25K型鐵路客車風擋氣動阻力模擬計算

趙博洋，李江利，李谷越

（1.新疆鐵道職業技術學院組織人事處，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆鐵道職業技術學院產學合作處，新疆 烏魯木齊 830011；3.中國鐵路北京局集團有限公司豐臺機務段，北京 100071）

列車在運行中受到的阻力主要分兩個類型，分別是基本阻力和附加阻力。這其中基本阻力又分為機械阻力和空氣阻力。列車的空氣阻力由三方面所構成，即壓差阻力、摩擦阻力和干擾阻力。一般而言，對于在準高速以下行駛的列車而言空氣阻力在總阻力中所占比例不是最大的，但通過一些有效技術手段來降低列車的空氣阻力依然十分必要。

風擋的作用是連接車輛與車輛，風擋是列車車端連接裝置中的最重要的組成部分之一，同時也是列車乘務人員和旅客同志通行的安全通道。在列車運行過程中，風擋主要起到密封及降噪等重要作用，來提高旅客乘坐時的舒適度。

1 物理模型

文章采用SolidWorks 2014軟件完成25K鐵路客車車體及風擋的三維模型的設計，采用ANSYS fluent軟件完成模擬計算25K型客車車體風擋處的外部流場；通過模擬計算，得到25K型客車車體風擋處空氣跡線的流動狀態；通過模擬，得到25K型客車車體風擋處的氣動阻力，并確定氣動阻力與列車速度的關系；在車體的風擋處增設外風擋，驗證了可以起到降低氣動阻力的目的。

2 氣動阻力模擬分析

在完成前期的三維建模步驟后，就要計算25K鐵路客車風擋處的氣動阻力的大小，可以通過軟件CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體力學）ANSYS FLUENT 14.5對25K鐵路客車風擋處進行了氣動阻力模擬分析。

為了比較沒有加外風擋的25K鐵路客車與加了外風擋25K鐵路客車的氣動阻力大小，驗證外風擋是否可以減小25K鐵路客車的氣動阻力這一假設，現將模擬風洞的風速分別設置為 50 km/h、100 km/h、150 km/h、200 km/h，然后計算了兩種的壓差阻力和摩擦阻力。為了更加明顯地比較出兩種不同風擋的客車在相同速度時的空氣總阻力，現利用Grapher軟件繪制出2種風擋的速度-氣動阻力圖。如圖1所示。

圖1 速度-氣動阻力擬合曲線

由圖1可知，加外風擋的25K客車，其端部連接處因采用全包圍的外風擋，優化了列車連接處流線形狀，其氣動阻力系數明顯低于只有內風擋的客車。據計算結果可知速度越高空氣阻力差別越大，比較計算在200km/h時，外風擋列車的空氣阻力比沒有加外風擋的列車小大約33%。通過對比分析可知，加掛外風擋可以顯著降低列車的氣動阻力。

3 結語

風擋作為列車車輛系統的重要組成部分，其自身的氣動阻力與旅客乘坐的舒適度有較大關系。利用風擋的氣動阻力模擬分析這一途徑，能對鐵路客車風擋外形的設計開辟一種新的研究途徑，文章以25K鐵路客車橡膠風擋作為研究對象，模擬計算其氣動阻力，然后通過與加掛外風擋的25K鐵路客車的氣動阻力相比較發現加了外風擋的25K鐵路客車的氣動阻力要明顯小于只有橡膠風擋的列車。據計算結果可知速度越高空氣阻力差別越大，在200km/h時，外風擋列車的空氣阻力比沒有加外風擋的列車小33%。