高速列車頭車縱向布置多組制動風翼板氣動性能影響分析

王 偉，謝紅太，2

（1 華設設計集團股份有限公司 鐵道規劃設計研究院， 南京 210014；2 蘭州交通大學 機電工程學院， 蘭州 730070）

上世紀六十年代以來，世界高速列車實現了從速度200 km/h 到國內大范圍速度350 km/h 運營的迅猛發展。現階段，隨著我國CR450 平臺動車組及國際下一代更高速度等級高速列車的研究攻關，高速列車空氣動力學問題表現尤為突出［1-3］，直接威脅著鐵路行車安全。列車空氣動力學問題主要聚焦在高速列車外形設計及外部行車環境的適應性研究2 個主要方面，氣動特性表現復雜多變［4-5］，為滿足高速列車設計需求，需對高速列車空氣動力學性能做深入研究。

結合現有研究試驗成果及初步實踐應用來看，目前在高速列車風阻制動研究領域，風阻制動系統普遍采用在高速列車車頂縱向布置板型制動風翼板實現空氣輔助制動的方式，但在風阻制動裝置結構設計、安裝布置方式及輔助制動控制等方面，國內還處于起步研究階段。

田春等人［6］采用計算流體動力學方法計算了8 編組高速列車全列車車頂不同縱向位置處安裝制動風翼板時，制動風翼板外圍流場特性，初步顯示：沿列車運行方向首排制動風翼板所提供的有效制動力最大，其余后續各組制動風翼板產生的制動力沿縱向安裝位置往后逐漸減小，且減幅逐漸變緩。高立強等人［7］重點聚焦高速列車頭車風阻制動裝置的設置及分布研究，通過頭車車頂分別設置多組制動風翼板進行了氣動干擾效應規律研究，初步顯示：當車頂相鄰縱向布置的2 排制動風翼板設計間距超過20 m 后，氣動干擾效應基本消失，考慮消除氣動影響多排制動風翼板布置時，后續各排所提供有效制動力較前一排均略有降低。

1 多排風翼板計算模型

文中在高速列車頭車車頂縱向位置分別以最大等間距的布置方式，分別提出1～5 組制動風翼板設置方案，基于三維定常不可壓的黏性流場N-S及k-ε雙方程模型［8-10］，采用計算流體動力學方法對其所產生的制動力及氣動效應做初步研究。計算高速列車流體動力學模型創建具體參照文獻［11-13］中相關內容，整車計算幾何模型采用3 輛編組1∶1 實車模型，忽略車體外部復雜的細部結構，如門把手、連接風擋、受電弓及車底轉向架等部件，進行網格劃分并設定邊界條件。

制動風翼板選用整體長方形板型結構，非制動狀態時，風翼板內嵌于列車頂面下陷凹槽中，制動板周圍車體表面可以考慮為光滑表面；高速制動時，升起風翼板凹槽補償機構進行填補，可有效改善車頂表面流場結構，大大削弱風阻制動噪聲，因此該狀態下風翼板周圍車體表面可以考慮為光滑表面。

結合現有研究技術成果［14-15］，首排風阻制動板的位置距離頭車車身與司機室流線型連接處D0點越往后，風翼板產生的制動力越低，其在200～500 mm 范圍內，制動力大小基本不變；但在風翼板迎風面表面所受壓力均勻性、高速運行時制動平穩性及風翼板安裝組件使用可靠性等隨著距離D0點越往后越好，列車點頭運動現象也可得到輕微緩解。同時制動板的開合角度為75°時最優［16-17］。因此文中設定首排制動風翼板設置位置距離D0點500 mm，風翼板迎風角為75°。高速列車頭車車頂縱向位置多組制動風翼板布置如圖1 所示。

圖1 多組風翼板布置示意圖（單位：m）

2 計算分析

2.1 列車表面壓力

建立高速列車空氣動力學計算模型，以風速為350 km/h、制動風翼板迎風角為75°、首排風翼板距離D0點500 mm，分別對裝配布置1～5 組制動風翼板做流體動力學仿真計算分析。列車頭車縱向對稱面上制動風翼板前后流場壓力和速度分布分別如圖2～圖6 所示。

圖2 1 組風翼板布置縱向對稱面分析

圖3 2 組風翼板布置縱向對稱面分析

圖4 3 組風翼板布置縱向對稱面分析

圖6 5 組風翼板布置縱向對稱面分析

在高速列車頭車車頂以最大等間距布置多組制動風翼板時，隨著風翼板布置組數的逐次增多，相鄰制動風翼板間的氣動干擾效應表現愈突出。逐次對制動風翼板1～5 組設置方案模擬計算，第1組風翼板縱向前后氣流擾動效應最為明顯，所形成的正壓區和負壓區最強，同時影響范圍最廣，遠大于后續各組；在保持第1 組風翼板相對位置的基礎上，隨著設置風翼板布置組數的增多，第2 組及后續風翼板前后氣流擾動效應逐步減弱，所形成的壓力場強度逐漸變小，范圍逐漸收縮。

圖5 4 組風翼板布置縱向對稱面分析

分別提取帶多組制動風翼板列車縱向對稱面上部外流場與列車截面接觸線，如圖7 所示，計算從頭車至尾車接觸線長度—壓力分布曲線，如圖8所示。

圖7 帶制動風翼板列車縱向對稱面接觸線提取示意圖

由圖8 可知，高速列車車頂縱向多組制動風翼板安裝布置時，其縱向對稱面上所受壓力變化及分布主要表現為：

圖8 列車縱向對稱面上部接觸線壓力曲線

（1）隨著風翼板布置組數的逐步增多，列車縱向對稱面上部流固接觸線所受壓力在對應制動風翼板縱向安裝中心位置前后呈正負變化的趨勢，同時在各制動風翼板安裝中心位置對應出現多個迎風面正壓力峰值與負壓力峰值，且關于標準大氣壓正、負壓力峰值基本相當。

（2）第1 組（首排）制動風翼板迎風面所受正壓與背風面所受負壓峰值及壓差達到最大，且遠大于后續各組。隨著風翼板布置組數的逐步增多，第1 組制動風翼板前后所受正負壓力基本保持不變，而后續各組制動風翼板前后所受壓力峰值基本保持同步、平穩緩慢降低。

2.2 列車風阻特性分析

分別對布置多組制動風翼板高速列車設定目標參數，進行縱向空氣阻力、垂向升力及橫向力迭代計算分析，不同速度等級運行情況下對應空氣阻力FD及垂向升力FL如圖9 所示。由于首排制動風翼板主要改變了高速列車車頂范圍的初始空氣流場結構，對于有效風阻制動力的貢獻最為突出。當多組布置時，隨著后續縱向制動風翼板布置間距的逐步壓縮，列車縱向投影基本維持不變，此時所受空氣阻力略有增加，但增加幅度逐漸趨緩，阻力增加主要表現在帶制動風翼板列車整體表面復雜程度上，所受垂向升力基本維持平穩。

圖9 不同組數風翼板列車空氣阻力與升力

不同速度等級運行情況下高速列車頭車車頂縱向布置1～5 組風翼板時對應速度—空氣阻力FD及垂向升力FL擬合曲線分別如圖10、圖11 所示。

圖1 0 帶多組風翼板列車速度—空氣阻力擬合曲線

圖1 1 帶多組風翼板列車速度—垂向升力擬合曲線

高速列車所受空氣阻力為式（1）：

所受垂向升力為式（2）：

其中，C1為計算空氣阻力系數為式（3）：

C2為計算升力系數為式（4）：

式（1）～式（4）中，V為靜止風環境中列車運行速度；AD為迎風面積，即列車縱向投影面積，m2，文中取制動風翼板縱向投影面積S0=0.956 m2，不帶制動風翼板列車縱向投影面積S=10.863 m2，迎風面積AD=S+S0=11.819 m2；AL為列車垂向投影面 積，m2，文 中 取AL=274.059 m2；ρ為 空 氣 密 度，kg/m3，根據計算模型熱動力參數（P=101 325 Pa，T=293.2 K），文中取ρ=1.205 kg/m3；CD為阻力系數；CL為升力系數。

分別擬合計算帶多組風翼板時高速列車計算模型阻力系數CD、升力系數CL、計算阻力系數C1及計算升力系數C2值見表1。由表1 可知，隨著風翼板布置組數的逐次增多，列車空氣阻力系數CD在0.24～0.33 范圍內逐漸緩慢增加，列車升力系數CL基本保持穩定，約在2.1×10-3左右微小波動。

表1 不同組數風翼板列車氣動特性系數值

2.3 風翼板特性分析

分析計算制動風翼板迎風面所受壓力分布，如圖12 所示。高速列車頭車車頂縱向布置多組風翼板時，第1 組風翼板迎風面所受氣動壓力最大，達到全局最大值，隨著風翼板設置組數的增多，后續各組風翼板迎風面受壓基本保持同步減弱。

圖1 2 多組風翼板迎風面壓力分布

3 結 論

采用計算流體動力學方法對帶制動風翼板高速列車氣動性能分別從列車所受各向氣動力及氣動干擾效應等方面對多組風翼板縱向布置的選擇確定做了詳細計算說明。初步研究表明：

高速列車頭車車頂縱向以最大等間距的方式布置多組制動風翼板時，制動風翼板迎風面所受正壓力及背風面所受負壓均表現出在首排風翼板前后達到最大值，所提供的風阻制動阻力最大，且遠大于后續各組。同時后續各組正負壓力峰值基本保持一致，同步緩慢減小。隨著風翼板布置組數的增多，制動風翼板間流場結構復雜多變、氣動干擾效應逐漸增強，影響范圍逐次擴大，當風翼板以最大間距布置組數大于2 組時，隨著組數的增多所產生的空氣制動力緩慢增加，阻力系數大于0.29，所產生的垂向升力基本維持穩定，升力系數約為2.1×10-3。