高速列車頭部氣動(dòng)性能的模擬計(jì)算與試驗(yàn)

馬夢林，鄧海，王東屏，兆文忠

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028;2.長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)

0 引言

隨著速度的提高，列車與周圍空氣的相互作用加劇，空氣動(dòng)力學(xué)問題越來越突出.列車氣動(dòng)阻力占總運(yùn)行阻力的比例越來越大，大量理論分析和試驗(yàn)表明，列車以350 km/h以上明線高速運(yùn)行時(shí)，列車運(yùn)行阻力90%以上來自于氣動(dòng)阻力.與此同時(shí)，列車的氣動(dòng)阻力與列車頭部外形有著密切的關(guān)系.氣動(dòng)阻力是空氣動(dòng)力學(xué)研究的主要內(nèi)容之一［1-2］，而氣動(dòng)阻力系數(shù)是衡量高速列車頭部氣動(dòng)特性的一個(gè)重要參數(shù)，尋求列車最佳頭部形狀使其氣動(dòng)阻力最小，有效地降低空氣動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象對列車運(yùn)行和周邊環(huán)境的影響，是高速列車氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的研究課題.

本文利用數(shù)值模擬方法和風(fēng)洞試驗(yàn)方法兩種途徑對一節(jié)半編組的列車模型的氣動(dòng)特性進(jìn)行分析研究，并通過對兩種研究方法分析結(jié)果的對比，尋求研究列車氣動(dòng)特性方法有效地結(jié)合點(diǎn)和不同點(diǎn)，為今后列車氣動(dòng)外形在不同的研究情況下的分析方法的選擇與結(jié)合提供參考.

1 高速列車氣動(dòng)特性研究方法概述

對于列車氣動(dòng)特性的研究方法主要有兩個(gè)方法:實(shí)驗(yàn)研究方法和數(shù)值模擬方法.實(shí)驗(yàn)方法包括風(fēng)洞試驗(yàn)法、線路試驗(yàn)以及動(dòng)模型試驗(yàn)［3-5］，在高速列車頭型設(shè)計(jì)的初期風(fēng)洞試驗(yàn)是主要的設(shè)計(jì)驗(yàn)證手段.數(shù)值模擬方法主要是利用CFD程序?qū)α熊囍車牧鲌鲞M(jìn)行模擬計(jì)算來反映列車外部復(fù)雜流動(dòng)特性的一種方法.CFD方法作為一種強(qiáng)有力的輔助設(shè)計(jì)工具，在列車頭型的設(shè)計(jì)初期起到一定的指導(dǎo)與預(yù)測的作用，并可以擴(kuò)展研究范圍和給出比較完整的定量結(jié)果［6］.而風(fēng)洞試驗(yàn)則是通過模擬試驗(yàn)來不斷揭示各種氣動(dòng)現(xiàn)象，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與推理得出重要的結(jié)論.因此，若將CFD數(shù)值模擬方法與風(fēng)洞試驗(yàn)兩者很好的結(jié)合應(yīng)用，讓二者互為補(bǔ)充互為應(yīng)用，對列車氣動(dòng)特性的研究無疑是一種更加完善的研究方法.

2 高速列車車頭的數(shù)值模擬

CFD方法可以看作是流動(dòng)基本方程(質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程)控制下對流動(dòng)的數(shù)值模擬，通過數(shù)值模擬，可以得到極其復(fù)雜問題的流場內(nèi)各個(gè)位置的基本物理量的分布，以及這些物理量隨時(shí)間的變化情況，確定漩渦分布特性、空化特性及脫流區(qū)等［7-8］.下面利用通用流體分析軟件FLUENT，對列車頭部及車身周圍的流場進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)分析，得到模型周圍的繞流特性和氣動(dòng)特性參數(shù).

2.1 模型簡化

明線運(yùn)行的高速列車是一個(gè)近地且長細(xì)比很大的運(yùn)動(dòng)體，周圍流場是三維不可壓湍流，可用三維不可壓雷諾平均N-S方程模擬.不可壓Navier-Stokes方程:

對于連續(xù)方程:

對于x方向的動(dòng)量方程:

y、z方向具有類似的表示.

求解方法采用湍流模型，采用高雷諾數(shù)的k－ε兩方程模型:

湍動(dòng)能方程:

湍流耗散率方程:

同時(shí)，由于主要分析高速列車頭形對的氣動(dòng)阻力的影響，并為了便于和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析對比，數(shù)值模擬分析的模型采用頭車加半節(jié)中間車的編組方式.車體底部與轉(zhuǎn)向架區(qū)域的零部件較多，若將它們?nèi)矿w現(xiàn)出來勢必使計(jì)算模型的網(wǎng)格規(guī)模過大，所以對它們進(jìn)行適當(dāng)簡化處理.簡化后的計(jì)算模型如圖1所示:

圖1 簡化后的車體模型

2.2 計(jì)算區(qū)域及邊界條件

同樣，為了使計(jì)算結(jié)果與后續(xù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果在相同的工況下進(jìn)行對比，計(jì)算區(qū)域的選擇應(yīng)保證與風(fēng)洞試驗(yàn)的阻塞比相同，并且盡量避免入口邊界、出口邊界不受到列車的影響，保證速度分布均勻，入口邊界與出口邊界選擇離車體110 m計(jì)算區(qū)域如圖2所示:

圖2 計(jì)算區(qū)域

2.3 網(wǎng)格劃分

首先將計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到離散的計(jì)算對象.由于列車車頭不能完全實(shí)現(xiàn)流線型設(shè)計(jì)，因此，在車頭的近壁面區(qū)域會(huì)出現(xiàn)不同程度的邊界層分離現(xiàn)象.因此，通過多次計(jì)算結(jié)果分析，調(diào)整車頭附近的網(wǎng)格密度，而在遠(yuǎn)離壁面的區(qū)域，網(wǎng)格可以適當(dāng)放大.同時(shí)，為了更好的控制網(wǎng)格的密度，將計(jì)算區(qū)域劃分為五個(gè)區(qū)域，圖3所示，為列車頭部壁面區(qū)域的網(wǎng)格，以此為基礎(chǔ)，其它計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格由密變疏的呈放射狀分布.

圖3 列車頭部區(qū)域的網(wǎng)格劃分

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

在60 m/s時(shí)速下，對列車車頭周圍的流場進(jìn)行了空氣動(dòng)力性能數(shù)值分析.計(jì)算得到在此工況下的列車車頭表面的壓力分布云圖、列車頭車的空氣阻力系數(shù)等氣動(dòng)性能參數(shù).

圖4、圖5是列車頭車表面的壓力分布，圖6為列車車頭縱向?qū)ΨQ面上矢量分布圖.列車運(yùn)行時(shí)，由于車頭的擠壓，使車頭迎風(fēng)面周圍流場呈正壓狀態(tài)，列車鼻端的最高壓力是4 731.122 Pa.

圖4 列車車頭表面的壓力分布云圖

圖5 列車車頭表面的壓力分布云圖(局部放大圖)

圖6 列車車頭對稱面的矢量分布圖

根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果，利用阻力系數(shù)計(jì)算公式:

計(jì)算得高速列車車頭車的列車壓差阻力和列車空氣摩擦阻力分別為2 971.203 2 N(X負(fù)向)、1082.8172 N(X 負(fù)向)，氣動(dòng)阻力系數(shù)為0.1698.

3 風(fēng)洞模型試驗(yàn)

風(fēng)洞模型試驗(yàn)是研究列車氣動(dòng)特性中應(yīng)用最廣泛的手段之一.通過風(fēng)洞模型試驗(yàn)在列車氣動(dòng)外形的設(shè)計(jì)與研究上有著舉足輕重的作用.風(fēng)洞模型試驗(yàn)的基本原理是根據(jù)運(yùn)動(dòng)相對性原理和流動(dòng)相似性原理，將列車和線路等物體按幾何相似性制作成縮比模型，并固定在風(fēng)洞的試驗(yàn)段，通過風(fēng)洞的動(dòng)力裝置，產(chǎn)生可以人為控制的氣流，通過穩(wěn)定、加速和整流，使之成為具有所需要的速度、密度和壓力的均勻氣流，當(dāng)氣流流過列車模型，在滿足必要的相似條件下，測量列車模型的空氣動(dòng)力特性，就可以得到實(shí)際列車的空氣動(dòng)力特性了.

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

本文的風(fēng)洞試驗(yàn)在8 m×6 m/12 m×16 m風(fēng)洞第二試驗(yàn)段進(jìn)行的，此風(fēng)洞為閉口串列雙試驗(yàn)段大型低速風(fēng)洞，模型所在的第二試驗(yàn)段寬8 m，高6 m，長15 m，穩(wěn)定風(fēng)速為20～70 m/s，滿足本次試驗(yàn)最高風(fēng)速60 m/s的要求.與此同時(shí)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ托掳惭b在列車試驗(yàn)專用地板上，此列車試驗(yàn)專用地板前、后緣為流線型，以減少氣流的干擾，并且每塊板后緣下表面裝有擾流片，在板塊之間的縫隙附件形成渦流低壓區(qū)，可以有效地吸引地板上表面氣流，從而降低地板附面層厚度.試驗(yàn)的測量設(shè)備選用的是盒式六分量應(yīng)變天平對列車模型的氣動(dòng)力和力矩進(jìn)行測量.

3.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

風(fēng)洞試驗(yàn)的模型縮尺比例為1∶8，一節(jié)半編組.模型安裝在路基軌道模型上，如圖7所示.列車模型為金屬框架結(jié)構(gòu)，外部用木材成型.金屬框架內(nèi)部焊有天平連接板，天平通過支座與路基軌道連接，每節(jié)車體模型通過天平與支撐座相連.為了實(shí)現(xiàn)頭車與中間車的分別測試，各個(gè)測力單元相互獨(dú)立、無連接.

圖7 列車車頭風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過風(fēng)洞試驗(yàn)，并對測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得出測試模型的阻力系數(shù)、升力系數(shù)、側(cè)向力系數(shù)以及傾覆力矩系數(shù)、側(cè)偏力矩系數(shù)和俯仰力矩系數(shù).并將風(fēng)洞試驗(yàn)和仿真分析所得到的在相似的邊界條件下列車頭車的氣動(dòng)阻力系數(shù)進(jìn)行對比.由風(fēng)洞試驗(yàn)測得列車頭車的氣動(dòng)阻力系數(shù)為0.155 8，仿真分析結(jié)果計(jì)算得到列車頭車的氣動(dòng)阻力系數(shù)為0.169 8，誤差率為8.9%.滿足仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差率小于15%的要求.同時(shí)，也說明，在概念設(shè)計(jì)階段，可以利用模擬分析的方法代替風(fēng)洞試驗(yàn)來指導(dǎo)設(shè)計(jì)，從而縮短設(shè)計(jì)周期，而將確定方案后的設(shè)計(jì)利用風(fēng)洞試驗(yàn)來對設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證.

4 風(fēng)洞模型試驗(yàn)與仿真分析結(jié)果的對比分析

風(fēng)洞模型試驗(yàn)與仿真分析結(jié)果存在差異的原因:

(1)仿真技術(shù)模型中的列車表面的摩擦系數(shù)取值較大，適當(dāng)修正列車表面的摩擦系數(shù);

(2)由于試驗(yàn)測試時(shí)天氣陰冷，與仿真分析計(jì)算時(shí)理想狀態(tài)下的空氣參數(shù)存在差異;

(3)風(fēng)洞模型試驗(yàn)時(shí)，由于風(fēng)洞為開放式結(jié)構(gòu)，測量結(jié)果受溫度、濕度等環(huán)境和不定因素影響，因此也會(huì)存在一些不可確定的影響因素;

(4)仿真分析模型建模時(shí)，轉(zhuǎn)向架進(jìn)行了簡化，采取了化零為整的方法，這樣增大了迎風(fēng)面積，從而使阻力增大;若在模型中詳細(xì)描述轉(zhuǎn)向架區(qū)域，勢必會(huì)將模型的網(wǎng)格大規(guī)模增大，因此，在誤差允許范圍內(nèi)，不影響頭車表面流場的情況下對轉(zhuǎn)向架區(qū)域不作修改.

5 結(jié)論

風(fēng)洞模型試驗(yàn)由于受到模型制作、試驗(yàn)條件、測試手段的限制存在一定的局限性.同時(shí)由于風(fēng)洞模型試驗(yàn)周期長、費(fèi)用昂貴，在高速列車概念設(shè)計(jì)階段應(yīng)用此方法比較困難.數(shù)值模擬方法設(shè)計(jì)周期短同時(shí)又不受風(fēng)洞模型試驗(yàn)?zāi)菢拥南拗?，但是?shù)值模擬計(jì)算也存在對實(shí)際湍流等氣流流動(dòng)狀態(tài)特性目前仍未有普遍適用的數(shù)學(xué)模型［9-10］，數(shù)值計(jì)算上收斂性和計(jì)算的精度等仍需改進(jìn)等缺點(diǎn).因此，單單依靠數(shù)值分析結(jié)果來分析高速列車頭車的氣動(dòng)特性是不完善的，只能作為風(fēng)洞模型試驗(yàn)的必要補(bǔ)充和前期定量的預(yù)測，因此，應(yīng)將風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值仿真分析密切配合，在設(shè)計(jì)前期，通過仿真分析，得到流場的總體變化趨勢來指導(dǎo)設(shè)計(jì)，當(dāng)設(shè)計(jì)基本成型后，通過風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果來驗(yàn)證數(shù)值模擬分析建模的準(zhǔn)確性，將兩種分析技術(shù)作為一個(gè)整體來考慮，使二者相互校正，才是高速列車頭形設(shè)計(jì)研究的有效途徑.

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