風屏障開孔率對高速列車氣動特性影響研究

寇麗君

（吉林鐵道職業技術學院，吉林 吉林 132200）

1 計算流體動力學（CFD）簡介

CFD的全稱為Computational Fluid Dynamics，用來研究流體力學相關問題，內容融合了流體力學、數值計算和計算機科學等。它的運用原理為：對求解模型中空間與時間上的連續物理量，用有限的點進行離散，仿真系統通過設置好的方程對離散點上的變量進行求解，就可以解出離散點上所求物理量的值。自然界實際的流場中，流體流動方式復雜多樣，傳統的流體力學求解方法無法準確分析，CFD軟件能同時綜合計算不同的變量，得出接近真實的數值解析結果。與風洞實驗相比，使用計算流體動力學可以更為靈活地調整各個自變量的參數，接近自然環境下的實際情況。CFD可以節省大量成本，且可以得到直觀的數值解析，為工程建設提供較為準確的科學參數和指標。

2 GAMBIT建模

利用GAMBIT建立帶風屏障的高架橋高速動車組模型。高速列車全車較長，考慮實際情況，將列車簡化為三節車分別為頭車、中間車和尾車。建立的CRH1高速列車模型總長78 m，頭車和尾車長度為26.5 m，中間車25 m，車輛寬度3.32 m，車輛高度4.04m，應用非結構化網格，網格總數320.33萬。

3 計算、求解

利用FLUENT-3d求解器進行求解。對高速列車運行速度120 km/h。風速為14 m/s。在橫風環境中，安裝不同開孔率的風屏障時，將影響列車周圍流場結構，對列車的氣動性能會產生一定的影響。本節通過建立不同風屏障高度時列車運行在復線高架橋區段的空氣動力學模型，研究風屏障的開孔率變化對列車的氣動性能的影響。隨著風屏障開孔率的不同，作用在高速列車上的氣動力和力矩也隨之發生變化，

（1）計算工況 1無風屏障，

（2）計算工況 2風屏障開孔率10%，

（3）計算風屏障開孔率30%

（4）計算風屏障開孔率60%

計算結果匯總，利用ORIGIN畫圖如下圖1～圖4。

圖1 無風屏障

圖2 風屏障開孔率10%

圖3 風屏障開孔率30%

圖4 風屏障開孔率60%

4 結果分析

無風屏障時，可明顯看出高速列車的最大壓力在迎風側達到4.93kN，且背風側為負壓隨著開孔率的變大高速列車所受的壓力也在逐漸變大，高速列車倆側的壓力差也在逐漸變小，風屏障倆側的壓力差也逐漸變小，所以風屏障開孔率越大，風屏障安全性越好。當風屏障開孔率達到30%以上時，雖然高速列車迎風側壓力變化較大，但是背風側壓力變化逐漸不明顯，一般風屏障開孔率最好在30%。風屏障可以有效的減小高速列車所受的壓力，改善了高速列車運行時的氣動特性，提高高速列車安全性，同時提升了高速列車的穩定性和舒適性。