新一代高速動(dòng)車組380CL頭型與原型車氣動(dòng)特性比較

鄧海，夏東偉，尹華，李樹民，

(1.中國(guó)北車集團(tuán) 長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062;2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽621000)*

0 引言

中國(guó)北車長(zhǎng)客公司在時(shí)速300 km/h原型車的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究時(shí)速380 km/h的新一代高速列車，該速度已超過大型飛機(jī)的最大起飛速度，且采用多體連接的長(zhǎng)大編組結(jié)構(gòu)(最多有16輛車，長(zhǎng)度達(dá)400 m)，是目前世界上設(shè)計(jì)的商業(yè)運(yùn)營(yíng)速度最高、長(zhǎng)度最長(zhǎng)的高速列車.列車高速運(yùn)行時(shí)，氣動(dòng)效應(yīng)隨速度指數(shù)急劇增加，如何有效降低縱向氣動(dòng)阻力、控制氣動(dòng)噪聲、提高橫向抗側(cè)風(fēng)能力、抑制氣動(dòng)升力、降低交會(huì)壓力波和微氣壓波效應(yīng)，以確保列車高速運(yùn)行的安全性、乘坐舒適性、節(jié)能環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性，這對(duì)設(shè)計(jì)具有多方面綜合優(yōu)異空氣動(dòng)力學(xué)性能的頭型提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn).

數(shù)值模擬、風(fēng)洞試驗(yàn)、動(dòng)模型試驗(yàn)、實(shí)車測(cè)試，是目前研究高速列車空氣動(dòng)力學(xué)問題的四個(gè)基本手段，其中數(shù)值模擬方法，可以模擬最接近實(shí)車測(cè)試的情況，又可以避免實(shí)車測(cè)試存在的各種復(fù)雜干擾因素，同時(shí)數(shù)值模擬可以方便的實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)可視化，可以直觀的分析高速列車的流動(dòng)特性，是高速列車流線化和流線型頭型設(shè)計(jì)、評(píng)估、優(yōu)化的合適手段.

本文采用計(jì)算軟件PWS3D(Parallel Wind Solver 3D)開展計(jì)算，該軟件數(shù)值求解的控制方程為RANS方程(Reynolds Averaged Navier-Stokes方程)，湍流采用低雷諾數(shù)兩方程湍流模型，離散方法為有限體積法，求解方法采用壓力修正算法［1-2］.

1 數(shù)值方法

高速列車尺度大，運(yùn)行速度高，雷諾數(shù)范圍在106以上，故對(duì)應(yīng)的流態(tài)均為湍流.列車縱向尺度遠(yuǎn)大于橫向尺度，近壁區(qū)的處理對(duì)邊界層發(fā)展，壓力分布，尾渦強(qiáng)度的準(zhǔn)確模擬都非常重要，近壁區(qū)網(wǎng)格需要優(yōu)化配置并充分加密，因此本文采用“雷諾平均N-S方程+低雷諾數(shù)兩方程湍流模型”的方法進(jìn)行模擬.

雷諾平均的Navier-Stokes方程的通式可寫為［1-3］:

對(duì)于連續(xù)方程:

對(duì)于x方向的動(dòng)量方程:

式中，ρ為密度;u為x方向速度;μeff為有效粘性系數(shù);P為壓力;V為速度矢量;y、z方向具有類似的表示.

采用兩方程模型計(jì)算湍流運(yùn)動(dòng).除了求解NS方程的連續(xù)方程和動(dòng)量方程之外，還需求解附加的兩個(gè)反映湍流運(yùn)動(dòng)尺度的方程，即低雷諾數(shù)湍動(dòng)能方程及湍動(dòng)能耗散率方程，具體可參見文獻(xiàn)［4］.

壓力系數(shù):

式中，V∞為遠(yuǎn)場(chǎng)來流速度.

2 計(jì)算外形和計(jì)算網(wǎng)格

新一代380CL(記為CRH380CL)與原型車(記為CRH3C)外形的區(qū)別主要在車頭外形和車頭轉(zhuǎn)向架裙板，圖1給出兩車頭型的差異(圖中深色曲線為 CRH3C，淺色曲線為 CRH380CL)，CRH3C車頭鼻錐段長(zhǎng)度為7.5 m，CRH380CL車頭鼻錐段長(zhǎng)度為8.6 m.380CL相對(duì)CRH3C主要改進(jìn)措施為:加大長(zhǎng)細(xì)比，采用具有旋轉(zhuǎn)拋物體特征的楔形結(jié)構(gòu)，優(yōu)化頭型斷面梯度，減小頭型過渡區(qū)域曲率，截面積變化率更趨線性，合理匹配鼻錐曲面，消除表面凸起，這些措施都可以有效地改進(jìn)CRH380CL的氣動(dòng)性能.

圖1 CRH380CL與CRH3C頭型比較

除頭車外，兩車車身部分完全一致，從CRH380CL計(jì)算和試驗(yàn)的外形比較可以得到，計(jì)算與試驗(yàn)外形完全一致，為突出頭型數(shù)據(jù)，空調(diào)、受電弓采用整流罩代替，原型車采用相同處理.

3車編組全區(qū)域計(jì)算網(wǎng)格由3 000塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格組成，總的網(wǎng)格數(shù)近5×107.網(wǎng)格在空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)模的基礎(chǔ)上生成，動(dòng)車組3車編組計(jì)算區(qū)域見圖2，無側(cè)滑和有側(cè)滑均采用全區(qū)域計(jì)算:對(duì)模型比例1∶1情況，長(zhǎng)度方向遠(yuǎn)場(chǎng)到車的距離取為66 m，為車橫向特征尺度的20倍以上，高度和寬度方向遠(yuǎn)場(chǎng)到車距離分別為80 m和100 m左右，為車橫向特征尺度的25倍和30倍.這樣的遠(yuǎn)場(chǎng)距離可以保證縱向和橫向脫落渦的充分發(fā)展，用于存在非定常渦脫落的大長(zhǎng)細(xì)比高速動(dòng)車組計(jì)算是適合的.

圖2 動(dòng)車組3車編組計(jì)算區(qū)域示意圖

圖3給出兩車車頭區(qū)域的網(wǎng)格拓?fù)淝闆r，車頭是影響計(jì)算結(jié)果的重要部位，因此在該區(qū)域分布了較密的網(wǎng)格以保形，同時(shí)根據(jù)流動(dòng)特點(diǎn)規(guī)劃分區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以保證模擬精度.圖4給出車身連接處，轉(zhuǎn)向架、風(fēng)檔和空調(diào)整流罩計(jì)算網(wǎng)格，在風(fēng)擋內(nèi)車廂連接褶皺區(qū)都生成了計(jì)算網(wǎng)格，對(duì)轉(zhuǎn)向架、風(fēng)擋等復(fù)雜外形結(jié)構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格非結(jié)構(gòu)化技術(shù)，生成了質(zhì)量較好的多塊對(duì)接結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，以保證復(fù)雜外形區(qū)域的數(shù)值計(jì)算精度.在網(wǎng)格分布方面，對(duì)曲率變化較大的部分和關(guān)鍵區(qū)域都進(jìn)行了網(wǎng)格加密，以滿足此類問題計(jì)算對(duì)網(wǎng)格的要求，近壁面第一層網(wǎng)格最小網(wǎng)格高度為1 mm.

圖3 兩車車頭網(wǎng)格分布圖

圖4 車身連接處，轉(zhuǎn)向架、風(fēng)檔和空調(diào)整流罩計(jì)算網(wǎng)格

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 阻力特性比較

為進(jìn)行阻力比較，計(jì)算了3車編組“光車”的阻力特性，即去掉了空調(diào)、受電弓、轉(zhuǎn)向架等部件，采用頭型+等直段方案，1∶8模型.由于等直段不貢獻(xiàn)任何壓差阻力，計(jì)算結(jié)果中的壓差阻力全部來自頭型，也就是在理想狀況下，CRH380CL的頭型構(gòu)成的頭尾車壓差阻力會(huì)比CRH3C頭型減阻23%，3車編組“光車”全車減阻12.8%，這兩個(gè)結(jié)果是理想狀態(tài)下頭型的最大減阻情況.

計(jì)算與試驗(yàn)的氣動(dòng)力比較見表1，計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好.表2給出計(jì)算阻力系數(shù)比較，CRH380CL 3車編組比CRH3C 3車編組減阻4.5%，頭、尾車阻力之和 CRH380CL頭型比CRH3C頭型減阻7.3%，新一代頭型減阻效果明顯.“光車”和1∶8模型計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果表明:CRH380CL頭型阻力明顯小于CRH3C頭型，其阻力特性優(yōu)于原型車.

表1 計(jì)算與風(fēng)洞試驗(yàn)阻力系數(shù)比較(1∶8模型)

表2 計(jì)算總阻力與頭尾車阻力系數(shù)結(jié)果比較(1∶8模型)

圖5給出計(jì)算的兩個(gè)車型表面壓力云圖尾流流線，由于加大了長(zhǎng)細(xì)比，改進(jìn)了鼻錐曲線，CRH380CL尾車流動(dòng)有更好的附著性，是該頭型減阻的主要原因.

圖5 計(jì)算的兩個(gè)車型表面壓力云圖尾流流線

3.2 升力特性比較

表3是在固定地面、來流60 m/s，無側(cè)風(fēng)條件下，兩頭型對(duì)應(yīng)的頭車、尾車升力系數(shù)比較，兩頭型頭車均為負(fù)升力，即向下的壓力，尾車均為正升力，方向向上，對(duì)流線型頭型，尾車的正升力會(huì)導(dǎo)致尾車的擺動(dòng)，影響尾車穩(wěn)定性和舒適性，因此，在改進(jìn)頭型設(shè)計(jì)時(shí)，希望尾車升力不要增加，CRH380CL尾車的升力明顯小于CRH3C，因此，CRH380CL頭型的升力特性也優(yōu)于原型車CRH3C.

表3 兩車型3車編組升力比較(1∶8模型)

3.3 側(cè)力和滾轉(zhuǎn)力矩比較

列車在側(cè)風(fēng)，特別是大側(cè)風(fēng)條件下的側(cè)力和滾轉(zhuǎn)力矩特性與列車的安全性直接相關(guān)，是頭型氣動(dòng)性能比較的一個(gè)重要方面，為考察兩個(gè)頭型的抗側(cè)風(fēng)性能，依據(jù)鐵運(yùn)函規(guī)定，確定3個(gè)側(cè)風(fēng)工況，記為:

A2:Vtr=300 km/h，側(cè)風(fēng) Vw=15 m/s;

A3:Vtr=200 km/h，側(cè)風(fēng) Vw=25 m/s;

A4:Vtr=160 km/h，側(cè)風(fēng) Vw=30 m/s.

風(fēng)洞中由于來流速度有限，無法實(shí)現(xiàn)以上工況，基于保證兩個(gè)方向速度相對(duì)關(guān)系不變的原則，基于風(fēng)洞能力對(duì)風(fēng)洞的側(cè)風(fēng)工況進(jìn)行了調(diào)整，對(duì)應(yīng)的1∶8模型風(fēng)洞試驗(yàn)側(cè)風(fēng)試驗(yàn)及相應(yīng)計(jì)算工況為:

A2:風(fēng)速 60 m/s，側(cè)滑角 β =10.2°

A3:風(fēng)速 60 m/s，側(cè)滑角 β =24.2°

A4:風(fēng)速 54 m/s，側(cè)滑角 β =34°

表4為在固定地面、風(fēng)速60 m/s時(shí)，不同側(cè)滑角條件下，兩頭型頭車及全車側(cè)力比較以及兩頭型頭車及全車滾轉(zhuǎn)力矩比較，CRH380CL頭型的頭車及全車側(cè)力和滾轉(zhuǎn)力矩均小于CRH3C頭型，CRH380CL頭型比CRH3C頭型有更好的抗側(cè)風(fēng)能力.

表4 固定地面、風(fēng)速60 m/s時(shí)，不同側(cè)滑角兩車型3車編組側(cè)力及滾轉(zhuǎn)力矩比較

3.4 車底優(yōu)化減阻

CRH380CL-Optimize為在CRH380CL的基礎(chǔ)上進(jìn)行了車底優(yōu)化，優(yōu)化方案見圖6，采用此優(yōu)化方案后，3車編組全車減阻達(dá)到5.56%，其中頭尾車減阻貢獻(xiàn)為4.53%，中間車減阻貢獻(xiàn)為1.03%，可見車底轉(zhuǎn)向架區(qū)域優(yōu)化的減阻效果是顯著的，考慮長(zhǎng)大編組情況，每節(jié)車有2個(gè)轉(zhuǎn)向架，因此，此優(yōu)化方案對(duì)8車和16車編組的情況同樣會(huì)有顯著的減阻效果.圖7給出車頭轉(zhuǎn)向架區(qū)域優(yōu)化前后外形的比較，以及流動(dòng)情況，結(jié)果表明，通過優(yōu)化，氣流可以更平順的通過車底，能量損耗少，從而實(shí)現(xiàn)減阻，減阻量目前超過頭型優(yōu)化的減阻效果.

圖7 車底轉(zhuǎn)向架區(qū)域初始外形、優(yōu)化外形比較

圖8 車頭轉(zhuǎn)向架區(qū)域初始外形、優(yōu)化外形計(jì)算結(jié)果比較

4 結(jié)論

通過計(jì)算研究，CRH380CL和原型車動(dòng)車組的氣動(dòng)特性，得到如下結(jié)論:

(1)380CL相對(duì)原型車主要改進(jìn)措施為:加大長(zhǎng)細(xì)比，采用具有旋轉(zhuǎn)拋物體特征的楔形結(jié)構(gòu)，優(yōu)化頭型斷面梯度，減小頭型過渡區(qū)域曲率，截面積變化率更趨線性，合理匹配鼻錐曲面，消除表面凸起，這些措施都可以有效地改進(jìn)CRH380CL的氣動(dòng)性能;

(2)通過對(duì)CRH3C頭型與CRH380CL頭型氣動(dòng)性能的系統(tǒng)比較，包括阻力特性、升力特性、側(cè)力特性、滾轉(zhuǎn)力矩特性和壓力波特性，新一代CRH380CL頭型全面優(yōu)于原型車CRH3C;

(3)車底整流效果明顯，對(duì)3車編組，車底理想化整流減阻極限為全車減阻趨于44%:車底整流類似風(fēng)擋整流，對(duì)長(zhǎng)大編組情況應(yīng)該也有較好的全車減阻效果.

［1］李樹民，朱國(guó)林，王開春.基于分區(qū)的隱式求解二維不可壓N-S方程的并行實(shí)現(xiàn)［J］.空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)，2002，20:39-44.

［2］李樹民，朱國(guó)林，王開春.斜網(wǎng)格修正的低速計(jì)算方法及應(yīng)用［J］.空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)，2008，26:212-216.

［3］陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，1986.