明線運行列車氣動地面效應數值模擬

張 勝，戴志遠，李 田

明線運行列車氣動地面效應數值模擬

張 勝1，戴志遠2，李 田2

（1. 西南交通大學，軌道交通國家實驗室（籌），成都 610031；2. 西南交通大學，牽引動力國家重點實驗室，成都 610031）

通過數值仿真方法研究了滑移地面以及旋轉輪對對明線運行列車氣動性能的影響。首先, 建立了三車編組列車計算模型, 考慮固定和滑移兩種不同的地面邊界條件、固定和滑移兩種不同的路基邊界條件、靜止和旋轉兩種不同的輪對邊界條件; 其次, 基于風洞試驗數據驗證了數值仿真的可靠性, 表明了剪切應力運輸湍流模型和網格劃分的可行性和有效性; 最后, 對比四種不同組合下的明線運行列車氣動性能。研究結果表明: 固定地面將得到偏低的列車氣動阻力系數, 約減少4.27%; 滑移路基使得尾車氣動阻力系數和整車阻力增加約1.87%, 引起這一差異主要原因在于地面和路基的表面附面層厚度差異; 靜止輪對和旋轉輪對對列車氣動阻力和升力系數都小于1.0%，因此, 列車氣動風洞試驗可以忽略輪對旋轉的影響, 考慮地面邊界和路基邊界的影響。

地面效應；列車空氣動力學；氣動性能；滑移地面；旋轉輪對

0 引 言

高速列車是一種貼地運行的交通工具，地面對列車運行時的氣動性能可能存在影響。目前，研究列車空氣動力學的主要方法包括理論分析、風洞試驗[1-2]和數值模擬[3-7]。由于列車外形的復雜性，列車空氣動力學相關的理論分析應用較少，實車試驗較為廣泛，但主要都是針對列車會車[8]、通過隧道[9]等測試。明線運行列車的空氣動力學研究工作主要采用風洞試驗和數值模擬，兩者相輔相成。風洞試驗數值結果可以驗證數值模擬結果的準確性[4-7]，而數值模擬可以更加全面地了解列車氣動性能，包括表面壓力和流場等[4-7]。

風洞試驗主要針對列車頭型及其他涉及減小氣動阻力的優化方案，黃志祥等[10]通過風洞試驗研究了空調導流罩、車身側面裙板和外風擋的減阻優化效果，為高速列車減小氣動阻力和外形優化提供了參考依據。張在中等[2]通過風洞試驗對比了以CRH2為原型的4種不同縱向長細比高速列車模型氣動性能，分析了雷諾數對列車氣動力系數的影響。研究結果表明：列車流線型頭部越長越有利于降低空氣阻力；當列車流線型長度相差不大時，縱向長細比系數越大越利于減阻。黃志祥等[11]研究了列車風洞試驗模擬方式和試驗條件等因素對試驗結果的影響，尤其是氣動阻力。路基的存在會使得頭車、中間車、尾車和整車的氣動阻力都明顯減小，并給出了路基前端距離車頭的長度建議和路基前端斜坡坡度建議，此外，固定地板表面附面層厚度偏大，將導致氣動阻力試驗結果偏小。夏超等[12]利用數值模擬方法對列車風洞試驗的地面效應問題進行研究，比較了移動地面、靜止地面和不同離地間隙工況下氣動性能。Zhang等[13]利用分離渦模型對CRH2的地面效應開展了類似研究；賴晨光等[14]通過對單向翼翼型的優化，改善了一種氣動懸浮列車的地面效應；PREMOLI等[15]比較了橫風作用下靜止列車和運行列車的氣動性能差異。

由于地面效應很難通過實車試驗來獲取且風洞試驗對風洞地面性能要求較高，數值模擬可以通過驗證并對不同的地面條件以及輪對旋轉等效應開展研究。部分研究[16-17]對橫風下列車空氣動力學進行了數值仿真，但是未詳細分析地面效應；有部分研究[11-14]通過數值仿真或者風洞試驗方法探討了列車空氣動力學的地面效應，但是未考慮輪對旋轉或者滑移路基等因素。本文主要利用數值仿真方法研究滑移地面、滑移路基以及旋轉輪對對明線運行列車氣動性能的影響，并闡述列車表面壓力及周圍流場的差異。

1 計算模型、網格及方法

1.1 列車計算模型

圖1為風洞試驗中的三車編組列車模型，縮尺比例為1/8，包括頭車、一節中間車、尾車、拖車轉向架、動車轉向架、風擋、路基和軌道。頭車和中間車的長度分別為26.25m和24.5m，三車編組總長度為78m。車體寬度為3.76m，車體高度為3.7m，中間車車與車之間的風擋留有10mm間隙。

1.2 計算區域及邊界

圖2（a）給出了計算區域及邊界條件，其中入口距列車鼻尖10，左右側及頂部距離列車10，車尾距離出口20。入口速度in為97.22m/s（350km/h），左右側及頂部均設置為對稱邊界，出口設置為壓力出口邊界，列車表面均設置為無滑移壁面，地面及輪對根據不同工況設置不同。圖（b）給出了旋轉輪對及輪軸。

表1給出了四種數值仿真模擬工況，其中地面包括固定和滑移邊界，路基包括固定和滑移邊界，輪對包括固定和旋轉兩種情況。由于計算量較大且主要對比不同部位兩種不同邊界條件的影響，因此選用四種工況。

表1 四種數值仿真工況

Tab.1 Four cases for the numerical simulation

1.3 計算方法

數值仿真選取SST-湍流模型[4]，計算使用雙精度模型，壓力速度耦合方程選取SIMPLEC算法。壓力、動量和密度方程均使用二階迎風離散格式，所有計算均采用CFD商業軟件ANSYS FLUENT 15.0。

1.4 計算網格

網格主要以六面體為主，四面體為輔。車體表面網格尺寸為基準尺寸的1/32至1/64，轉向架表面網格尺寸為基準尺寸的1/64至1/128，車體及轉向架附近都劃分了邊界層，第一層網格高度為0.05mm，保證車體壁面+為1左右。兩種不同基準尺寸0.14m和0.1m下的計算網格數量分別為5 383.22萬和8 632.47萬，生成的計算截面及附近網格如圖3所示。

圖3 計算網格

表2給出了不同網格數量下頭車阻力和升力系數的結果比較，從中可以看出，網格數量從5 383.22萬增加到8 632.47萬，頭車阻力系數和升力系數基本沒有變化，誤差在1.5%內，因此，后續計算均采用網格1。

表2 網格數量對頭車氣動力系數的影響

2 計算結果

計算結果比較主要包括以下三個方面：氣動力系數、速度分布和壓力分布。

2.1 氣動力系數比較

表3給出了四種工況下數值仿真得到的氣動阻力系數、升力系數與風洞試驗結果的對比。從表3可以看出，工況2的計算結果從各車及整車角度幾乎最接近風洞試驗的阻力系數，整車氣動阻力系數誤差為1.09%。當采用固定地面時，將引起附面層厚度的增加，所以工況1中頭車、中間車和尾車的氣動阻力系數均小于工況2的計算結果，考慮固定地面得到的整車氣動阻力系數要減少4.27%；當考慮滑移地面和滑移路基時，尾車氣動阻力和整車阻力系數均有一定的增加（約增加1.87%）；工況3和工況4得到的阻力系數相對誤差僅為0.63%，即旋轉輪對對氣動阻力系數基本沒有影響。

表3 不同工況下數值仿真計算結果與試驗結果對比

各工況下頭車的升力向下，中間車的升力接近于0，尾車的升力向上?？紤]滑移地面和滑移路基時對頭車和尾車的升力有一定的影響，旋轉輪對對頭車和尾車的升力影響較小。

表4給出了四種工況下數值仿真得到的典型部件氣動阻力系數對比。頭車車體的氣動阻力系數最大，尾車次之，六個轉向架中頭車一位端轉向架的氣動阻力系數最大，這與其位置相關。滑移地面對頭車車體的氣動阻力影響較大，滑移基對轉向架的氣動阻力影響較大，旋轉輪對對車體及轉向架的氣動阻力系數基本沒有影響。

表4 不同工況下主要部件氣動阻力系數對比

2.2 速度分布比較

圖4給出了不同工況下縱向中心截面（= 0 m）的速度云圖。從圖中可以看出路基前端和頭車鼻尖流線型部位上方的氣流速度明顯增加。尾車車體底板的速度比頭車車體下方的速度慢，這是由于車體附面層的發展，遠離流場入口的位置附面層高度增加，速度變小。

當采用固定地面時，路基前方的地面附面層高度不斷增加（見圖（a）），路基前端上方較近位置的氣流加速效應更加明顯，而在路基上方較高處的氣流速度較小，較高處氣流速度的差異造成了列車流線型附近區域速度的差異（比較圖（a）和（b）的路基前端）?？紤]了滑移地面以后，列車流線型附近區域的速度較大（見圖（a）與其他圖的比較）。

相比固定路基工況，考慮滑移路基時頭車和尾車車體下方的速度所有下降，而頭車車體上方的高速區域有所增加，輪對旋轉與否對周圍氣流的影響較小。

圖4 不同工況下縱向中心截面速度云圖

2.3 壓力分布比較

圖5為頭車縱向中心剖面（= 0 m）壓力沿縱向距離的分布曲線，從圖中可以看出，不同工況下的壓力分布規律一致，排障器處的正壓最大，頭車鼻尖處的正壓次之；排障器后方的負壓幅值最大，轉向架區域附近也出現較大的負壓。工況3和工況4的壓力曲線基本重合，因此，兩種情況下的頭車氣動力系數基本一致。從圖5（b）可知，相比鼻尖同一位置，工況1鼻尖壓力幅值幾乎處處最小，因此，工況1下的頭車氣動阻力系數最??；工況2鼻尖壓力幅值幾乎處處最大，因此，工況2下的頭車氣動阻力系數最大。從圖5可以看出，滑移地面和滑移路基情況下，頭車車頂的壓力幅值略大于固定路基情況，因此，頭車的升力系數要大于固定路基下的系數。

圖6為尾車縱向中心剖面（= 0 m）壓力沿縱向距離的分布曲線，可以看出，不同工況下的壓力分布規律一致，車體大部分區域為負壓，在流線型局部出現正壓。工況3和工況4的壓力曲線基本重合，因此，兩種情況下的尾車氣動力系數基本一致。從圖（b）可知，在靠近尾部鼻尖同一位置，工況1和工況2鼻尖壓力較之另外兩種工況下的壓力要大，因此，工況1和工況2下的尾車氣動阻力系數相對較小。

圖5 頭車縱向中心線壓力分布

圖6 尾車縱向中心線壓力分布

3 結 論

通過數值仿真方法研究了滑移地面、滑移路基以及旋轉輪對對明線運行列車氣動性能的影響，主要結論如下：

（1）基于風洞試驗數據驗證了數值仿真的可靠性，表明了SST湍流模型和網格劃分的可行性和有效性。

（2）固定地面將得到偏低的列車氣動阻力系數，約減少4.27%；滑移路基對尾車氣動阻力系數和整車阻力有一定的影響，引起這一差異的主要原因在于地面和路基的表面附面層厚度有差異，旋轉輪對對列車氣動阻力和升力的影響較小。

（3）建議列車氣動風洞試驗可以忽略輪對旋轉的影響，應考慮地面邊界和路基邊界的影響。

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Numerical Simulation of Aerodynamic Ground Effect of a Train Running in the Open Air

ZHANG Sheng1，DAI Zhi-Yuan2，LI Tian2

(1. Laboratory for Rail Transportation, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. State-key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

The effects of moving ground and rotating wheelsets on the aerodynamic performance of a train running in the open air were studied by numerical simulation. First, a train model with a head car, middle car, and tail car was established; different boundary conditions for the ground, embankment, and wheelset were considered; the two different ground boundary conditions were static and moving, the two different embankment boundary conditions were also static and moving, and the two different wheelset boundary conditions were static and rotating. Based on wind tunnel experimental data, the reliability of numerical simulation was verified showing the feasibility and effectiveness of the Shear Stress Transport (SST) turbulence model and mesh. Finally, the aerodynamic performances of the train running in the open air under four different situations were compared. The research results show that the static ground resulted in a lower aerodynamic drag force coefficient for the train, approximately 4.27%. The moving embankment had a certain influence on the aerodynamic drag coefficients of the tail car and the whole train with an increase of 1.87%. This difference is mainly caused by the difference in the boundary layer thickness of the ground and embankment. The boundary conditions of the wheelset had less influence on the aerodynamic drag and lift coefficients of the train within a difference of 1.0%. Therefore, the influence of the wheelset rotation can be ignored in the wind tunnel experiments for trains, whereas the influence of the boundary conditions of the ground and embankment should be considered.

ground effect; train aerodynamic; aerodynamic characteristic; moving ground; rotatingwheel

U271.91

A

10.3969/j.issn.1672-4747.2020.01.016

1672-4747（2020）01-0120-07

2019-05-02

四川省科技計劃（2019YJ0227）；中國博士后科學基金（2019M663550）；國家自然科學基金（51605397）

張勝（1979—），男，西南交通大學講師，碩士，主要研究方向：軌道交通質量基礎和計算機應用技術，E-mail：zhang @swjtu.edu.cn

張勝，戴志遠，李田. 明線運行列車氣動地面效應數值模擬[J]. 交通運輸工程與信息學報，2020，18（1）：120-125, 132.

（責任編輯：劉娉婷）