1、（1. I n s t i t u t e o f M e c h a n i c s , C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s , B e i j i n g 100190, C h i n a ;2. P r o d u c t R e s e a r c h a n d D e v e l o p m e n t C e n t e r , T a n g s h a n R a i l w a y V e h i c l e C o . , L t d , T a n g s h a n 063000, C h i n a A
2、b s t r a c t :F o r t h e r e a l c o n f i g u r a t i o n o f C R H 3 w i t h t h e h e a d+s i x c a r r i a g e s+t a i l t r a i n c o m b i n a t i o n r u n n i n g a t 350k m /h i n t h e o p e n a i r , t h e f l o w f i e l d w a s m a s s i v e l y p a r a l l e l -s i m u l a t e d w i
3、t h 160m i l l i o n o f c o m p u t a t i o n a l g r i d s . T h e a e r o d y n a m i c d r a g o f v a r i o u s c o m p o n e n t s w a s c a l c u l a t e d a n d t h e c o m p o n e n t d r a g c o n t r i b u t i o n t o t h e t o t a l t r a i n d r a g w a s a n a l y z e d . T h e r e s u
4、 l t s a r e h e l p f u l t o l o c a l d r a g -r e d u c e d o p t i m i z a t i o n .K e y w o r d s :h i g h -s p e e d t r a i n ; c o m p l e x s h a p e ; a e r o d y n a m i c d r a g ; n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 列车贴近地面运行 , 长径比远大于其他交通工具 , 其运行速度也 已 达 到 300k m /h 以 上 , 空 气 阻 力 分 布
5、特性与汽车 、 卡 车 或 飞 机 相 比 更 为 复 杂 1-10。 列 车 的 空气阻力特性关系到列车的提速和列车的节能环保能 力 , 是高速列车空气动力特性研究中的重要部分 。 对 于列车阻力的研究 , 一直以来人们都沿用 1926年发表 的 D a v i s 公式 1及后来的修正形式 。 这些公式的统一 形式为R =A +（B 1+B 2 V +C V 2式中 :R 为列车运动总阻力 ; V 为列车相对于静止空气 的速度 ; A 为滚动机械阻力 ; B 1为其他机械阻 力 , 包括 传递损耗和制 动 阻 力 ; B 2为 空 气 动 量 阻 力 ; 公 式 的 最后一项为列车所受的外
6、部气动阻力 , 系数 C =2S C D , 其中 :为空气密度 , S 为列车的迎 风面积 , C D 为 阻力系数 。当传统列车速度为 120k m /h 时 , 空气阻力约占收稿日期 :2011-04-21; 修回日期 :2011-08-05基金项目 :国家科技支撑计划 （2009B A G 12A 00作者简介 :姚拴宝 （1986 , 男 , 河南濮阳人 , 硕士研究生 。 E -m a i l :y s b a o 566163. c o m 总阻力 的 40%; 头 部 长 度 稍 大 于 5m 的 流 线 型 动 车 组 , 当其速度为 300k m /h 时 , 空气阻力可以
7、达到总阻 力的 85%; 头部长度 在 10m 左 右 且 流 线 型 程 度 非 常 高的动车组 , 当其速度为 300k m /h 时 , 空气阻力占总 阻力的 75%6。 由此可见 , 高速列车气动阻力分布的 研究对有效进行气动减阻起着至关重要的作用 。 本文 将以此为出发点 , 着重探讨列车及其各主要部件的气 动阻力分布特性 , 为高速列车的减阻设计提供参考 。 由于 列 车 的 头 车 、 中 间 车 、 尾 车 以 及 在 空 调 整 流 罩 、 受电弓 、 车厢连接处 、 转向架等部位的气动阻力不 同 , 因此通过对列车各部分气动阻力的分解 , 可为找到 减阻途径提供帮助 , 以
8、达到降低列车总气动阻力 、 减少 能耗 、 提 高 列 车 运 行 速 度 的 目 的 。 目 前 国 内 外 文 献 1-3, 11-14大都是针 对 由 3辆 车 组 成 的 简 化 外 形 的 动 车组 （即不考虑空调装置 、 受电弓 、 车厢连接处 、 转向架 等 进行的列车空气动力特性研究 。 高速列车作为一 种大长径比交通工具在地面高速运行时 , 其长度及主 要组成部件对列车的气动阻力有很大影响 , 对短编组 简化外形进行研究 , 很难得到满足工程要求精度的阻 力分布情 况 。 为 此 , 本 文 以 C R H 3型 动 车 组 为 样 板 ,对速度为 350k m /h 、 由
9、 8辆车组成 、 实车大小及 外形 的动车组模型进行数值模拟 , 并分析 各部分的气动阻 力分布及其在列车总气动阻力中所占的比例 。1 计算模型与网格划分1. 1 计算模型计算模型为由 8辆 C R H 3型车组成的动 车组 ,见 图 1。 该动车组由 4辆动车与 4辆拖 车 组 成 , 从头 车 到尾车的编号依次为头车 、 中间车 1、 中间车 2、 中间车 3、中间车 4、 中间车 5、 中间车 6、 尾车 。 其 中 头 车 、 中 间车 2、 5和尾车为动车 , 其余为拖车 , 受电弓安装在中 间车 1和 6上 。1. 2 计算区域及网格划分计算区域 :以列车高度 h 为特征长度 ,车
10、头前 30h 、 车尾后 30h 、 高 度 30h 及 左 右 各 30h 的 范 围 为 计算区域 。 为了更准确地计算 车 体 表 面 摩 擦 阻力 , 在车 体 、 转向架表面以及地面生成边界层网格 。 由于 网格 数量太大 ,为保证网格质量并提高网格划分的效率 , 采 用分区域划分网格的方法 , 每辆车为一个区域 , 网格量 约为 2 000万个 , 各 区 域 通 过 交 接 面 进 行 连 接 。 考 虑 到车身附近流场对车体气动 力 影 响 较 大 , 故对车 体周 围进行网格加密 , 为更为准确地模拟各部件 的流场特 征 , 对列车转向架 、 受电弓和车体的尾流区进行单独加
11、密 , 计算总网格数约 1. 6亿个单元 , 列车网格 、 头 车和 转向架局部网格分布示意图如图 2。 依托中国科学院 力学研究 所 的 计 算 力 学 平 台 进 行 计 算 , 使 用 256个 C P U , 计算用时约 150h。2 计算方法本文使用 S T A R -C C M+流体计算软件 进 行 流 场 计算 。 控制方程为三维定常可压缩 N -S 方程 ; 离散方 法采用基于格心格式的有限体积法 ; 空间离散格式采 用 R o e 格 式 , 时 间 离 散 采 用 L U -S G S 隐 式 离 散 方法 15; 湍流 模 型 为 k -S S T 模型 ; 为控制 边
12、界 层 的 网 格数量并保证计算精度 , 在壁面处使用了标准壁面函数 16 计算参数为 :列车运行速度为 350k m /h ,远场 压力取 101325P a , 参考温度为 288K , 列车横断面参 考面积为 10. 8m2 边界条件 :由于高速列车运行速度处于亚音速范 围 , 此时 , 远场边界一般通过引入与边界垂直的一维无黏流动的 R i e m a n n 不变量来处理 17, 即无反射边界条 件 。 因此 , 本文计算时 , 进口 、 出口及外场均设置为远 场无反射边界条件 , 车体为无滑移固壁边界条件 。 同 时 ,计算过程中包含了对地面效应的模拟 , 设地面为移 动壁面 ,
13、移动速度与来流速度相等 。 受网格量的限制 , 本文未考虑路基对高速列车气动阻力的影响 , 将地面 模型假设为光滑水平地面 。3 结果与分析3. 1 车辆的气动阻力分析本文所选用列车运行工况为列车的稳态运行 。 列 车稳态运行 ,是指列车在平直轨 道 、 明线 、 非会车工况 下及静止风环境 、 周围空旷等特定条件下单向匀速行驶 6 由于列车为细长体 , 在稳态行驶时各辆车的流 场有很大不同 , 所受阻力差异也很大 , 通过计算各辆车 气动阻力分布 , 可为列车局部减阻优化提供依据 。 虽 是稳态运行 , 列车周围流场仍表现出很强的非定常性 。 由于网格量巨大 , 计算时间受到限制 , 本文未
14、考虑列车 流场的非定常性 , 但即便使用定常算法 , 仍可模拟列车 表面非连续区域 （如转向架 、 受电弓 、 车厢连接处等 及尾流区引起的非对称的涡脱 落 , 从而 导致列车阻力系 数无法收敛到一个稳定的定常解 。 当迭代次数达到一 定值时 , 阻力系数在一个较小范围内呈现出 准周期性 的振荡 。 本文所论述的阻力系数均为其在呈现准周期 性振荡时若干周期的平均值 。图 3为 列 车 切 片 阻 力 系 数 分 布 。 将 整 列 车 每 隔 0. 5m 分割为一段 , 通过对每一段的阻 力系 数 进 行 积 分 , 得到各段的总阻力系数 , 最后将各段总阻力系数值 进行曲线拟合 , 即可得到
15、列车切片阻力系数分布 。 从 图 3可见 , 在头车 、 尾车 、 车厢连接处 、 受电弓和空调整 流罩及限压电阻区域 , 整体流场分布不均匀 , 导致压力 波动很大 , 列车阻力增加 。 因此 , 在列车的减阻优化过 程中 , 应减小车身表面的凹凸 , 使车身尽量光滑将 8辆车 组 成 的 C R H 3型 动 车 组 的 总 气 动 阻 力 系数归一化为 1, 气动阻力的计算式为F = （F p f +F s f n f （1F p f 、 F sf分别为列车表面网格单元 f 所受的 空气压力矢量和剪切力矢量 ; n=1 0 0, 表示气 动阻 力与列车运行速度方向相反 。列车总气动阻力
16、F 是 由 摩 擦 阻 力 F s h e a r 和 压 差 阻力 Fp r e s s u r e所组成的 。F s h e a r = F s f n f =- （T f a f n f （2T f 为列车表面网格单元的剪切应力张 量 ; a f 为列车表面网格单元的面积矢量 。F p r e s s u r e = F p f n f = （-p f +p r e f n f （3 式中 :p为列车表面网格单元受到的压力 ; p r e f 为流场 计算时的参考压力 。对于 整 列 车 , 摩 擦 阻 力 占 列 车 总 气 动 阻 力 的 24. 7%, 压差阻力占列车总气动阻力的
17、75. 3%。 各车 辆气动阻力系数分别占列车总气动阻力系数的百分比 如图 4所示 。 中间车 2、 3、 4、 5的气动阻力系数明显小 于其他车辆 。 中间车 1和中间车 6带有受电 弓装置 , 使其压差阻力增大 , 中间车 1受电弓 系统气动阻力占 列车总 气动 阻力的 6. 4%, 中间车 6受电弓 系统气 动 阻力占列车总气动阻力的 5. 6%。 中间车 1的受电弓 系统气动阻力贡献更大 :一方面是因为中间车 1受电 弓与中间车 6受电弓相向安装 , 致使两个受电弓的尾 流场明显不同 , 中间车 1受电弓诱发的尾涡强度更大 , 导致其所受的压差阻力更大 ; 另一方面是因为中间车 1表面
18、边界 层 厚 度 远 小 于 中 间 车 6的 表 面 边 界 层 厚 度 , 中间车 6的受电弓完全浸没在边界层内 , 导致中间 车 1的受电弓引起的压差阻力大于中间车 6的受电弓 引起的压差阻力 。从图 4可见 , 头车和尾车气动阻力对列车总的气 动阻力贡献很 大 , 占 列 车 总 气 动 阻 力 的 31. 5%, 主 要 表现为压差阻力 。 因此 , 头型减阻设计是高速列车气 动设计的主要问题之一 。头车由于其迎风面积大 , 对来流压缩得最厉害 , 从 图 5看出 , 气流在流经鼻锥后被分流至车顶和车底两 个方向 , 在接近列车鼻锥时速度急剧减小 ,在鼻锥前端滞止为零 , 从 而 在
19、 列 车 鼻 锥 处 形 成 驻 点 , 产 生 强 高 压 区 。 流向鼻锥下方的气流经过断面收缩而加速后 , 在 排障器附近速度又迅速降低 , 最终在排障器处再次滞 止为零 , 形成第二驻点和对应的高压区 。 流向鼻锥上 方的气流沿车体上表面逐渐加速 , 由于司机室前窗与车体存在倾角 , 气流在前窗与车体交角处速度降低 , 形 成车头位置的次高压区 。 气流在经过司机室前窗时再 次加速 , 在车顶曲率最大处达到最高值 , 产生一个较弱 的低压区 。 这种流动特性直接导致头车的压差阻力明 显大于中间各辆车 , 而通过优化头车流线型外形 , 进而 改变头车流场特性 , 成为高速列车头型气动 减
20、阻设计 的主要思路 。从图 6可看出 , 与头车鼻锥的流场不同 , 尾车鼻锥 附近流场受 上 下 左 右 气 流 的 作 用 和 地 面 效 应 的 影响下 , 在尾流区形成强度不一的旋涡 , 其中列车底部的气 流影响尤 为 明 显 。 由 于 尾 车 鼻 锥 附 近 尾 涡 的 快 速 生 成 、 脱落和破裂 , 致使尾锥附近流场极 为复杂 , 压 力显 著降低 , 形成 一 个 低 压 区 , 不 仅 导 致 尾 车 摆 动 更 加 剧 烈 , 且导致其气动阻力明显增大 。 因此 , 可考虑改变尾 车外形 , 从而 改 变 尾 流 区 的 流 动 特 性 , 减 小 尾 涡 的 影 响 ,
21、 降低尾车压差阻力 , 实现列车气动减阻 。3. 2 关键车辆部件的气动阻力分析3. 2. 1 转向架系统气动阻力分析由于车辆走行装置结构极为复杂 , 又有地面 效应 的影响 , 因此 , 车辆走行装置的外形会对列车的气动性 能产生很大影响 。 本文所采用的计算模型为车体裙板 结构 , 即在两转向架之间安装中裙板 , 在转向架两侧安 装短裙板 。 本文所定义的转向架系统包括转向架和转 向架区域 , 见图 7（b ; 图 7（a 则给出 头车第一个转向 架的表面空气压力云图 。 从图 7（a 可见 , 转向架表面 空气压力分布极不均匀 , 在迎风面的传动齿 轮箱和牵 引电机位置存在高压区 , 且
22、转向架许多细部 结构附近 也存在高压区 。 从图 8可见 , 转向架 区域流场极为复 杂 , 气流经过鼻锥处的压缩 , 速度迅速增 大 , 经过 导流 板的二次压缩 , 气流以极高的速度流向转向架区域 ,气 流猛烈冲击转向架而导致该区域产生复杂的湍流 。 大 小不同 、 强度各异的旋涡会快速生成和脱落 , 从而导致 转向架产生很大的气动阻力 。 通过对列车各转向架气 动阻力的研究 , 可为转向架的 气动减阻优化提供相应 的依据 。图 9给出计算模型中 16个转向架区域的气动阻 力分布 。 从图 9可知 , 转向架系统气动阻力占列车总 气动阻力的 27. 4%, 且第一个转向架的气动阻力远大 于
23、其他转 向 架 。 转 向 架 气 动 阻 力 主 要 由 压 差 阻 力 引起 , 压差 阻 力 占 转 向 架 气 动 总 阻 力 的 97. 9%。 原 因 是 :地面与车辆底架间沿车长方向的截面积很小 , 空气 流动速度很 大 , 当 气 流 到 达 转 向 架 前 端 , 速 度 迅 速 减 小 , 形成高压区 , 流过转向架后 , 气流又开始加速 , 最终 在各转向架附近形成较大的压差 , 导致转向架压差阻 力很大 。 因此 , 通过采取适当的措施对转向架区域进行优化 , 改善转向架附近的流场结构 , 可实现对转向架 系统的气动减阻 。3. 2. 2 车体连接处气动阻力分析车厢与车
24、厢的连接部件不同的设计方式会直接影 响到列车整体的气动性能 。 本文所采用的车厢连接区 域如图 10。 从 头 车 到 尾 车 之 间 车 体 连 接 处 的 编 号 依 次为 :连接处 1、 连接处 2、 连接处 3、 连接处 4、 连 接处 5、 连接处 6、 连接处 7。 图 11给出了各车体连接处气动阻力占列车总气动阻力的百分比 。 从图 11可见 , 各 连接 处 气 动 阻 力 之 和 占 列 车 总 气 动 阻 力 的 19. 1%。 车厢连接处前半部分的气动阻力系数远小于后半部分 的气动阻力系数 , 且前半部分的气动阻力系 数均为负 值 , 即为推力 。 原因是 :在不安 装
25、外 风 挡 的 情况下 , 车 厢与车厢连接处缝隙中会产生回流 , 形成凹腔流动 , 导 致连接处前 后 两 部 分 的 压 力 分 布 明 显 不 同 。 如 图 12所示 , 连接处前半部分气动阻力为负值 , 后半部分气动 阻力为正值 , 且大于前半部分气动阻力的绝对值 , 使连 接处整体气动阻力为正值 。 车厢连接处 2阻力系数之 所以很大 , 是因为该连接处紧邻中间 车 1的受电 弓系 统 , 受到强气流干扰 , 致使该处的压差阻力明显大于其 他车厢连接处前半部分的压差阻力 。3. 2. 3 附属部件气动阻力分析列车的附属部件主要包括受电弓 系统 、 空调 整流 罩和限压电阻 , 其中
26、受电弓系统包括受电弓 、绝缘子和 受电弓导流罩 。 本文计算的受电弓系统包括中间车 1和中间车 6两个受电弓区域 , 本文分别称为受电弓区 域 1和受电弓区域 2。 车体附属部件的致使车体表面 光滑度遭到破坏 , 在附属部件附近 , 流场会发生显著变 化 。 实车试验和数值模拟表明 , 附属部件对列车整体 气动性能有很大影响 。 计算结果表明 :空调整流罩气 动阻力占列车总气动阻力的 7. 6%; 限压 电 阻 区 域 所 受气动阻力占列车总气动阻力的 3. 3%; 受电弓系 统第期 高速列车气动阻力分布特性研究 总气动阻力占列车总气动阻力的 ， 中 受 电 弓 其 区域 、 气动阻力分别占列
27、车总气动 阻 力 的 和 绝缘子 和 受 电 弓 导 流 罩 气 动 阻 力 分 别 ； 受电弓、 占列车总气动阻力的 、 和 。 从 图 可见， 由于受电弓系统的外形极为复杂， 气流在受电弓 形 区域受到严重干扰， 成 高 压 区。 受 电 弓 系 统 的 气 动 阻 力 主 要 由 压 差 阻 力 引 起， 受 电 弓 总 气 动 阻 力 的 占 因此可考虑通 过 受 电 弓 及 受 电 弓 导 流 罩 的 优 ， 化设计改善此处的流 场 分 布， 到 减 小 压 差 阻 力 的 目 达 的。 ， ， ， ， ， ： （ ） 田 红 旗 列 车 空 气 动 力 学 北 京： 国 铁 道 出 版 社， 中 ：
