明線運行列車氣動地面效應(yīng)數(shù)值模擬

張 勝，戴志遠，李 田

明線運行列車氣動地面效應(yīng)數(shù)值模擬

張 勝1，戴志遠2，李 田2

（1. 西南交通大學(xué)，軌道交通國家實驗室（籌），成都 610031；2. 西南交通大學(xué)，牽引動力國家重點實驗室，成都 610031）

通過數(shù)值仿真方法研究了滑移地面以及旋轉(zhuǎn)輪對對明線運行列車氣動性能的影響。首先, 建立了三車編組列車計算模型, 考慮固定和滑移兩種不同的地面邊界條件、固定和滑移兩種不同的路基邊界條件、靜止和旋轉(zhuǎn)兩種不同的輪對邊界條件; 其次, 基于風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)驗證了數(shù)值仿真的可靠性, 表明了剪切應(yīng)力運輸湍流模型和網(wǎng)格劃分的可行性和有效性; 最后, 對比四種不同組合下的明線運行列車氣動性能。研究結(jié)果表明: 固定地面將得到偏低的列車氣動阻力系數(shù), 約減少4.27%; 滑移路基使得尾車氣動阻力系數(shù)和整車阻力增加約1.87%, 引起這一差異主要原因在于地面和路基的表面附面層厚度差異; 靜止輪對和旋轉(zhuǎn)輪對對列車氣動阻力和升力系數(shù)都小于1.0%，因此, 列車氣動風(fēng)洞試驗可以忽略輪對旋轉(zhuǎn)的影響, 考慮地面邊界和路基邊界的影響。

地面效應(yīng)；列車空氣動力學(xué)；氣動性能；滑移地面；旋轉(zhuǎn)輪對

0 引 言

高速列車是一種貼地運行的交通工具，地面對列車運行時的氣動性能可能存在影響。目前，研究列車空氣動力學(xué)的主要方法包括理論分析、風(fēng)洞試驗[1-2]和數(shù)值模擬[3-7]。由于列車外形的復(fù)雜性，列車空氣動力學(xué)相關(guān)的理論分析應(yīng)用較少，實車試驗較為廣泛，但主要都是針對列車會車[8]、通過隧道[9]等測試。明線運行列車的空氣動力學(xué)研究工作主要采用風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬，兩者相輔相成。風(fēng)洞試驗數(shù)值結(jié)果可以驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性[4-7]，而數(shù)值模擬可以更加全面地了解列車氣動性能，包括表面壓力和流場等[4-7]。

風(fēng)洞試驗主要針對列車頭型及其他涉及減小氣動阻力的優(yōu)化方案，黃志祥等[10]通過風(fēng)洞試驗研究了空調(diào)導(dǎo)流罩、車身側(cè)面裙板和外風(fēng)擋的減阻優(yōu)化效果，為高速列車減小氣動阻力和外形優(yōu)化提供了參考依據(jù)。張在中等[2]通過風(fēng)洞試驗對比了以CRH2為原型的4種不同縱向長細(xì)比高速列車模型氣動性能，分析了雷諾數(shù)對列車氣動力系數(shù)的影響。研究結(jié)果表明：列車流線型頭部越長越有利于降低空氣阻力；當(dāng)列車流線型長度相差不大時，縱向長細(xì)比系數(shù)越大越利于減阻。黃志祥等[11]研究了列車風(fēng)洞試驗?zāi)M方式和試驗條件等因素對試驗結(jié)果的影響，尤其是氣動阻力。路基的存在會使得頭車、中間車、尾車和整車的氣動阻力都明顯減小，并給出了路基前端距離車頭的長度建議和路基前端斜坡坡度建議，此外，固定地板表面附面層厚度偏大，將導(dǎo)致氣動阻力試驗結(jié)果偏小。夏超等[12]利用數(shù)值模擬方法對列車風(fēng)洞試驗的地面效應(yīng)問題進行研究，比較了移動地面、靜止地面和不同離地間隙工況下氣動性能。Zhang等[13]利用分離渦模型對CRH2的地面效應(yīng)開展了類似研究；賴晨光等[14]通過對單向翼翼型的優(yōu)化，改善了一種氣動懸浮列車的地面效應(yīng)；PREMOLI等[15]比較了橫風(fēng)作用下靜止列車和運行列車的氣動性能差異。

由于地面效應(yīng)很難通過實車試驗來獲取且風(fēng)洞試驗對風(fēng)洞地面性能要求較高，數(shù)值模擬可以通過驗證并對不同的地面條件以及輪對旋轉(zhuǎn)等效應(yīng)開展研究。部分研究[16-17]對橫風(fēng)下列車空氣動力學(xué)進行了數(shù)值仿真，但是未詳細(xì)分析地面效應(yīng)；有部分研究[11-14]通過數(shù)值仿真或者風(fēng)洞試驗方法探討了列車空氣動力學(xué)的地面效應(yīng)，但是未考慮輪對旋轉(zhuǎn)或者滑移路基等因素。本文主要利用數(shù)值仿真方法研究滑移地面、滑移路基以及旋轉(zhuǎn)輪對對明線運行列車氣動性能的影響，并闡述列車表面壓力及周圍流場的差異。

1 計算模型、網(wǎng)格及方法

1.1 列車計算模型

圖1為風(fēng)洞試驗中的三車編組列車模型，縮尺比例為1/8，包括頭車、一節(jié)中間車、尾車、拖車轉(zhuǎn)向架、動車轉(zhuǎn)向架、風(fēng)擋、路基和軌道。頭車和中間車的長度分別為26.25m和24.5m，三車編組總長度為78m。車體寬度為3.76m，車體高度為3.7m，中間車車與車之間的風(fēng)擋留有10mm間隙。

1.2 計算區(qū)域及邊界

圖2（a）給出了計算區(qū)域及邊界條件，其中入口距列車鼻尖10，左右側(cè)及頂部距離列車10，車尾距離出口20。入口速度in為97.22m/s（350km/h），左右側(cè)及頂部均設(shè)置為對稱邊界，出口設(shè)置為壓力出口邊界，列車表面均設(shè)置為無滑移壁面，地面及輪對根據(jù)不同工況設(shè)置不同。圖（b）給出了旋轉(zhuǎn)輪對及輪軸。

表1給出了四種數(shù)值仿真模擬工況，其中地面包括固定和滑移邊界，路基包括固定和滑移邊界，輪對包括固定和旋轉(zhuǎn)兩種情況。由于計算量較大且主要對比不同部位兩種不同邊界條件的影響，因此選用四種工況。

表1 四種數(shù)值仿真工況

Tab.1 Four cases for the numerical simulation

1.3 計算方法

數(shù)值仿真選取SST-湍流模型[4]，計算使用雙精度模型，壓力速度耦合方程選取SIMPLEC算法。壓力、動量和密度方程均使用二階迎風(fēng)離散格式，所有計算均采用CFD商業(yè)軟件ANSYS FLUENT 15.0。

1.4 計算網(wǎng)格

網(wǎng)格主要以六面體為主，四面體為輔。車體表面網(wǎng)格尺寸為基準(zhǔn)尺寸的1/32至1/64，轉(zhuǎn)向架表面網(wǎng)格尺寸為基準(zhǔn)尺寸的1/64至1/128，車體及轉(zhuǎn)向架附近都劃分了邊界層，第一層網(wǎng)格高度為0.05mm，保證車體壁面+為1左右。兩種不同基準(zhǔn)尺寸0.14m和0.1m下的計算網(wǎng)格數(shù)量分別為5 383.22萬和8 632.47萬，生成的計算截面及附近網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 計算網(wǎng)格

表2給出了不同網(wǎng)格數(shù)量下頭車阻力和升力系數(shù)的結(jié)果比較，從中可以看出，網(wǎng)格數(shù)量從5 383.22萬增加到8 632.47萬，頭車阻力系數(shù)和升力系數(shù)基本沒有變化，誤差在1.5%內(nèi)，因此，后續(xù)計算均采用網(wǎng)格1。

表2 網(wǎng)格數(shù)量對頭車氣動力系數(shù)的影響

2 計算結(jié)果

計算結(jié)果比較主要包括以下三個方面：氣動力系數(shù)、速度分布和壓力分布。

2.1 氣動力系數(shù)比較

表3給出了四種工況下數(shù)值仿真得到的氣動阻力系數(shù)、升力系數(shù)與風(fēng)洞試驗結(jié)果的對比。從表3可以看出，工況2的計算結(jié)果從各車及整車角度幾乎最接近風(fēng)洞試驗的阻力系數(shù)，整車氣動阻力系數(shù)誤差為1.09%。當(dāng)采用固定地面時，將引起附面層厚度的增加，所以工況1中頭車、中間車和尾車的氣動阻力系數(shù)均小于工況2的計算結(jié)果，考慮固定地面得到的整車氣動阻力系數(shù)要減少4.27%；當(dāng)考慮滑移地面和滑移路基時，尾車氣動阻力和整車阻力系數(shù)均有一定的增加（約增加1.87%）；工況3和工況4得到的阻力系數(shù)相對誤差僅為0.63%，即旋轉(zhuǎn)輪對對氣動阻力系數(shù)基本沒有影響。

表3 不同工況下數(shù)值仿真計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比

各工況下頭車的升力向下，中間車的升力接近于0，尾車的升力向上。考慮滑移地面和滑移路基時對頭車和尾車的升力有一定的影響，旋轉(zhuǎn)輪對對頭車和尾車的升力影響較小。

表4給出了四種工況下數(shù)值仿真得到的典型部件氣動阻力系數(shù)對比。頭車車體的氣動阻力系數(shù)最大，尾車次之，六個轉(zhuǎn)向架中頭車一位端轉(zhuǎn)向架的氣動阻力系數(shù)最大，這與其位置相關(guān)?；频孛鎸︻^車車體的氣動阻力影響較大，滑移基對轉(zhuǎn)向架的氣動阻力影響較大，旋轉(zhuǎn)輪對對車體及轉(zhuǎn)向架的氣動阻力系數(shù)基本沒有影響。

表4 不同工況下主要部件氣動阻力系數(shù)對比

2.2 速度分布比較

圖4給出了不同工況下縱向中心截面（= 0 m）的速度云圖。從圖中可以看出路基前端和頭車鼻尖流線型部位上方的氣流速度明顯增加。尾車車體底板的速度比頭車車體下方的速度慢，這是由于車體附面層的發(fā)展，遠離流場入口的位置附面層高度增加，速度變小。

當(dāng)采用固定地面時，路基前方的地面附面層高度不斷增加（見圖（a）），路基前端上方較近位置的氣流加速效應(yīng)更加明顯，而在路基上方較高處的氣流速度較小，較高處氣流速度的差異造成了列車流線型附近區(qū)域速度的差異（比較圖（a）和（b）的路基前端）。考慮了滑移地面以后，列車流線型附近區(qū)域的速度較大（見圖（a）與其他圖的比較）。

相比固定路基工況，考慮滑移路基時頭車和尾車車體下方的速度所有下降，而頭車車體上方的高速區(qū)域有所增加，輪對旋轉(zhuǎn)與否對周圍氣流的影響較小。

圖4 不同工況下縱向中心截面速度云圖

2.3 壓力分布比較

圖5為頭車縱向中心剖面（= 0 m）壓力沿縱向距離的分布曲線，從圖中可以看出，不同工況下的壓力分布規(guī)律一致，排障器處的正壓最大，頭車鼻尖處的正壓次之；排障器后方的負(fù)壓幅值最大，轉(zhuǎn)向架區(qū)域附近也出現(xiàn)較大的負(fù)壓。工況3和工況4的壓力曲線基本重合，因此，兩種情況下的頭車氣動力系數(shù)基本一致。從圖5（b）可知，相比鼻尖同一位置，工況1鼻尖壓力幅值幾乎處處最小，因此，工況1下的頭車氣動阻力系數(shù)最??；工況2鼻尖壓力幅值幾乎處處最大，因此，工況2下的頭車氣動阻力系數(shù)最大。從圖5可以看出，滑移地面和滑移路基情況下，頭車車頂?shù)膲毫Ψ德源笥诠潭坊闆r，因此，頭車的升力系數(shù)要大于固定路基下的系數(shù)。

圖6為尾車縱向中心剖面（= 0 m）壓力沿縱向距離的分布曲線，可以看出，不同工況下的壓力分布規(guī)律一致，車體大部分區(qū)域為負(fù)壓，在流線型局部出現(xiàn)正壓。工況3和工況4的壓力曲線基本重合，因此，兩種情況下的尾車氣動力系數(shù)基本一致。從圖（b）可知，在靠近尾部鼻尖同一位置，工況1和工況2鼻尖壓力較之另外兩種工況下的壓力要大，因此，工況1和工況2下的尾車氣動阻力系數(shù)相對較小。

圖5 頭車縱向中心線壓力分布

圖6 尾車縱向中心線壓力分布

3 結(jié) 論

通過數(shù)值仿真方法研究了滑移地面、滑移路基以及旋轉(zhuǎn)輪對對明線運行列車氣動性能的影響，主要結(jié)論如下：

（1）基于風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)驗證了數(shù)值仿真的可靠性，表明了SST湍流模型和網(wǎng)格劃分的可行性和有效性。

（2）固定地面將得到偏低的列車氣動阻力系數(shù)，約減少4.27%；滑移路基對尾車氣動阻力系數(shù)和整車阻力有一定的影響，引起這一差異的主要原因在于地面和路基的表面附面層厚度有差異，旋轉(zhuǎn)輪對對列車氣動阻力和升力的影響較小。

（3）建議列車氣動風(fēng)洞試驗可以忽略輪對旋轉(zhuǎn)的影響，應(yīng)考慮地面邊界和路基邊界的影響。

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Numerical Simulation of Aerodynamic Ground Effect of a Train Running in the Open Air

ZHANG Sheng1，DAI Zhi-Yuan2，LI Tian2

(1. Laboratory for Rail Transportation, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. State-key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

The effects of moving ground and rotating wheelsets on the aerodynamic performance of a train running in the open air were studied by numerical simulation. First, a train model with a head car, middle car, and tail car was established; different boundary conditions for the ground, embankment, and wheelset were considered; the two different ground boundary conditions were static and moving, the two different embankment boundary conditions were also static and moving, and the two different wheelset boundary conditions were static and rotating. Based on wind tunnel experimental data, the reliability of numerical simulation was verified showing the feasibility and effectiveness of the Shear Stress Transport (SST) turbulence model and mesh. Finally, the aerodynamic performances of the train running in the open air under four different situations were compared. The research results show that the static ground resulted in a lower aerodynamic drag force coefficient for the train, approximately 4.27%. The moving embankment had a certain influence on the aerodynamic drag coefficients of the tail car and the whole train with an increase of 1.87%. This difference is mainly caused by the difference in the boundary layer thickness of the ground and embankment. The boundary conditions of the wheelset had less influence on the aerodynamic drag and lift coefficients of the train within a difference of 1.0%. Therefore, the influence of the wheelset rotation can be ignored in the wind tunnel experiments for trains, whereas the influence of the boundary conditions of the ground and embankment should be considered.

ground effect; train aerodynamic; aerodynamic characteristic; moving ground; rotatingwheel

U271.91

A

10.3969/j.issn.1672-4747.2020.01.016

1672-4747（2020）01-0120-07

2019-05-02

四川省科技計劃（2019YJ0227）；中國博士后科學(xué)基金（2019M663550）；國家自然科學(xué)基金（51605397）

張勝（1979—），男，西南交通大學(xué)講師，碩士，主要研究方向：軌道交通質(zhì)量基礎(chǔ)和計算機應(yīng)用技術(shù)，E-mail：zhang @swjtu.edu.cn

張勝，戴志遠，李田. 明線運行列車氣動地面效應(yīng)數(shù)值模擬[J]. 交通運輸工程與信息學(xué)報，2020，18（1）：120-125, 132.

（責(zé)任編輯：劉娉婷）