25K型鐵路客車(chē)風(fēng)擋氣動(dòng)阻力模擬計(jì)算

趙博洋，李江利，李谷越

（1.新疆鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院組織人事處，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院產(chǎn)學(xué)合作處，新疆 烏魯木齊 830011；3.中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司豐臺(tái)機(jī)務(wù)段，北京 100071）

列車(chē)在運(yùn)行中受到的阻力主要分兩個(gè)類(lèi)型，分別是基本阻力和附加阻力。這其中基本阻力又分為機(jī)械阻力和空氣阻力。列車(chē)的空氣阻力由三方面所構(gòu)成，即壓差阻力、摩擦阻力和干擾阻力。一般而言，對(duì)于在準(zhǔn)高速以下行駛的列車(chē)而言空氣阻力在總阻力中所占比例不是最大的，但通過(guò)一些有效技術(shù)手段來(lái)降低列車(chē)的空氣阻力依然十分必要。

風(fēng)擋的作用是連接車(chē)輛與車(chē)輛，風(fēng)擋是列車(chē)車(chē)端連接裝置中的最重要的組成部分之一，同時(shí)也是列車(chē)乘務(wù)人員和旅客同志通行的安全通道。在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，風(fēng)擋主要起到密封及降噪等重要作用，來(lái)提高旅客乘坐時(shí)的舒適度。

1 物理模型

文章采用SolidWorks 2014軟件完成25K鐵路客車(chē)車(chē)體及風(fēng)擋的三維模型的設(shè)計(jì)，采用ANSYS fluent軟件完成模擬計(jì)算25K型客車(chē)車(chē)體風(fēng)擋處的外部流場(chǎng)；通過(guò)模擬計(jì)算，得到25K型客車(chē)車(chē)體風(fēng)擋處空氣跡線的流動(dòng)狀態(tài)；通過(guò)模擬，得到25K型客車(chē)車(chē)體風(fēng)擋處的氣動(dòng)阻力，并確定氣動(dòng)阻力與列車(chē)速度的關(guān)系；在車(chē)體的風(fēng)擋處增設(shè)外風(fēng)擋，驗(yàn)證了可以起到降低氣動(dòng)阻力的目的。

2 氣動(dòng)阻力模擬分析

在完成前期的三維建模步驟后，就要計(jì)算25K鐵路客車(chē)風(fēng)擋處的氣動(dòng)阻力的大小，可以通過(guò)軟件CFD（Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體力學(xué)）ANSYS FLUENT 14.5對(duì)25K鐵路客車(chē)風(fēng)擋處進(jìn)行了氣動(dòng)阻力模擬分析。

為了比較沒(méi)有加外風(fēng)擋的25K鐵路客車(chē)與加了外風(fēng)擋25K鐵路客車(chē)的氣動(dòng)阻力大小，驗(yàn)證外風(fēng)擋是否可以減小25K鐵路客車(chē)的氣動(dòng)阻力這一假設(shè)，現(xiàn)將模擬風(fēng)洞的風(fēng)速分別設(shè)置為 50 km/h、100 km/h、150 km/h、200 km/h，然后計(jì)算了兩種的壓差阻力和摩擦阻力。為了更加明顯地比較出兩種不同風(fēng)擋的客車(chē)在相同速度時(shí)的空氣總阻力，現(xiàn)利用Grapher軟件繪制出2種風(fēng)擋的速度-氣動(dòng)阻力圖。如圖1所示。

圖1 速度-氣動(dòng)阻力擬合曲線

由圖1可知，加外風(fēng)擋的25K客車(chē)，其端部連接處因采用全包圍的外風(fēng)擋，優(yōu)化了列車(chē)連接處流線形狀，其氣動(dòng)阻力系數(shù)明顯低于只有內(nèi)風(fēng)擋的客車(chē)。據(jù)計(jì)算結(jié)果可知速度越高空氣阻力差別越大，比較計(jì)算在200km/h時(shí)，外風(fēng)擋列車(chē)的空氣阻力比沒(méi)有加外風(fēng)擋的列車(chē)小大約33%。通過(guò)對(duì)比分析可知，加掛外風(fēng)擋可以顯著降低列車(chē)的氣動(dòng)阻力。

3 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)擋作為列車(chē)車(chē)輛系統(tǒng)的重要組成部分，其自身的氣動(dòng)阻力與旅客乘坐的舒適度有較大關(guān)系。利用風(fēng)擋的氣動(dòng)阻力模擬分析這一途徑，能對(duì)鐵路客車(chē)風(fēng)擋外形的設(shè)計(jì)開(kāi)辟一種新的研究途徑，文章以25K鐵路客車(chē)橡膠風(fēng)擋作為研究對(duì)象，模擬計(jì)算其氣動(dòng)阻力，然后通過(guò)與加掛外風(fēng)擋的25K鐵路客車(chē)的氣動(dòng)阻力相比較發(fā)現(xiàn)加了外風(fēng)擋的25K鐵路客車(chē)的氣動(dòng)阻力要明顯小于只有橡膠風(fēng)擋的列車(chē)。據(jù)計(jì)算結(jié)果可知速度越高空氣阻力差別越大，在200km/h時(shí)，外風(fēng)擋列車(chē)的空氣阻力比沒(méi)有加外風(fēng)擋的列車(chē)小33%。