高速列車首排風(fēng)阻制動(dòng)板氣動(dòng)特性研究

高 暢,張繼業(yè),李 田,孫 瑤

(西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

隨著高速列車的不斷提速，列車空氣動(dòng)力學(xué)問題日益凸顯[1-2]，速度的增加使列車阻力大幅增加，同時(shí)，列車在側(cè)風(fēng)、隧道內(nèi)等環(huán)境下運(yùn)行，會(huì)引發(fā)出危及列車運(yùn)行安全的問題[3-7]。但是通過利用列車高速運(yùn)行時(shí)的空氣阻力轉(zhuǎn)化為制動(dòng)力，服務(wù)于列車制動(dòng)[8]。有效可靠的列車制動(dòng)在列車安全運(yùn)行中扮演著重要的角色。風(fēng)阻制動(dòng)作為一種非黏著制動(dòng)技術(shù)，具有減少輪軌損耗、結(jié)構(gòu)簡單、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，風(fēng)阻制動(dòng)是通過增加空氣阻力來提供制動(dòng)力，列車速度越高，制動(dòng)效果越明顯。日本最早開展了高速列車風(fēng)阻板的研究，通過實(shí)驗(yàn)開展了山梨超導(dǎo)磁懸浮試驗(yàn)線風(fēng)組制動(dòng)的研究，風(fēng)阻制動(dòng)很好地彌補(bǔ)了高速制動(dòng)工況下黏著制動(dòng)的缺陷[9-10]。隨著風(fēng)阻制動(dòng)的研究深入，日本普遍認(rèn)為速度350 km/h以上的高速列車采用風(fēng)阻制動(dòng)作為緊急情況的輔助制動(dòng)方式，于是在Fastech360z型列車設(shè)有風(fēng)阻制動(dòng)裝置。韓國也積極開展了風(fēng)阻制動(dòng)的研究，采用四節(jié)編組列車，開展了頭車制動(dòng)板的角度對制動(dòng)性能影響的研究[11]。我國在風(fēng)阻制動(dòng)的研究相對日本起步較晚，隨著我國高速列車速度的快速攀升，高速列車的風(fēng)阻制動(dòng)的需求日益凸顯。國內(nèi)學(xué)者的研究也在逐步深入，高立強(qiáng)等研究了制動(dòng)板之間的氣動(dòng)干擾效應(yīng)。制動(dòng)板之間的軸向距離越大干擾越小，制動(dòng)效果越好[12-13]，同時(shí)，采用數(shù)值仿真的方法對制動(dòng)板的板型及其對流場結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)特性的影響進(jìn)行了探究[14]。田春等采用固定位置的八套風(fēng)阻制動(dòng)板，研究了列車制動(dòng)板縱向布置規(guī)律[15-17]。

目前國內(nèi)外學(xué)者沒有對制動(dòng)板的具體最佳位置進(jìn)行探討。所謂的最佳位置，相同大小的制動(dòng)板相對于其他位置產(chǎn)生的空氣阻力最大。高速列車周圍的流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制動(dòng)板的位置不同產(chǎn)生的空氣阻力也大不相同。本文將對制動(dòng)板的位置進(jìn)行探究，優(yōu)化風(fēng)阻制動(dòng)效果，為制動(dòng)板的分布設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 控制方程數(shù)值仿真模型

1.1 流體控制方程

當(dāng)高速列車高速運(yùn)行時(shí)，周圍流場考慮為三維黏性定常的湍流流場。當(dāng)列車運(yùn)行速度為400 km/h，風(fēng)速為111.11 m/s>98.40 m/s，對應(yīng)的馬赫數(shù)大于0.3，列車附近的流場可近似處理為可壓縮流場，湍流模型采用k-ε標(biāo)準(zhǔn)模型，指出其控制方程形式為[18-19]

(1)

式中，t為時(shí)間；ρ為空氣密度；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；u為流場速度矢量，u=[u v ω]；ut為網(wǎng)格移動(dòng)速度矢量，ut=[utvω]；φ為流場通量；S為廣義源項(xiàng)。

1.2 幾何模型

風(fēng)阻制動(dòng)板采用整體式制動(dòng)板，采用同空調(diào)機(jī)組的安裝結(jié)構(gòu)密封方式，因此制動(dòng)板周圍車體表面可以考慮為光滑表面。制動(dòng)板沿著列車縱向中間對稱面對稱分布。制動(dòng)板的開合角度為75°最優(yōu)[20]，本文采用風(fēng)阻板與列車運(yùn)行方向的角度為75°，考慮到列車限界以及風(fēng)組制動(dòng)裝置的開合結(jié)構(gòu)，制動(dòng)板提供1 280×273.35 mm2的迎風(fēng)面積，板的厚度為25 mm。風(fēng)阻制動(dòng)板的外形尺寸見圖1。

列車模型采用國內(nèi)某型號高速動(dòng)車組全尺寸模型為研究對象，采用頭車+兩節(jié)中間車+尾車的四車編組方式，忽略車體外部某些復(fù)雜的細(xì)部結(jié)構(gòu)，如門把手，風(fēng)擋，受電弓等部件。列車模型如圖2所示。列車基本參數(shù)見表1。

圖1 風(fēng)阻制動(dòng)板模型

圖2 列車及擋風(fēng)板幾何模型

表1 列車基本參數(shù)

計(jì)算區(qū)域見圖3，長度、寬度和高度分別為424，80 m和40 m。列車沿著x正方向運(yùn)行，列車正前方速度入口邊界距頭車鼻尖處1倍車長，長度106 m，列車正后方壓力出口邊界距尾車鼻尖處212 m，頂面邊界距地面40 m，列車左右側(cè)邊界距離車身相同，距離為40 m，列車底板與地面之間的距離為0.376 m。

圖3 計(jì)算區(qū)域(單位：m)

列車以400 km/h的速度沿著x正方向運(yùn)行。列車表面設(shè)置為無滑移壁面邊界條件，為了模擬地面效應(yīng)，地面設(shè)置為滑移壁面，其滑移速度為列車運(yùn)行速度。列車運(yùn)行的正前方為速度入口，速度入口風(fēng)速為列車運(yùn)行速度，風(fēng)速為111.11 m/s，列車運(yùn)行正后方為壓力出口，頂面與側(cè)面均設(shè)為對稱邊界。

本文主要是研究前排風(fēng)阻板的位置對列車風(fēng)阻制動(dòng)的影響，需要對風(fēng)阻板的位置進(jìn)行有效標(biāo)記。首排風(fēng)阻板即沿著列車運(yùn)行方向的第一塊制動(dòng)板，位于頭車。頭車分為前端流線型車身和后端平順型車身。考慮到實(shí)際安裝所需空間，風(fēng)阻板制動(dòng)板安裝于頭車的平順型車身。為便于描述風(fēng)阻板位置，流線型尾端，即流線型與平順型車身交界處，記為D0，距離流線型尾端為x的位置記為Dx，比如在平順型車身上的制動(dòng)板，距離流線型尾端6 m處的位置記為D6，具體見圖4。

圖4 制動(dòng)板位置示意

1.3 數(shù)學(xué)模型

采用基于有限體積法商業(yè)軟件FLUENT對列車風(fēng)阻制動(dòng)板的氣動(dòng)特性進(jìn)行分析，列車空氣動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬采用三維、定常、不可壓縮Navier-Stoke方程和k-ε兩方程湍流模型，CFD模擬分析所采用的高階有限差分格式見表2。

表2 CFD模擬所采用的高階差分格式

2 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

本文采用ICEM-CFD軟件對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格形式采用四面體網(wǎng)格。車體網(wǎng)格最小尺寸為40 mm。為保證計(jì)算精度，在制動(dòng)板和列車周圍處設(shè)置加密區(qū)，同時(shí)在列車表面劃分為邊界層。為避免網(wǎng)格差異對計(jì)算結(jié)果的影響，制動(dòng)板位于D0處，劃分了5套不同尺度的網(wǎng)格并分別進(jìn)行氣動(dòng)性能計(jì)算。比較網(wǎng)格變化對列車頭車阻力的影響，對比結(jié)果見表3。

由表3可以看出：第1套網(wǎng)格的頭車阻力較第2套大92 N，較第3套大71 N，同時(shí)在局部加密網(wǎng)格后(第4套網(wǎng)格和第5套網(wǎng)格)，頭車阻力值變化很小，可見第3套網(wǎng)格滿足網(wǎng)格獨(dú)立性要求。因此，采用第3套網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值模擬，邊界層第1層厚度0.1 mm，邊界層層數(shù)為10層，增長率為1.2。網(wǎng)格數(shù)量約3 235萬。圖5為局部網(wǎng)格示意。

表3 網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)對比

圖5 局部網(wǎng)格示意

3 前排風(fēng)阻制動(dòng)板對列車氣動(dòng)性能的影響

3.1 風(fēng)阻制動(dòng)板制動(dòng)力的分布規(guī)律

為了了解風(fēng)阻制動(dòng)板制動(dòng)力的總體分布規(guī)律，在列車上設(shè)置了8塊風(fēng)阻制動(dòng)板，首排風(fēng)阻板位于頭車流線型尾端位置，即D0處，然后沿著x負(fù)方向每隔12 m設(shè)置同樣的制動(dòng)板。第1塊制動(dòng)板記為ban1，第2塊板記為ban2，以此類推，最后一塊板記為ban8。列車以400 km/h的速度運(yùn)行，各個(gè)制動(dòng)板的制動(dòng)力見圖6。

圖6 各制動(dòng)板產(chǎn)生的制動(dòng)力

由圖6可知，各個(gè)風(fēng)阻制動(dòng)板產(chǎn)生的制動(dòng)力大小不一，首排風(fēng)阻板即第1塊風(fēng)阻板，產(chǎn)生的制動(dòng)力最大，隨后的制動(dòng)板產(chǎn)生的制動(dòng)力越來越小。這是因?yàn)榍芭棚L(fēng)阻板改變了氣流的流場結(jié)構(gòu)，氣流撞擊前排制動(dòng)板能量損耗，產(chǎn)生速度相對較慢的繞流流場，因此后排制動(dòng)板的制動(dòng)效果相對較差。具體流場的壓力云圖和速度云圖見圖7。

圖7 列車流場結(jié)構(gòu)

3.2 首排風(fēng)阻制動(dòng)板制動(dòng)力的研究

由圖6可知，首排風(fēng)阻制動(dòng)板產(chǎn)生的制動(dòng)力最大，為總制動(dòng)力的22%，因此對首排制動(dòng)板制動(dòng)力的優(yōu)化尤為重要。在頭車平順型車身上的不同位置設(shè)置風(fēng)阻板，探究首排峰值制動(dòng)板的最佳位置，以獲取最大的制動(dòng)力。列車以400 km/h的速度運(yùn)行，制動(dòng)板產(chǎn)生的制動(dòng)力見圖8。

圖8 首排制動(dòng)板不同位置的制動(dòng)力曲線

由圖8可知，整體來看，首排風(fēng)阻制動(dòng)板的位置越往后，產(chǎn)生的制動(dòng)力越低。但是在距流線型尾端2～5 m范圍內(nèi)，制動(dòng)力大小基本不變。為了更好的解釋現(xiàn)象，以不加制動(dòng)板的工況作為對比。截取列車中間縱向?qū)ΨQ面的流場結(jié)構(gòu)為研究對象，不加制動(dòng)板的頭車周圍的流場見圖9。

圖9 無制動(dòng)板列車周圍的流場結(jié)構(gòu)(單位：Pa)

在對稱面上，沿著z正方向，距離列車車體上表面的0.2 m位置的x方向速度變化和壓力變化見圖10。記D0位置為原點(diǎn)，沿著與列車相反的方向?yàn)檎较颉?/p>

圖10 距離車頂表面0.2 m處的速度與壓力曲線

風(fēng)阻制動(dòng)板的制動(dòng)力來源主要來自于制動(dòng)板前后的壓差。制動(dòng)板迎風(fēng)面產(chǎn)生正壓區(qū)，背風(fēng)面由于氣流分離產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)，從而產(chǎn)生制動(dòng)力。從圖9可知，在頭車前端，氣流在頭車鼻尖處產(chǎn)生分離，由于空氣壓力作用在鼻尖處產(chǎn)生了正壓區(qū)；一部分氣流沿著流線型車頭高速流動(dòng)，尤其在頭車頭部與頭車車身過渡區(qū)域，由于曲率較大，氣流流速較快，產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)；在頭車車身位置，速度慢慢降低，壓力開始回升。在距離流線型尾端2 m處，即D2位置處，此時(shí)流線型對氣流的影響消失，但是此時(shí)依然處于負(fù)壓；D2位置后，由于平穩(wěn)型車身對氣流的黏性阻力起主要作用，氣流速度慢慢降低，壓力緩慢回升，在D3.7位置附近，氣流的速度等于列車運(yùn)行速度，壓力值也在大氣壓值附近，這就導(dǎo)致在D3.7位置附近風(fēng)阻制動(dòng)板前后的壓力差值變化不大，見圖11。因此在距離尾端2～5 m處的制動(dòng)力變化不大；由于黏性阻力的影響，車體表面附近的流場速度逐步降低至其穩(wěn)定值，壓力也慢慢升到其穩(wěn)定值，由于氣流分離出氣旋渦，使壓力和速度曲線呈現(xiàn)鋸齒狀。因此制動(dòng)板的位置越往后，制動(dòng)力就越小，最后制動(dòng)力趨于穩(wěn)定。

圖11 不同位置制動(dòng)板壓力云圖

3.3 首排風(fēng)阻制動(dòng)板對列車氣動(dòng)性能的影響

頭車設(shè)置風(fēng)阻制動(dòng)板，改變了頭車以及整個(gè)列車的流場結(jié)構(gòu)，首排制動(dòng)板不同位置對列車氣動(dòng)性能的影響見圖12。

圖12 不同制動(dòng)板位置的列車氣動(dòng)性能

從圖12可以看出，首排風(fēng)阻制動(dòng)板的布置位置越靠后，頭車阻力越小。列車阻力主要有壓差阻力和黏性阻力構(gòu)成，從圖12可以看出，制動(dòng)板布置位置靠前，頭車的壓差阻力較大，黏性阻力越小。因?yàn)闅怏w具有黏性，制動(dòng)板會(huì)破壞列車表面附件氣流結(jié)構(gòu)，制動(dòng)板的位置越往前制動(dòng)板的影響范圍就越大，黏性阻力越小。中間車和尾車的氣動(dòng)性能沒有改變。由圖12(b)可知，列車的總阻力變化不同于制動(dòng)板制動(dòng)力的變化趨勢，列車總阻力逐漸減小。這是由于制動(dòng)板雖然在D2～D5段的制動(dòng)力沒有發(fā)生變化，但是制動(dòng)板迫使頭車阻力減小，從而導(dǎo)致總阻力下降。隨著制動(dòng)板的后移，制動(dòng)板的制動(dòng)力和列車總阻力趨于平穩(wěn)。制動(dòng)板的布置會(huì)使列車車身的阻力減小，但是變化量較小，制動(dòng)板的制動(dòng)力起主導(dǎo)作用。

4 結(jié)論

(1)列車采用風(fēng)阻制動(dòng)時(shí)，提供最大制動(dòng)力的是首排風(fēng)阻制動(dòng)板，即位于頭車的第一套風(fēng)阻制動(dòng)板。

(2)首排風(fēng)阻板的不同位置，制動(dòng)效果差異較大。位于頭車流線型尾端，制動(dòng)板產(chǎn)生的制動(dòng)力最大，緊接著開始下降，最后，制動(dòng)力保持不變。

(3)制動(dòng)板的設(shè)置會(huì)改變車身附近的流場結(jié)構(gòu)。隨著制動(dòng)板頭車的推后，頭車壓差阻力降低，黏性阻力上升，列車總阻力下降。