié)構(gòu)，外部用木材成型.金屬框架內(nèi)部焊有天平連接板，天平通過支座與路基軌道連接，每節(jié)車體模型通過天平與支撐座相連.為了實現(xiàn)頭車與中間車的分別測試，各個測力單元相互獨立、無連接.

圖7 列車車頭風(fēng)洞實驗?zāi)Ｐ?/p>

3.3 試驗結(jié)果

通過風(fēng)洞試驗，并對測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得出測試模型的阻力系數(shù)、升力系數(shù)、側(cè)向力系數(shù)以及傾覆力矩系數(shù)、側(cè)偏力矩系數(shù)和俯仰力矩系數(shù).并將風(fēng)洞試驗和仿真分析所得到的在相似的邊界條件下列車頭車的氣動阻力系數(shù)進(jìn)行對比.由風(fēng)洞試驗測得列車頭車的氣動阻力系數(shù)為0.155 8，仿真分析結(jié)果計算得到列車頭車的氣動阻力系數(shù)為0.169 8，誤差率為8.9%.滿足仿真分析結(jié)果與試驗結(jié)果的誤差率小于15%的要求.同時，也說明，在概念設(shè)計階段，可以利用模擬分析的方法代替風(fēng)洞試驗來指導(dǎo)設(shè)計，從而縮短設(shè)計周期，而將確定方案后的設(shè)計利用風(fēng)洞試驗來對設(shè)計進(jìn)行進(jìn)一步的驗證.

4 風(fēng)洞模型試驗與仿真分析結(jié)果的對比分析

風(fēng)洞模型試驗與仿真分析結(jié)果存在差異的原因:

(1)仿真技術(shù)模型中的列車表面的摩擦系數(shù)取值較大，適當(dāng)修正列車表面的摩擦系數(shù);

(2)由于試驗測試時天氣陰冷，與仿真分析計算時理想狀態(tài)下的空氣參數(shù)存在差異;

(3)風(fēng)洞模型試驗時，由于風(fēng)洞為開放式結(jié)構(gòu)，測量結(jié)果受溫度、濕度等環(huán)境和不定因素影響，因此也會存在一些不可確定的影響因素;

(4)仿真分析模型建模時，轉(zhuǎn)向架進(jìn)行了簡化，采取了化零為整的方法，這樣增大了迎風(fēng)面積，從而使阻力增大;若在模型中詳細(xì)描述轉(zhuǎn)向架區(qū)域，勢必會將模型的網(wǎng)格大規(guī)模增大，因此，在誤差允許范圍內(nèi)，不影響頭車表面流場的情況下對轉(zhuǎn)向架區(qū)域不作修改.

5 結(jié)論

風(fēng)洞模型試驗由于受到模型制作、試驗條件、測試手段的限制存在一定的局限性.同時由于風(fēng)洞模型試驗周期長、費(fèi)用昂貴，在高速列車概念設(shè)計階段應(yīng)用此方法比較困難.數(shù)值模擬方法設(shè)計周期短同時又不受風(fēng)洞模型試驗?zāi)菢拥南拗疲菙?shù)值模擬計算也存在對實際湍流等氣流流動狀態(tài)特性目前仍未有普遍適用的數(shù)學(xué)模型［9-10］，數(shù)值計算上收斂性和計算的精度等仍需改進(jìn)等缺點.因此，單單依靠數(shù)值分析結(jié)果來分析高速列車頭車的氣動特性是不完善的，只能作為風(fēng)洞模型試驗的必要補(bǔ)充和前期定量的預(yù)測，因此，應(yīng)將風(fēng)洞試驗與數(shù)值仿真分析密切配合，在設(shè)計前期，通過仿真分析，得到流場的總體變化趨勢來指導(dǎo)設(shè)計，當(dāng)設(shè)計基本成型后，通過風(fēng)洞試驗結(jié)果來驗證數(shù)值模擬分析建模的準(zhǔn)確性，將兩種分析技術(shù)作為一個整體來考慮，使二者相互校正，才是高速列車頭形設(shè)計研究的有效途徑.

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