空調(diào)安裝方式優(yōu)化對列車氣動特性影響研究

洪琪琛，楊明智，丁暢

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空調(diào)安裝方式優(yōu)化對列車氣動特性影響研究

洪琪琛，楊明智，丁暢

(中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410075)

基于三維、不可壓和定常N-S方程的數(shù)值模擬計(jì)算方法，從空調(diào)機(jī)組的安裝位置和高度等2個方向著手，分析不同方案下列車運(yùn)行時的氣動特性。研究結(jié)果表明：當(dāng)頭車空調(diào)位置遠(yuǎn)離車頭、尾車空調(diào)位置靠近車尾時列車總阻力最大，較之其他方案大2.66%左右；空調(diào)阻力隨著車體高度增加而逐漸減小，當(dāng)車體增加高度達(dá)到350 mm時，3節(jié)車總阻力下降7.55%，但與此同時，列車在橫風(fēng)環(huán)境下運(yùn)行穩(wěn)定性變差。

高速列車；數(shù)值計(jì)算；外形優(yōu)化；空調(diào)機(jī)組；氣動特性

高速鐵路作為國內(nèi)外最重要的交通運(yùn)輸方式，具有運(yùn)輸量大、環(huán)保經(jīng)濟(jì)和安全性高等優(yōu)點(diǎn)。由于高速列車是在地面上高速運(yùn)行的細(xì)長體，導(dǎo)致一系列空氣動力學(xué)問題。當(dāng)列車運(yùn)行速度超過200km/h時，氣動阻力占總阻力70%左右，且隨著列車運(yùn)行速度的提高，其氣動阻力占比越高[1?3]。為了減少列車運(yùn)行時空氣阻力，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量關(guān)于列車整體外形優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究并取得顯著成果[4?6]，隨著列車整體外形優(yōu)化進(jìn)入瓶頸期，人們開始探究列車局部設(shè)備優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)減阻。胡勇等[7]采用數(shù)值模擬和實(shí)車實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究空調(diào)進(jìn)出氣口和風(fēng)道內(nèi)的氣動性能隨車速變化的規(guī)律，得出不同車速和各方案進(jìn)出氣口的風(fēng)量變化情況，對空調(diào)設(shè)備的選取和設(shè)計(jì)提供建議。肖云華等[8]采用數(shù)值計(jì)算的方式研究了8節(jié)車編組的動車組明線工況下運(yùn)行時空調(diào)表面的壓力沿車長和車寬方向的分布規(guī)律，并對空調(diào)裝置的安裝位置給出了意見。國內(nèi)對于列車空調(diào)裝置優(yōu)化的研究主要集中于空調(diào)進(jìn)、排風(fēng)道的外形設(shè)計(jì)和風(fēng)機(jī)外形優(yōu)化，主要研究目的是空調(diào)裝置對列車內(nèi)流場和車廂內(nèi)舒適度的影響[9?11]，對空調(diào)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)減阻和提升列車在橫風(fēng)環(huán)境下運(yùn)行穩(wěn)定性的研究較少。在安裝空調(diào)設(shè)備時，考慮其設(shè)備自身的重量，列車空調(diào)的冷凝器和散熱器一般都放置在列車的頂部，空調(diào)裝置作為列車頂部的凸起部件，在列車實(shí)際運(yùn)行中，容易在其安裝區(qū)域出現(xiàn)空氣分流現(xiàn)象，從而加大列車運(yùn)行時的空氣阻力。本文采用數(shù)值模擬方法，分析空調(diào)不同的安裝位置和安裝高度對列車運(yùn)行時阻力的影響，從而找到一個最合理的優(yōu)化方案，為列車空調(diào)機(jī)組的設(shè)計(jì)及安裝提供一定的參考依據(jù)。

1 控制方程

本文研究中的車速為350 km/h，馬赫數(shù)小于0.3，因而引起的空氣流動是不可壓縮的湍流流動，針對不可壓縮流的基本控制方程進(jìn)行求解。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，單位時間內(nèi)流入流體微元的質(zhì)量和流出流體微元的質(zhì)量相等，可導(dǎo)出不可壓縮流體運(yùn)動的質(zhì)量守恒方程[12?13]：

根據(jù)動量守恒定律：作用于流體微元上所有作用力的和與微元體中流體動量增長率相等，可得到3個方向的動量守恒方程：

式中：u為流場速度，代表，和3個坐標(biāo)方向的速度分量；x或x為3個坐標(biāo)，代表，和3個坐標(biāo)分量；為流體密度，在不可壓縮流中為常數(shù)；為壓力；為空氣動力黏度。

-雙方程模型在列車周圍空氣流場流動的湍流數(shù)值模擬中應(yīng)用最為廣泛，控制方程組見文 獻(xiàn)[14?15]。

2 計(jì)算模型

2.1 動車模型

我國高速列車通常采用8節(jié)車編組，由于列車中部截面保持不變，縮短后的模型不會改變列車流場結(jié)構(gòu)的基本特征，為了提高計(jì)算效率，本文的動車模型均采用3節(jié)車編組，即頭車+中間車+尾車，頭車及尾車長度為26.5 m，中間車長度為25 m，車高3.7 m，車寬3.4 m。除空調(diào)裝置及轉(zhuǎn)向架外，車體表面一些細(xì)小部件均不考慮。圖1為原始動車 模型。

圖1 高速列車原始模型

為了研究空調(diào)安裝位置對整車和其他設(shè)備的氣動性能的影響，采取4種安裝位置進(jìn)行研究：以位置1為基準(zhǔn)，位置2為頭車車頂?shù)目照{(diào)向車頭方向移動了6 800 mm，位置3為頭車空調(diào)和尾車空調(diào)分別向車頭方向和車尾方向移動了6 800 mm；位置4為尾車空調(diào)向車尾方向移動了6 800 mm?？照{(diào)安裝位置如圖2所示。

(a) 位置1；(b) 位置2；(c) 位置3；(d) 位置4

在保證車廂內(nèi)部的空間前提下，列車高度是有最低限度的，再加上頂部進(jìn)氣排氣通道和電路設(shè)備的存在，幾乎沒有了埋入空調(diào)裝置的空間，因此沒有辦法通過下沉空調(diào)高度以達(dá)到減阻目的，而只能考慮將車身加高，以達(dá)到空調(diào)高度降低的效果?；谝陨纤悸?，本文設(shè)計(jì)3種高度的列車模型：1) 車高為3 700 mm，此時空調(diào)導(dǎo)流罩完全露出車頂，車體增加的高度=0；2) 車高為3 860 mm，此時空調(diào)導(dǎo)流罩有一部分已經(jīng)埋入車頂，車體增加的高度=160；3) 車高為4 050 mm，此時空調(diào)導(dǎo)流罩已經(jīng)完全埋入車頂，車體增加的高度=350。具體模型見圖3。

(a) h=0 mm；(b) h=160 mm；(c) h=350 mm

2.2 計(jì)算區(qū)域、網(wǎng)格及邊界條件

據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)BSEN 14067，計(jì)算域邊界不應(yīng)干擾車輛周圍流場，計(jì)算域應(yīng)保證流場充分發(fā)展：計(jì)算區(qū)域上游不小于8倍特征高度，計(jì)算域下游不小于16倍特征高度[16?17]。特征高度定義為列車頂面距離地面的距離，本文所有工況均為平地運(yùn)行，因此特征高度取車高=3.7 m。列車車輪底面距軌面高度為0.2 m，為便于設(shè)定入口及出口邊界條件，計(jì)算區(qū)域上游入口處和下游出口處都盡量遠(yuǎn)離車體，避免受來流或者尾流的影響。如圖4(a)所示為列車在明線運(yùn)行時的計(jì)算區(qū)域，區(qū)域前端面定義為速度入口，距離動車組鼻尖點(diǎn)為27，速度與列車運(yùn)行速度相等，均為97.22 m/s，方向相反；為消除地板附面層的影響，地面給定與速度入口一致的滑移邊界條件；區(qū)域尾端距離動車組尾部60，給定壓力出口邊界條件，靜壓為0 Pa，兩側(cè)面及頂面定義為對稱面邊界條件，車體表面為無滑移壁面邊界條件。圖4(b)為列車在橫風(fēng)環(huán)境下運(yùn)行時的計(jì)算區(qū)域，在橫風(fēng)環(huán)境下除了有與列車進(jìn)行相對運(yùn)動形成的流場之外，還有自然環(huán)境導(dǎo)致的橫風(fēng)，風(fēng)速為20 m/s，方向沿軸正方向流動，入口面IJNM及面JKON均定義為速度入口邊界條件，面LKOP及面ILPM均定義為壓力出口邊界條件，靜壓為0 Pa，車體表面采用無滑移壁面邊界條件。

(a) 明線環(huán)境下計(jì)算域；(b) 橫風(fēng)環(huán)境下計(jì)算域

在網(wǎng)格離散過程中，對列車周圍的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理以保證計(jì)算的精確，同時在列車尾部后方流場由于尾渦的存在，該區(qū)域也進(jìn)行了加密處理，除轉(zhuǎn)向架和受電弓等復(fù)雜設(shè)備采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行離散外，車體表面的物面網(wǎng)格為四面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，具體網(wǎng)格圖見圖5。明線工況下網(wǎng)格總數(shù)為5 500萬，橫風(fēng)工況下網(wǎng)格總數(shù)為5 800萬。

圖5 計(jì)算網(wǎng)格

2.3 數(shù)值方法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，在中國空氣動力研究與發(fā)展中心的8 m×6 m的風(fēng)洞進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，用1:8的縮比模型的試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對比。試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缗c計(jì)算模型尺寸一致，為3節(jié)車編組，為了便于分析，將各氣動力和力矩進(jìn)行無量綱化進(jìn)行對比。各氣動力系數(shù)和力矩系數(shù)分別定義為：

=/(∞) (3)

=/(∞) (4)

=/(∞) (5)

=/(∞) (6)

式中：∞=0.5v2，為動壓；為氣流密度，通常取1.225 kg/m3；為列車橫截面面積，在本試驗(yàn)中=0.19 m2；為阻力；為側(cè)向力；為升力；為傾覆力矩；為橫向參考長度，在試驗(yàn)中取0.203 m，傾覆力矩的取矩點(diǎn)為列車背風(fēng)側(cè)輪軌接觸點(diǎn)；為阻力系數(shù)；為側(cè)向力系數(shù)；為升力系數(shù)；為傾覆力矩系數(shù)。

數(shù)值計(jì)算模型完全依照風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?，地面邊界條件設(shè)置為固定壁面，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對比如表1所示，數(shù)值計(jì)算與風(fēng)洞試驗(yàn)整車阻力相差4.21%，數(shù)值計(jì)算準(zhǔn)確可靠，滿足工程應(yīng)用的要求。

表1 風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對比

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 列車表面壓力分布

圖6為列車明線工況下以350 km/h運(yùn)行，4種不同空調(diào)機(jī)組安裝位置，列車鼻尖點(diǎn)頂部區(qū)域縱截面車體表面壓力系數(shù)沿車長方向分布情況。觀察圖中壓力分布曲線，沿車長方向，頭車空調(diào)壓力變化要明顯大于中車和尾車空調(diào)。位置2和位置3在頭車空調(diào)迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)曲面過渡處的負(fù)壓絕對值均大于位置1和位置4；位置3和位置4在尾車空調(diào)曲面過渡處的負(fù)壓絕對值要大于位置1和位置2。因此可以得出，靠近車頭和車尾的空調(diào)裝置的最大負(fù)壓絕對值要大于遠(yuǎn)離車頭和車尾的空調(diào)裝置的最大負(fù)壓絕對值。

圖6 列車縱截面壓力系數(shù)

圖7為不同車高方案下空調(diào)表面的壓力云圖，隨著車高的增加，空調(diào)的高度減小，空調(diào)裝置對流場的阻滯減弱，空調(diào)迎風(fēng)面的正壓減小，前面的研究中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)空調(diào)的阻力主要受迎風(fēng)面正壓的影響，故空調(diào)的阻力減小?？照{(diào)高度的降低也使得空調(diào)導(dǎo)流曲面對流場的加速效應(yīng)減弱，流場速度減小，使空調(diào)頂部曲面過渡處的最大負(fù)壓絕對值減小。繞過空調(diào)頂部的流場一部分會沿著空調(diào)背面下沖，直接作用于風(fēng)擋，空調(diào)高度降低后，下沖作用于風(fēng)擋的氣流減少，故風(fēng)擋的正壓減小。

當(dāng)車體增加的高度達(dá)到350 mm時，空調(diào)已經(jīng)完全埋入車頂，車頂?shù)牧鲌龅姆植际志鶆?，但由于列車高度的增加，如圖7所示，車頭的流線型拉長，過渡曲面處拐點(diǎn)后移，對流場的加速效應(yīng)增強(qiáng)，故車頭曲面過渡處的負(fù)壓面積會增大，頭車升力也會因此改變，且最大負(fù)壓的位置較=0和=160時更靠后。

(a) h=0 mm；(b) h=160 mm；(c) h=350 mm

3.2 氣動力結(jié)果分析

表2為明線運(yùn)行時不同安裝位置的空調(diào)列車各部位阻力系數(shù)和升力系數(shù)。頭車空調(diào)在位置2和位置3時頭車的阻力系數(shù)大于在位置1和位置4時，說明頭車空調(diào)在靠近車頭位置時，頭車的阻力系數(shù)增大；尾車空調(diào)在位置1和位置2時尾車的阻力系數(shù)要大于在位置3和位置4時，說明尾車空調(diào)在靠近車尾位置時，尾車的阻力系數(shù)會減小。對整車來說，位置1的阻力系數(shù)稍大于位置2和位置3，位置4的阻力系數(shù)最大，比位置3的阻力系數(shù)大2.66%。頭車和中車的升力為負(fù)，尾車升力為正，說明頭車的空調(diào)在靠近車頭時，升力系數(shù)會增大；尾車升力系數(shù)在位置3和位置4時更小，說明尾車升力系數(shù)在空調(diào)靠近車尾位置時會減小。

表3為明線運(yùn)行時不同車高的空調(diào)列車各部位氣動力系數(shù)。隨著增加到350 mm，頭車、中車和尾車的阻力系數(shù)分別減少1.41%，11.30%和15.38%，列車的總阻力系數(shù)減少7.55%，由此可見，采取增加車高的方式對尾車的減阻效果最好，中間車次之，對頭車的減阻效果不明顯。

表2 不同安裝位置下列車氣動力系數(shù)

表3 不同車高下列車氣動力系數(shù)

升力方面，從大小來看，頭車的升力系數(shù)變化了26.32% ，中車升力系數(shù)變化了26.53%，尾車的升力系數(shù)變化了27.08%，從方向來看，頭車和中車的升力方向?yàn)樨?fù)，尾車方向?yàn)檎?。可見，列車高度的變化對列車升力的影響非常大，這可能也與明線運(yùn)行時升力基數(shù)很小有關(guān)。

由于是通過列車車身高度增加，這樣增加了橫風(fēng)情況下的迎風(fēng)面積，必須分析其在橫風(fēng)環(huán)境下的側(cè)向力和傾覆力矩。表4為橫風(fēng)工況下列車各部位的氣動力系數(shù)隨車身高度變化規(guī)律。在同一車高的工況中，列車各部位的側(cè)向力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)大小關(guān)系為：頭車最大，尾車最小。隨著車身高度增加，列車的側(cè)向力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)都變大。頭車、中車和尾車的側(cè)向力系數(shù)分別增加了1.91%，9.07%和10.42%，受電弓的側(cè)向力系數(shù)變化不大。頭車、中車和尾車的傾覆力矩系數(shù)分別增加了4.44%，8.39%和5.99%，受電弓的傾覆力矩系數(shù)增加了1.54%。由此可知，隨著列車高度的增加，列車在橫風(fēng)下的穩(wěn)定性會變差。

表4 橫風(fēng)下不同車高下列車氣動力系數(shù)

3.3 流線分布

圖8為頭車頂部的空調(diào)裝置縱剖面流線圖，列車周圍區(qū)域用速度進(jìn)行渲染，將車體顏色設(shè)置為白色以便區(qū)別于周圍速度流場。隨著列車高度的增加，空調(diào)高度則會降低，流場流線變得更加平順，流場在空調(diào)曲面過渡處的流速減小，風(fēng)擋上方區(qū)域流場流速加快。當(dāng)=0時，由于空調(diào)裝置的迎風(fēng)面對來流空氣的阻擋作用，相當(dāng)一部分的空氣被滯止，在滯止區(qū)域形成一個高壓區(qū)，其余空氣沿著空調(diào)迎風(fēng)面向上，在空調(diào)迎風(fēng)面和水平面之間存在一個曲率較大的過渡區(qū)域，此處空氣速度達(dá)到最大，形成一個低壓區(qū)?？諝獯撕笱刂照{(diào)機(jī)組水平面向后發(fā)展，在內(nèi)風(fēng)擋和外風(fēng)擋之間的區(qū)域產(chǎn)生了2個對稱的旋渦，由于該區(qū)域幾何尺度狹窄，氣流流向改變較小。

隨著列車高度增加，風(fēng)擋空腔靠迎風(fēng)一側(cè)開始受流，旋渦消失，僅剩背風(fēng)一側(cè)的旋渦，且該旋渦的幾何尺寸隨著空調(diào)高度的減小而變大。

(a) h=0 mm；(b) h=160 mm；(c) h=350 mm

通過增加列車車身高度以達(dá)到降低空調(diào)機(jī)組高度的效果，可以較大地減小空調(diào)自身的氣動阻力，但是該方案增加了車體的高度，高速列車速度高、自重較輕、抗傾覆能力低，尤其是在強(qiáng)橫風(fēng)的作用下，列車氣動性能惡化，列車所受的空氣阻力和升力迅速增加，影響了列車的橫向穩(wěn)定性，嚴(yán)重時甚至將導(dǎo)致列車發(fā)生脫軌等事故，社會影響極大。因此必須對該方案的橫風(fēng)氣動特性進(jìn)行評估。

圖9為頭車空調(diào)位置列車橫截面的流線圖，橫風(fēng)從列車上方繞過車頂后在列車背風(fēng)側(cè)形成了一個旋渦，可以明顯看出不同車高下漩渦的幾何尺度存在差異，由于車高的增加，空調(diào)機(jī)組的高度降低，空調(diào)導(dǎo)流罩對流場的加速效應(yīng)減弱，空調(diào)頂部流場流速減小。

(a) h=0 mm；(b) h=160 mm；(c) h=350 mm

4 結(jié)論

1) 沿車長方向，頭車空調(diào)區(qū)域的壓力變化要明顯大于中車及尾車空調(diào)區(qū)域的壓力變化；靠近車頭和車尾的空調(diào)裝置的最大負(fù)壓絕對值要大于遠(yuǎn)離車頭和車尾的空調(diào)裝置的最大負(fù)壓絕對值。

2) 當(dāng)頭車和尾車車頂?shù)目照{(diào)分別向車頭和車尾方向移動時，頭車的阻力系數(shù)會增大，尾車的阻力系數(shù)會減小，二者變化的程度不一樣，對整車來說，列車的阻力系數(shù)在位置4時最大，比其他方案的阻力系數(shù)大2.66%左右。

3) 隨著車體高度的增加，頭車、中車和尾車的阻力系數(shù)均在減小，尾車受影響的程度最大，當(dāng)從0 mm增加到350 mm時，整車的阻力系數(shù)減少7.55%。

4) 隨著車體高度的增加，列車在橫風(fēng)下的傾覆力矩系數(shù)增加，因此，要根據(jù)具體的運(yùn)行條件選取更優(yōu)方案，若列車在常年有大風(fēng)的環(huán)境下運(yùn)行，如新疆地區(qū)，此時列車所受的氣動力會因受到自然風(fēng)的影響而出現(xiàn)明顯的波動，則選取=0 mm的方案，即不應(yīng)該對車身進(jìn)行加高；若列車在環(huán)境風(fēng)很小的地區(qū)運(yùn)行，則選取=350 mm的方案更優(yōu)。

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(編輯 陽麗霞)

Study of the optimization of air conditioner installation mode’s effect on aerodynamic performance of high speed train

HONG Qichen, YANG Mingzhi, DING Chang

(Key Laboratory of Traffic Safety on Track, Ministry of Education, School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Based on steady N-S equation of three-dimensional and uncompressible viscous fluid, the aerodynamic characteristics of the train under different schemes are simulated from two directions: the installation position and the height of the air conditioner. The results indicate that when the position of head car’s air conditioner is far from the front while the air conditioner position of the tail car keep close to the end of the train, the total resistance turns out to be the maximum, which is 2.6% higher than other programs; The resistance of the air conditioner decreases as the height of the train increases, when the increase of train height reaches 350 mm, the total resistance of three cars decreased by 7.55%, but at the same time the stability of the train running in the cross-wind will be worse.

high speed train; numerical calculation; shape optimization; air conditioner; aerodynamic performance

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.10.024

U270.38+3

A

1672 ? 7029(2018)10 ? 2631 ? 08

2017?08?13

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U11372360)；國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015BAG12B01)

楊明智(1972?)，男，湖南望城人，副教授，從事空氣動力學(xué)研究；E?mail：yqyymz@126.com