鼻尖狀態(tài)對(duì)高速列車氣動(dòng)性能的影響

黃濤+李田+張繼業(yè)

摘要： 基于三維定常不可壓NS方程以及kε兩方程湍流模型，分別在無橫風(fēng)和有橫風(fēng)環(huán)境下，用有限體積法研究高速列車車頭鼻尖不同開閉狀態(tài)對(duì)列車明線運(yùn)行時(shí)氣動(dòng)性能的影響.用FLUENT分析車頭鼻尖全開、全閉和半開半閉等3種不同開閉狀態(tài)的高速列車氣動(dòng)性能，發(fā)現(xiàn)車頭鼻尖開閉狀態(tài)對(duì)列車側(cè)向力和升力幾乎沒有影響，但對(duì)頭車的阻力影響較大，這主要是由于頭車鼻尖部分阻力變化較大引起的.在無橫風(fēng)環(huán)境下，車頭鼻尖開閉狀態(tài)對(duì)頭車的氣動(dòng)力矩影響不大，但對(duì)尾車的點(diǎn)頭力矩有一定影響.在橫風(fēng)環(huán)境下，車頭鼻尖開閉狀態(tài)對(duì)列車氣動(dòng)力矩影響不大.

關(guān)鍵詞： 高速列車； 開閉狀態(tài)； 橫風(fēng)； 氣動(dòng)性能； 有限體積法； 數(shù)值仿真

中圖分類號(hào)： U270.11；TB115.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

高速列車貼近地面運(yùn)行，其長(zhǎng)寬比遠(yuǎn)大于其他交通工具，當(dāng)運(yùn)行速度達(dá)到300 km/h以上時(shí)，其空氣阻力分布特性與汽車或飛機(jī)相比更為復(fù)雜.[14]為減少氣動(dòng)阻力，高速列車頭部一般采用三維流線型外形，并將車鉤等傳統(tǒng)列車上一些外露的設(shè)備、裝置包裹在車體內(nèi)部.為滿足調(diào)車作業(yè)、救援搶險(xiǎn)和雙機(jī)聯(lián)掛時(shí)掛鉤、拆解的需要，必須將車頭鼻尖設(shè)計(jì)成可開啟式，以露出車鉤的鉤頭.[58]動(dòng)車組頭部鼻尖的自動(dòng)開閉裝置主要由開閉機(jī)構(gòu)和玻璃鋼前罩構(gòu)成，動(dòng)作部分采用氣缸驅(qū)動(dòng)，分為開閉氣缸和鎖緊氣缸.開閉氣缸完成開閉動(dòng)作，鎖緊氣缸完成對(duì)機(jī)構(gòu)的鎖固，以維持開閉狀態(tài).開閉機(jī)構(gòu)的主體框架用螺栓固定在底架上，在主體框架上安裝驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu).裝置各關(guān)節(jié)采用銷軸連接，由氣缸的伸縮動(dòng)作轉(zhuǎn)變?yōu)榍罢值拈_關(guān)動(dòng)作.[9]

目前，國(guó)內(nèi)外的研究成果大多針對(duì)提高傳統(tǒng)列車運(yùn)行速度和高速列車運(yùn)行過程中的空氣阻力.姚拴寶等[10]對(duì)CRH 3型列車各組成部分的氣動(dòng)阻力特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和歸類，給出各部件氣動(dòng)阻力對(duì)列車總氣動(dòng)阻力的貢獻(xiàn)，并分析列車及其各主要部件的氣動(dòng)阻力分布特性.龔曉波[9]采用數(shù)值計(jì)算的方法得到自動(dòng)開閉裝置前罩的表面壓力分布，并對(duì)自動(dòng)開閉裝置的玻璃鋼前罩和開閉機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，而未對(duì)不同開閉狀態(tài)進(jìn)行氣動(dòng)性能研究.

目前，列車氣動(dòng)性能的研究往往將流線型部分或者頭車視為一個(gè)整體，未見有文獻(xiàn)研究列車鼻尖開閉機(jī)構(gòu)對(duì)列車氣動(dòng)性能的影響.列車鼻尖開閉機(jī)構(gòu)有3種典型的開閉狀態(tài)：全閉、全開和半開半閉.一般情況下，當(dāng)列車正常運(yùn)行時(shí)，列車鼻尖開閉機(jī)構(gòu)處于全閉形式，但當(dāng)列車鼻尖開閉機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障時(shí)，可能處于全開或半開半閉狀態(tài).因此，研究不同開閉狀態(tài)的鼻尖開閉機(jī)構(gòu)對(duì)高速列車氣動(dòng)性能的影響十分必要.本文采用有限體積法數(shù)值模擬無橫風(fēng)和有橫風(fēng)2種環(huán)境下不同鼻尖開閉機(jī)構(gòu)的高速列車明線氣動(dòng)性能，研究全開、全閉、半開半閉3種不同鼻尖開閉狀態(tài)對(duì)高速列車氣動(dòng)性能的影響.

1控制方程

當(dāng)列車的運(yùn)行速度為300 km/h時(shí)，馬赫數(shù)小于0.3，列車周圍流場(chǎng)可視為三維定常不可壓縮流場(chǎng).湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)kε兩方程模型，其控制方程[11]為div（ρuφ）=div（Γgrad φ）+S式中：ρ為空氣密度；u為流場(chǎng)速度矢量；φ為流場(chǎng)通量；Γ為擴(kuò)散系數(shù)；S為源項(xiàng).

2計(jì)算模型

以某型號(hào)高速列車為研究對(duì)象，采用3車編組，即由頭車、中間車和尾車組成，其長(zhǎng)度分別為26.2，25.0和26.2 m，忽略受電弓、轉(zhuǎn)向架和門把手等局部結(jié)構(gòu)，見圖1.其中，中間車力矩矩心位于中間車車體中心處，頭車和尾車力矩矩心分別位于距離中間車力矩矩心25 m處.列車鼻尖開閉機(jī)構(gòu)的3種典型的開閉狀態(tài)見圖2，其中忽略開閉機(jī)構(gòu)內(nèi)的連接桿等細(xì)部結(jié)構(gòu).

列車的流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域見圖3.在無橫風(fēng)環(huán)境下，列車正前方截面為入口邊界，設(shè)置為速度入口條件；列車正后方截面為出口邊界，設(shè)置為壓力出口條件；列車的正上方、兩側(cè)截面設(shè)置為對(duì)稱邊界條件.在橫風(fēng)環(huán)境下，列車正前方截面和右側(cè)截面為入口邊界，設(shè)置為速度入口條件；列車正后方截面和左側(cè)截面為出口邊界，設(shè)置為壓力出口條件；列車的正上方設(shè)置為對(duì)稱邊界條件.列車表面設(shè)置為wall邊界；為模擬地面效應(yīng)，地面邊界為無滑移邊界條件，地面與列車運(yùn)動(dòng)速度一致.圖 3計(jì)算區(qū)域

Fig.3Computational domain

使用ICEM對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，空間網(wǎng)格采用四面體和三棱柱單元，物面采用三角形單元.對(duì)于邊界層網(wǎng)格，在車體表面生成的第一層厚度為1 mm，取增長(zhǎng)率為1.2，共生成5層邊界層網(wǎng)格，與文獻(xiàn)[12]提到的邊界層網(wǎng)格基本一致.為確定網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，通過改變外場(chǎng)和列車表面網(wǎng)格尺寸，建立3種不同的網(wǎng)格方案，得到3種不同網(wǎng)格方案的各車阻力值，見表1，可知，相對(duì)于方案2，方案3各車阻力的變化幅度控制在1%內(nèi)，可以認(rèn)為當(dāng)外場(chǎng)最大尺寸為800 mm，列車表面網(wǎng)格最大尺寸為60 mm時(shí)，加密網(wǎng)格基本不影響計(jì)算結(jié)果.考慮到計(jì)算時(shí)間和精度等因素，網(wǎng)格劃分時(shí)取外場(chǎng)最大尺寸為800 mm，列車表面網(wǎng)格最大尺寸為60 mm，相應(yīng)的網(wǎng)格總數(shù)約為1 684萬個(gè).后續(xù)計(jì)算均采用此網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置.表 1網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)

Tab.1Mesh independence test網(wǎng)格方案網(wǎng)格最大尺寸/mm外場(chǎng)列車表面網(wǎng)格總數(shù)/

萬個(gè)頭車中間車尾車阻力/N相對(duì)變化/%阻力/N相對(duì)變化/%阻力/N相對(duì)變化/%方案11 000701 0264 7982 028方案2800601 6844 710-1.832 067+1.924 743-2.25方案3600502 3924 672-0.812 061-0.294 724-0.21

3計(jì)算結(jié)果

3.1無橫風(fēng)環(huán)境下的計(jì)算結(jié)果

頭車各部分的受力情況見圖4.

（a）鼻尖部分（b）流線型部分（c）非流線型部分（d）頭車整體圖 4無橫風(fēng)環(huán)境下頭車受力

Fig.4Forces of head car under noncrosswind environment

由圖4可知：鼻尖開閉機(jī)構(gòu)的開閉狀態(tài)對(duì)列車側(cè)向力和升力幾乎沒有影響.全開狀態(tài)相對(duì)于全閉狀態(tài)而言，鼻尖部分的阻力增加1 784 N，增大37.52%，頭車阻力增加1 558 N，增大33.08%；半開半閉狀態(tài)相對(duì)于全閉狀態(tài)而言鼻尖部分的阻力增加520 N，增大10.94%，頭車阻力增加461 N，增大9.79%.可見，鼻尖開閉機(jī)構(gòu)的開閉狀態(tài)對(duì)頭車的阻力影響較大，主要是由于頭車鼻尖部分阻力變化較大引起的，且頭車阻力的增加幅值和鼻尖部分阻力增加幅值相當(dāng).頭車和尾車受到的力矩見圖5.對(duì)于頭車而言，鼻尖開閉機(jī)構(gòu)的開閉狀態(tài)對(duì)其側(cè)滾力矩、點(diǎn)頭力矩和搖頭力矩影響不大.全開狀態(tài)相對(duì)于全閉狀態(tài)而言，尾車的點(diǎn)頭力矩增加1 058 N·m，增大18.75%；半開半閉狀態(tài)相對(duì)于全閉狀態(tài)而言，尾車的點(diǎn)頭力矩增加400 N·m，增大7.09%.由此可見，鼻尖開閉機(jī)構(gòu)的開閉狀態(tài)對(duì)尾車的側(cè)滾力矩和搖頭力矩影響不大，但對(duì)點(diǎn)頭力矩有一定影響.

（a）頭車（b）尾車圖 5無橫風(fēng)環(huán)境下頭車和尾車受到的力矩

Fig.5Moments of head car and tail car under

noncrosswind environment

整車壓力云圖見圖6，開閉機(jī)構(gòu)局部放大壓力云圖見圖7.開閉機(jī)構(gòu)處于全閉和半開半閉狀態(tài)時(shí)，最大正壓位于頭車鼻尖處；處于全開狀態(tài)時(shí)，最大正壓位于頭車凹陷部分.3種開閉狀態(tài)的最大負(fù)壓均位于頭車排障器的底部位置.全開狀態(tài)時(shí)頭車截面流線見圖8.考慮對(duì)稱性，只取列車一側(cè)截面的流線.在凹陷部位有一個(gè)明顯的漩渦，且隨著與列車中截面y=0距離的增大，渦的中心位置逐漸向外移動(dòng)，直至在開口兩端處形成2個(gè)較小的漩渦.（a）全閉（b）全開（c）半開半閉圖 6無橫風(fēng)環(huán)境下整車壓力云圖，Pa

Fig.6Pressure contours of whole train under noncrosswind environment， Pa

（a）全閉（b）全開（c）半開半閉圖 7無橫風(fēng)環(huán)境下開閉機(jī)構(gòu)壓力云圖，Pa

Fig.7Pressure contours of opening and closing mechanism under noncrosswind environment， Pa

（a）y=0（b）y=-0.4 m（c）y=-0.8 m圖 8無橫風(fēng)環(huán)境下開閉機(jī)構(gòu)全開時(shí)頭車截面流線，m/s

Fig.8Sectional streamlines of head car while opening and close mechanism is fully opened under noncrosswind environment， m/s

3.2橫風(fēng)環(huán)境下的計(jì)算結(jié)果

計(jì)算時(shí)橫風(fēng)風(fēng)速為20 m/s，頭車受到的氣動(dòng)力見圖9.

（a）鼻尖部分（b）流線型部分（c）非流線型部分（d）頭車整體圖 9橫風(fēng)環(huán)境下頭車受到的氣動(dòng)力

Fig.9Forces of head car under crosswind environment

由圖9可知：全開狀態(tài)相對(duì)于全閉狀態(tài)而言，頭車鼻尖部分的阻力增加2 612 N，增大81.52%，頭車阻力增加2 377 N，增大258.37%；半開半閉A相對(duì)于全閉而言，鼻尖部分的阻力增加359 N，增大11.20%，頭車阻力增加371 N，增大40.33%；半開半閉B相對(duì)于全閉而言，鼻尖部分的阻力增加475 N，增大14.83%，頭車阻力增加449 N，增大48.80%；頭車流線型部分和非流線型部分受到的阻力相差不大.可見，鼻尖開閉機(jī)構(gòu)的開閉狀態(tài)對(duì)頭車阻力影響最大，主要是由于頭車鼻尖部分阻力增加造成的，且頭車阻力增加幅度約為鼻尖部分阻力增加幅度的3倍.鼻尖開閉機(jī)構(gòu)的開閉狀態(tài)對(duì)頭車受到的側(cè)向力和升力影響不大.整車受到的氣動(dòng)力矩見圖10，可以看出，鼻尖開閉機(jī)構(gòu)的開閉狀態(tài)對(duì)列車受到的側(cè)滾力矩、點(diǎn)頭力矩和搖頭力矩影響不大.

（a）頭車（b）中間車（c）尾車

圖 10橫風(fēng)環(huán)境下整車受到的力矩

Fig.10Moments of whole train under crosswind environment

整車壓力云圖見圖11，開閉機(jī)構(gòu)局部放大壓力云圖見圖12，可知：在開閉機(jī)構(gòu)處于全閉和半開半閉狀態(tài)B時(shí)，最大正壓位于頭車鼻尖處；在處于全開和半開半閉狀態(tài)A時(shí)，最大正壓位于頭車凹陷部分.3種開閉狀態(tài)的最大負(fù)壓均位于頭車排障器的底部位置.開閉機(jī)構(gòu)全開狀態(tài)時(shí)頭車截面流線見圖13，可知，列車迎風(fēng)側(cè)截面基本無漩渦產(chǎn)生，在中截面y=0處產(chǎn)生較大的漩渦，且隨著與列車中截面y=0距離的增大，渦的中心位置逐漸向外移動(dòng)，直至背風(fēng)側(cè)開口端部形成2個(gè)較小的漩渦.

（a）全閉（b）全開（c）半開半閉A（d）半開半閉B圖 11橫風(fēng)環(huán)境下整車壓力云圖，Pa

Fig.11Pressure contours of whole train under crosswind environment， Pa

（a）全閉（b）全開（c）半開半閉A（d）半開半閉B圖 12橫風(fēng)環(huán)境下開閉機(jī)構(gòu)壓力云圖，Pa

Fig.12Pressure contours of opening and closing mechanism under crosswind environment， Pa

半開半閉A和半開半閉B兩種模型的阻力和側(cè)向力差距不大.為進(jìn)一步分析這種現(xiàn)象，以半開半閉A模型為例，將鼻尖凹陷部分命名為headm，非凹陷部分命名為headn，見圖14.半開半閉B與半開半閉A的命名方式相同.半開半閉狀態(tài)鼻尖各部分阻力所占的百分比見圖15，可知，A模型凹陷部分的阻力和B模型非凹陷部分的阻力接近，A模型非凹陷部分的阻力和B模型凹陷部分的阻力接近，故兩者阻力值相差不大.對(duì)于側(cè)向力而言，A模型鼻尖凹陷部分和非凹陷的側(cè)向力各占鼻尖部分總側(cè)向力的一半；B模型非凹陷部分的側(cè)向力幾乎和鼻尖部分的總側(cè)向力相當(dāng)，故兩者總側(cè)向力相當(dāng).統(tǒng)計(jì)各部分的面積情況，其中headm部分的表面積為3.34 m2，headn部分的表面積為6.13 m2，頭車表面積為300.96 m2，凹陷部分的表面積占頭車表面積的百分比為1.11%.可見，鼻尖打開部分的面積與整體面積相比很小.除阻力以外，鼻尖開閉機(jī)構(gòu)的開閉狀態(tài)對(duì)列車的整體氣動(dòng)性能影響不大.

（a）y=0.8 m（b）y=0.4 m（c）y=0（d）y=-0.8 m（e）y=-0.4 m圖 13橫風(fēng)環(huán)境下開閉機(jī)構(gòu)全開時(shí)頭車全開截面流線，m/s

Fig.13Sectional streamlines of head car while opening and close mechanism is fully opened under crosswind environment， m/s

圖 14鼻尖部分的命名

Fig.14Names of front nose

（a）半開半閉A（b）半開半閉B圖 15鼻尖各部分阻力所占的百分比

Fig.15Drag percentage of front nose4結(jié)論

對(duì)不同鼻尖開閉狀態(tài)的某型號(hào)高速列車在無橫風(fēng)和橫風(fēng)環(huán)境下的氣動(dòng)性能進(jìn)行數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：

1）在無橫風(fēng)和橫風(fēng)環(huán)境下，鼻尖開閉機(jī)構(gòu)的開閉狀態(tài)對(duì)列車側(cè)向力和升力影響不大，但對(duì)阻力影響較大，主要由頭車鼻尖部分阻力變化較大引起.

2）在無橫風(fēng)環(huán)境下，列車頭部鼻尖部分受到的點(diǎn)頭力矩相差較大，但對(duì)頭車整體的點(diǎn)頭力矩影響不大.

3）在無橫風(fēng)環(huán)境下，鼻尖開閉機(jī)構(gòu)的開閉狀態(tài)對(duì)頭車和尾車的搖頭力矩和側(cè)滾力矩的影響不大，但對(duì)尾車的點(diǎn)頭力矩有一定影響.

4）在橫風(fēng)環(huán)境下，鼻尖開閉機(jī)構(gòu)的開閉狀態(tài)對(duì)列車受到的氣動(dòng)力矩影響不大.參考文獻(xiàn)：

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（編輯 武曉英）

（a）y=0.8 m（b）y=0.4 m（c）y=0（d）y=-0.8 m（e）y=-0.4 m圖 13橫風(fēng)環(huán)境下開閉機(jī)構(gòu)全開時(shí)頭車全開截面流線，m/s

Fig.13Sectional streamlines of head car while opening and close mechanism is fully opened under crosswind environment， m/s

圖 14鼻尖部分的命名

Fig.14Names of front nose

（a）半開半閉A（b）半開半閉B圖 15鼻尖各部分阻力所占的百分比

Fig.15Drag percentage of front nose4結(jié)論

對(duì)不同鼻尖開閉狀態(tài)的某型號(hào)高速列車在無橫風(fēng)和橫風(fēng)環(huán)境下的氣動(dòng)性能進(jìn)行數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：

1）在無橫風(fēng)和橫風(fēng)環(huán)境下，鼻尖開閉機(jī)構(gòu)的開閉狀態(tài)對(duì)列車側(cè)向力和升力影響不大，但對(duì)阻力影響較大，主要由頭車鼻尖部分阻力變化較大引起.

2）在無橫風(fēng)環(huán)境下，列車頭部鼻尖部分受到的點(diǎn)頭力矩相差較大，但對(duì)頭車整體的點(diǎn)頭力矩影響不大.

3）在無橫風(fēng)環(huán)境下，鼻尖開閉機(jī)構(gòu)的開閉狀態(tài)對(duì)頭車和尾車的搖頭力矩和側(cè)滾力矩的影響不大，但對(duì)尾車的點(diǎn)頭力矩有一定影響.

4）在橫風(fēng)環(huán)境下，鼻尖開閉機(jī)構(gòu)的開閉狀態(tài)對(duì)列車受到的氣動(dòng)力矩影響不大.參考文獻(xiàn)：

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（編輯 武曉英）

（a）y=0.8 m（b）y=0.4 m（c）y=0（d）y=-0.8 m（e）y=-0.4 m圖 13橫風(fēng)環(huán)境下開閉機(jī)構(gòu)全開時(shí)頭車全開截面流線，m/s

Fig.13Sectional streamlines of head car while opening and close mechanism is fully opened under crosswind environment， m/s

圖 14鼻尖部分的命名

Fig.14Names of front nose

（a）半開半閉A（b）半開半閉B圖 15鼻尖各部分阻力所占的百分比

Fig.15Drag percentage of front nose4結(jié)論

對(duì)不同鼻尖開閉狀態(tài)的某型號(hào)高速列車在無橫風(fēng)和橫風(fēng)環(huán)境下的氣動(dòng)性能進(jìn)行數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：

1）在無橫風(fēng)和橫風(fēng)環(huán)境下，鼻尖開閉機(jī)構(gòu)的開閉狀態(tài)對(duì)列車側(cè)向力和升力影響不大，但對(duì)阻力影響較大，主要由頭車鼻尖部分阻力變化較大引起.

2）在無橫風(fēng)環(huán)境下，列車頭部鼻尖部分受到的點(diǎn)頭力矩相差較大，但對(duì)頭車整體的點(diǎn)頭力矩影響不大.

3）在無橫風(fēng)環(huán)境下，鼻尖開閉機(jī)構(gòu)的開閉狀態(tài)對(duì)頭車和尾車的搖頭力矩和側(cè)滾力矩的影響不大，但對(duì)尾車的點(diǎn)頭力矩有一定影響.

4）在橫風(fēng)環(huán)境下，鼻尖開閉機(jī)構(gòu)的開閉狀態(tài)對(duì)列車受到的氣動(dòng)力矩影響不大.參考文獻(xiàn)：

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（編輯 武曉英）