城際列車氣動(dòng)阻力組成分析及減阻研究

左雄，羅意平，劉冬雪

(中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

隨著列車運(yùn)行速度的不斷提高，氣動(dòng)阻力占運(yùn)行總阻力的比重也越來越大[1?2]，在研究列車氣動(dòng)設(shè)計(jì)的過程中，研究列車阻力成因，減小列車運(yùn)行阻力，成為列車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。國內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)列車減阻進(jìn)行了研究。梁習(xí)峰等[3?7]研究了明線運(yùn)行時(shí)高速列車阻力特性。Hyeok等[8]的研究表明，對(duì)轉(zhuǎn)向架的包覆程度越高，列車氣動(dòng)阻力則越小。Schulte等[9]則通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)得出了轉(zhuǎn)向架整流裝置可以有效減阻的結(jié)論。鄭循皓等[10]通過研究列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域的阻力特性，通過在轉(zhuǎn)向架區(qū)域安裝導(dǎo)流裝置，提出了一系列列車減阻的有效方案。丁叁叁等[11]研究了城際列車的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法。楊志剛等[12?13]通過比較裙板的不同安裝位置對(duì)高速列車明線行駛和會(huì)車等工況下氣動(dòng)性能的影響，得出了相應(yīng)工況下裙板的合理安裝方式。高速列車減小氣動(dòng)阻力主要采取的措施是外形優(yōu)化，其中主要優(yōu)化部位為列車頂部、車身側(cè)面部位、列車底部以及車體連接部位，具體結(jié)構(gòu)為受電弓、空調(diào)、裙板、風(fēng)擋和車下設(shè)備等。城際列車(intercity rail)一般指為滿足數(shù)量和質(zhì)量日益增長(zhǎng)的客運(yùn)需，在2座相距不遠(yuǎn)的重要城市之間開行的多班次趨向公交化的中小編組短途旅客列車，中途不停站或停很少的站。具有大運(yùn)量、公交化、站間距小等優(yōu)勢(shì)。因其特殊的運(yùn)行需求，城際列車的運(yùn)行速度一般處于地鐵和高速列車之間，氣動(dòng)性能對(duì)列車本身的影響如何，目前開展的研究工作較少。本文以前人的研究成果為基礎(chǔ)，利用數(shù)值仿真的方法，分析城際列車阻力分布及成因，研究不同減阻措施的減阻效果，比較優(yōu)化外形與原始外形的差異，為城際列車的減阻和外形優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1　計(jì)算模型

計(jì)算模型為城際列車，采用4車編組，及頭車+2節(jié)中間車+尾車，中間以風(fēng)擋連接，見圖 1。列車模型比較復(fù)雜，包括轉(zhuǎn)向架、風(fēng)擋、車鉤、防撞裝置、車下設(shè)備等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

車長(zhǎng)為L(zhǎng)，車高為H，計(jì)算域來流區(qū)域長(zhǎng)度取1.5L，尾流區(qū)域長(zhǎng)度取3L，左右寬為20H，高10H，計(jì)算區(qū)域見圖2。

圖1　計(jì)算模型Fig. 1　Calculation zone

圖2　計(jì)算區(qū)域Fig. 2　Calculation area

列車明線運(yùn)行時(shí)，在入口給定第1類邊界條件Velocity inlet：入口來流取理論上無窮遠(yuǎn)處的均勻來流，速度為列車運(yùn)行速度，方向與列車運(yùn)行方向相反；在出口給定第2類邊界條件Pressure outlet：壓力固定為參考?jí)毫Γo壓為 0；外邊界按光滑壁面處理，給定對(duì)稱面Symmetry；列車表面為無滑移的壁面邊界條件Wall；地面按光滑壁面處理，為消除地面效應(yīng)，給出的是滑移邊界條件Moving wall，大小和方向與入口來流一致。

網(wǎng)格劃分時(shí)，在列車頭部以及周圍流動(dòng)量變化都較大的位置均采用較細(xì)的網(wǎng)格，在列車轉(zhuǎn)向架位置和受電弓位置也采用了比較細(xì)的網(wǎng)格，以免因?yàn)榫W(wǎng)格過大原因模糊掉復(fù)雜位置幾何結(jié)構(gòu)。為了捕捉列車頭部來流和尾部尾流流場(chǎng)特性，還在來流區(qū)和尾流區(qū)進(jìn)行加密。圖3為計(jì)算網(wǎng)格。采用OpenFoam軟件對(duì)模型進(jìn)行離散，物面為四邊形網(wǎng)格，空間為直角網(wǎng)格。考慮邊界層的影響，對(duì)車體附近區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，第1層網(wǎng)格的厚度為0.001 m，計(jì)算網(wǎng)格約為1 000萬。

圖3　列車頭部車體表面網(wǎng)格示意圖Fig. 3　Surface grid of train header

2　結(jié)果分析

2.1　整車氣動(dòng)阻力分析

利用商用流體軟件Fluent，采用基于SST κ-ω的DDES方法，對(duì)城際列車進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。通過計(jì)算數(shù)值求解不可壓縮連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及湍流模型方程得到不同速度列車氣動(dòng)阻力特性。表1為氣動(dòng)阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果，圖4為列車壓力分布云圖，圖5為壓差阻力占總阻力百分比。

從圖4中可以看出，列車的頭車鼻錐端為駐點(diǎn)所在位置，此處流速為 0，正壓壓力最大，經(jīng)過該點(diǎn)后，氣流速度逐漸加快，壓力下降。其沿縱剖面的流動(dòng)情況，到達(dá)頭部與車頂過渡處負(fù)壓降至最大值，而尾車開始時(shí)為較小的負(fù)壓，氣流到達(dá)尾部與車頂過渡處負(fù)壓降至最大值，這均是由于過渡弧面變化很大，空氣繞流速度加快，從而使這一區(qū)域的壓力急劇降低所致，至車體頂面壓力又再次回升成為平穩(wěn)的較小的負(fù)壓。

從上述圖表中可以看出，不同車速各節(jié)車氣動(dòng)阻力系數(shù)基本相同；不同車速列車的氣動(dòng)總阻力變化規(guī)律一致，即尾車阻力最大，約占總阻力的38.6%，2節(jié)中間車阻力相近最小，約占總阻力的15.5%，頭車阻力小于尾車大于中間車，約占總阻力的30.4%；所有車速的阻力均為正值；列車氣動(dòng)阻力隨著列車運(yùn)行速度的增加急劇增大，與車速的關(guān)系近似成平方。

表1　不同速度列車氣動(dòng)阻力系數(shù)Table 1　Aerodynamic drag coefficient of different speed train

圖4　列車壓力分布云圖Fig. 4　Train pressure distribution diagram

圖5　壓差阻力占列車總阻力百分比Fig. 5　Percentage of the pressure drag in total aerodynamic drag

列車總氣動(dòng)阻力由摩擦阻力和壓差阻力組成，從圖5可知，不同速度下列車的壓差阻力在總阻力中占主要部分，所占比例 70%～90%，遠(yuǎn)高于黏性摩擦阻力，其中頭尾車壓差阻力所占比例遠(yuǎn)大于中間車，這是因?yàn)榱熊嚍殁g頭車，而且車鉤位置開了孔，致使頭尾車壓差阻力遠(yuǎn)高于中間車；中間車 1壓差阻力比重略高于中間車 2，這是因?yàn)樯挥谥虚g車 1，降弓位于中間車 2，升弓的壓差阻力要略高于降弓。

以 120 km/h速度為例進(jìn)一步分析。120 km/h速度的列車頭車和尾車阻力比重最大的部位在流線型車頭位置，流線型部位的阻力主要為壓差阻力。這主要是因?yàn)榱熊嚍殁g頭車，而且車鉤位置開了孔，致使列車壓差阻力過大。為了減小列車阻力，需要對(duì)列車外形進(jìn)行優(yōu)化，使其頭部流線位置變長(zhǎng)，提高列車的氣動(dòng)性能。

2.2　關(guān)鍵部位氣動(dòng)阻力分析

列車轉(zhuǎn)向架裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，又因?yàn)橛械孛嫘?yīng)的影響，所以列車轉(zhuǎn)向架會(huì)對(duì)列車的氣動(dòng)性能產(chǎn)生很大的影響。圖6為頭車第1個(gè)轉(zhuǎn)向架表面壓力云圖，從圖中可以看出，轉(zhuǎn)向架表面壓力分布不均勻，在轉(zhuǎn)向架復(fù)雜結(jié)構(gòu)附近以及迎風(fēng)面都存在高壓區(qū)。圖7為頭車轉(zhuǎn)向架附近區(qū)域流場(chǎng)變化，從圖中可以看出，轉(zhuǎn)向架附近區(qū)域流場(chǎng)非常復(fù)雜，氣流經(jīng)過車鉤部位的壓縮，流速迅速增大，氣流從前部車鉤開口處以極高的速度流向轉(zhuǎn)向架區(qū)域，同時(shí)經(jīng)過防撞裝置和導(dǎo)流板等裝置2次壓縮的高速氣流同樣流向轉(zhuǎn)向架區(qū)域，2股氣流猛烈撞擊轉(zhuǎn)向架，致使轉(zhuǎn)向架區(qū)域形成復(fù)雜的湍流，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生很大的阻力。轉(zhuǎn)向架氣動(dòng)阻力占列車總氣動(dòng)阻力的6.5%，轉(zhuǎn)向架氣動(dòng)阻力主要由壓差阻力引起，可以通過改善轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)及增加裙板等方式，改善轉(zhuǎn)向架區(qū)域的流場(chǎng)，達(dá)到減小轉(zhuǎn)向架區(qū)域氣動(dòng)阻力的目的。

圖6　頭車第1個(gè)轉(zhuǎn)向架表面壓力云圖Fig. 6　Pressure distribution diagram of head-train bogie

圖7　頭車轉(zhuǎn)向架附近區(qū)域流場(chǎng)Fig. 7　Flow field of head-train bogie

因?yàn)檐囅略O(shè)備的存在使列車車底流場(chǎng)變得極為復(fù)雜。圖8為頭車車下設(shè)備周圍的流場(chǎng)變化。車下設(shè)備的氣動(dòng)阻力主要是由壓差阻力引起的。地面和車底架沿車身長(zhǎng)度方向之間的截面積比較小，空氣流速較其他地方很大，當(dāng)氣流流到車下設(shè)備前端時(shí)流速迅速變小，從而形成高壓區(qū)，流過車下設(shè)備后，流速又開始變大，最終在車下設(shè)備區(qū)域形成較大的壓差，致使車下設(shè)備區(qū)域壓差阻力比較大。因此，可以采取安裝裙板或以設(shè)備艙的形式封裝車下設(shè)備的方式，改善車下的流場(chǎng)，從而降低車下設(shè)備區(qū)域的氣動(dòng)阻力。

受電弓外形相比于轉(zhuǎn)向架裝置更復(fù)雜，車底部氣流在受電弓處會(huì)受到嚴(yán)重的干擾。圖9為受電弓表面壓力分布圖，從圖中可以看出，迎風(fēng)面形成了較為明顯的高壓區(qū)。升弓氣動(dòng)阻力占總氣動(dòng)阻力的3.6%，降弓氣動(dòng)阻力占列車總氣動(dòng)阻力的百分比為2.1%。受電弓的氣動(dòng)阻力主要由壓差阻力引起，可以通過改善受電弓結(jié)構(gòu)、優(yōu)化受電弓導(dǎo)流罩以及將受電弓下沉等方式，改善受電弓區(qū)域的流場(chǎng)和迎風(fēng)面積，從而減小壓差阻力，降低受電弓區(qū)域的氣動(dòng)阻力。

圖8　頭車車下設(shè)備周圍流場(chǎng)Fig. 8　Flow field of area under the train

圖9　受電弓表面壓力分布圖Fig. 9　Pressure distribution diagram of pantograph

車體連接部位風(fēng)擋的不同形式會(huì)直接影響整車的氣動(dòng)阻力。列車采用內(nèi)風(fēng)擋的形式。從頭車至尾車之間風(fēng)擋編號(hào)依次為：fd1，fd2和 fd3。因?yàn)檐嚿砼c車身之間風(fēng)擋處存在縫隙，從而形成了凹腔流動(dòng)，產(chǎn)生回流，使前后兩端墻壓力明顯不同，使風(fēng)擋前面車身端墻的氣動(dòng)阻力為負(fù)，后面車身端墻的氣動(dòng)阻力為正，且后面要比前面氣動(dòng)阻力絕對(duì)值大，所以風(fēng)擋連接處總阻力為正值。可以通過采用外風(fēng)擋的形式，改善風(fēng)擋處流場(chǎng)，減小風(fēng)擋連接部位的氣動(dòng)阻力及車身阻力。

圖10　風(fēng)擋形式Fig. 10　Windshield model

3　表面優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1　模型優(yōu)化

在軌道交通運(yùn)輸方式中，根據(jù)不同的運(yùn)行需求，動(dòng)車組外形也不同。城際動(dòng)車組應(yīng)該以盡可能大的載客量為主，流線型頭型雖然有利于減小城際動(dòng)車組的阻力，但卻犧牲了一定程度的載客量，所以本文不進(jìn)行頭型的設(shè)計(jì)。列車高速運(yùn)行時(shí)，車頭前方的氣流經(jīng)鼻錐引流，一部分流經(jīng)車頂、側(cè)墻、風(fēng)擋、空調(diào)和受電弓等車上設(shè)備，一部分流向車體下部，由排障器流至列車側(cè)后，一部分通過車鉤開口處流向車體底部，并與部分經(jīng)車體側(cè)墻向下流動(dòng)的氣流匯合，流經(jīng)轉(zhuǎn)向架、變流器、變壓器等車下設(shè)備。車體表面設(shè)備繁多，外形復(fù)雜，各類車體表面突出物對(duì)整車氣動(dòng)阻力的影響很大，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行平順化處理。

為研究列車各個(gè)部分對(duì)氣動(dòng)阻力的影響以及各種減阻措施的效果，對(duì)列車車下設(shè)備、風(fēng)擋和空調(diào)進(jìn)行模型優(yōu)化，優(yōu)化模型如圖11，其中圖11(a)，11(c)和11(e)為原始結(jié)構(gòu)。優(yōu)化方式主要有3種：以設(shè)備艙的形式封裝列車車下設(shè)備(圖11(b))；采用外風(fēng)擋模型，風(fēng)擋與車身為無縫連接(圖11(c))；在空調(diào)處以增加不同角度斜塊的方式減小空調(diào)迎風(fēng)面積(圖11(d)和圖11(e))。共獲得表2所示的4種列車模型。表中編號(hào)1為不加任何減阻措施的基本模型，編號(hào)2，3，4和5加上1項(xiàng)或者多項(xiàng)減阻措施。

圖11　優(yōu)化模型Fig. 11　Configuration optimization

表2　列車模型組成Table 2　Train models

3.2　列車各部分對(duì)阻力的影響及減阻效果

以120 km/h計(jì)算結(jié)果為例進(jìn)行說明，列車氣動(dòng)阻力系數(shù)見表3。

表3　列車氣動(dòng)阻力系數(shù)Table 3　Aerodynamic drag coefficient of train

將表3中不同優(yōu)化模型與原始模型進(jìn)行比較，可知減阻措施效果顯著：以設(shè)備艙的形式封裝車下設(shè)備(編號(hào)2)，頭尾車阻力下降比較明顯，總氣動(dòng)阻力下降 3.7%；封裝車下設(shè)備的同時(shí)采用外風(fēng)擋(編號(hào)3)，列車總氣動(dòng)阻力下降12.7%；再改變空調(diào)迎風(fēng)面積，在空調(diào)處加斜塊(編號(hào)4和5)，總氣動(dòng)阻力分別下降16.3%和18.9%。

以設(shè)備艙的形式封裝車下設(shè)備，頭尾車阻力下降，中間車阻力不僅沒有降低，反而稍微有所上升，這可能是因?yàn)榉庋b車下設(shè)備，增加了列車的迎風(fēng)面積，因此中間車沒有達(dá)到降阻的效果，所以以設(shè)備艙的形式封裝車下設(shè)備適用于短編組，對(duì)于長(zhǎng)編組是否有效需要進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算；除了頭車轉(zhuǎn)向架外，其余轉(zhuǎn)向架的氣動(dòng)阻力均有明顯的下降。

采用外風(fēng)擋，阻力下降最為明顯，效果明顯好于其他方案。外風(fēng)擋結(jié)構(gòu)使車身與車身之間順滑連接，改變了車身間的凹腔結(jié)構(gòu)，流場(chǎng)沒有發(fā)生劇烈變化，消除了車身端墻處的壓力，減小了端墻處的正負(fù)壓差，降低了列車的壓差阻力。

增加空調(diào)導(dǎo)流裝置對(duì)列車減阻有明顯效果。空調(diào)原始模型為 90°直角，會(huì)產(chǎn)生臺(tái)階效應(yīng)，流場(chǎng)在此會(huì)產(chǎn)生劇烈的變化。增加斜塊后，減弱了臺(tái)階效應(yīng)，使氣流平穩(wěn)過渡，減小了空調(diào)前后端面的壓差，從而達(dá)到明顯的減阻效果。

4　結(jié)論

1) 不同車速列車的氣動(dòng)阻力變化規(guī)律一致，即尾車阻力最大，約占總阻力的 38.6%，2節(jié)中間車阻力相近最小，約占總阻力的15.5%，頭車阻力小于尾車大于中間車，約占總阻力的30.4%；列車氣動(dòng)阻力隨著列車運(yùn)行速度的增加急劇增大，與車速的關(guān)系近似成平方；列車的壓差阻力在總阻力中占主要部分，所占比例在70%～90%。

2) 優(yōu)化模型減阻效果顯著：以設(shè)備艙的形式封裝車下設(shè)備(編號(hào)2)，頭尾車阻力下降比較明顯，總氣動(dòng)阻力下降3.7%；封裝車下設(shè)備的同時(shí)采用大風(fēng)擋(編號(hào)3)，列車總氣動(dòng)阻力下降12.7%；再改變空調(diào)迎風(fēng)面積，在空調(diào)處加斜塊(編號(hào)4和5)，總氣動(dòng)阻力分別下降16.3%和18.9%。

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