凸包非光滑表面高速列車氣動阻力及噪聲研究

朱海燕，胡華濤，尹必超

（華東交通大學(xué)機電與車輛工程學(xué)院，江西 南昌330013）

節(jié)能環(huán)保是現(xiàn)代高速列車主要設(shè)計方向之一，其中低阻力及降噪是兩大必不可少的設(shè)計主題[1]。 氣動阻力與速度的平方成正比。 列車速度越高，氣動阻力對高速列車的作用越明顯。 因此，降低高速列車的氣動阻力和能量消耗是開發(fā)理想列車系統(tǒng)的基本要求之一。 行駛中的列車上的氣動阻力分為壓力阻力和摩擦力。 相關(guān)風(fēng)洞實驗表明，頭車空氣阻力與其流線型頭部長度線性相關(guān)，而尾車阻力與這一指標(biāo)呈二次冪關(guān)系[2-4]。

由于通過改變列車造型改善空氣阻力值的方法已經(jīng)非常成熟，且一味通過加大細長改善列車氣動性能會增加列車頭、尾部許多不可利用的空間，這與節(jié)能、減排的宗旨背道而馳。 而非光滑表面減阻的探究已經(jīng)在旋成體、面板等的研究對象上做了大量數(shù)值仿真、水槽實驗以及風(fēng)洞試驗[5-7]。

非光滑表面減阻技術(shù)運用于高速列車領(lǐng)域，對節(jié)能減排有重大意義。 同時，雖然國、內(nèi)外學(xué)者對高速列車減阻技術(shù)做了大量的研究，但是大多數(shù)學(xué)者僅單純研究列車直線行駛時的減阻性能，很少人會對優(yōu)化設(shè)計后的列車模型進行場景分析以及安全評估，氣動噪聲伴隨列車從啟動到停止整個運行過程，是列車乘坐舒適度評價中不可忽視的環(huán)節(jié)，值得在考慮列車減阻效果的同時列入減阻效果驗證范圍。

受自然界中蜣螂體表結(jié)構(gòu)啟發(fā)，基于現(xiàn)有線路服役工況列車，設(shè)計凸包非光滑表面應(yīng)用于高速列車表面，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型和寬頻帶噪聲模型，對凸包非光滑表面湍流動能特性進行研究，得到氣動阻力及氣動噪聲變化規(guī)律。

1 氣動阻力與聲學(xué)理論

1.1 基本控制方程

按照《列車空氣動力學(xué)概念》中的速度區(qū)段的劃分，列車運行速度屬于低速流（馬赫數(shù)Ma＜3），除去研究兩列車會車和列車過隧道兩種情況，對列車進行研究時，外部流場采用不可壓縮黏性流，認為密度為常數(shù)[8]。 連續(xù)方程如（1）所示

3 個方向的運動方程為（2）

式中：ui或uj為流場速度；xi或xj為坐標(biāo)；p 為流場壓力；ρ 為空氣密度，此處視為常量。

本文研究基于穩(wěn)態(tài)流場，故采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型

式中：ε 為湍流耗散率。

式中：ui為湍流黏性系數(shù)；k 為湍流動能；u1為層流黏性系數(shù)；C1，C2，σk，σε是通過參考已發(fā)表的文獻得出的經(jīng)驗常數(shù)，取值如下：C1＝1.47，C2＝1.92，σk＝1.0，σε＝1.33。

1.2 寬頻帶噪聲模型

寬頻帶噪聲模型計算的優(yōu)勢是消耗資源較小，缺陷是計算結(jié)果不夠準(zhǔn)確，更多用于定性分析，能夠快速分析氣動噪聲大小，本文側(cè)重探究非光滑表面是否能夠降低氣動噪聲，僅對噪聲相對大小做比較。寬頻帶噪聲模型聲功率公式如式（3）所示[9]

式中：μ 為湍流速度；L 為湍流尺度；c∞為聲速；a 為模型常量。 采用湍流動能k 和湍流耗散率ε 可表示為

氣動噪聲聲功率級如式（5）所示

式中：Pref參考聲壓，取10-12W/m3。

2 數(shù)值模型

以勻速300 km/h 行駛的CRH3 型高速列車為研究對象，為突出研究內(nèi)容，排除其他干擾因素，作以下假設(shè)：

1） 車體外部絕對光滑，忽略列車本身材料粗糙度的影響；

2） 空氣流體介質(zhì)均勻，且不受重力影響；

3） 計算忽略車體外部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的細節(jié)，受電弓、轉(zhuǎn)向架及車輛連接部位等均未細致模擬，認為車體具有光滑外形的幾何體。

2.1 列車與凸包非光滑結(jié)構(gòu)物理模型

以CRH3 高速列車光滑表面模型為參考對象，如圖1 所示，重點分析非光滑結(jié)構(gòu)表面對列車阻力及噪聲的影響，不考慮受電弓、轉(zhuǎn)向架等在實際運行過程中的干擾因素。 模型尺寸設(shè)置與原車比例為1∶1，考慮頭、中、尾3 節(jié)車廂編組，列車編組長75 m，頭、尾車長25.6 m，車輛高度為3.89 m，車輛寬度為3.265 m，高速列車整體模型如圖1-a 所示。

凸包結(jié)構(gòu)采用凸包線性陣列而成， 凸包采用球型凸包， 凸包單元之間采取等距陣列的方式分布，研究中涉及三個參數(shù)的變化，分別是凸包高度H、凸包半徑R 以及凸包之間的陣列距離D，參數(shù)表示如圖1-b 所示，凸包結(jié)構(gòu)形態(tài)如圖1-c 所示。

2.2 計算域模型

考慮計算效率問題，采用半列車模型，計算域采用長方體，長度設(shè)置為450 m，寬度為24 m，高度為36 m。列車頭部距離計算域出口75 m，列車底面距離地面0.5 m， 列車與計算域關(guān)系模型如圖2-a 所示。

2.3 網(wǎng)格劃分及其獨立性驗證

采用ICEM CFD 軟件對計算模型進行網(wǎng)格劃分，車體與計算域均采用四面體網(wǎng)格，為減少列車周圍的湍流影響， 對列車采用網(wǎng)格加密處理， 由于非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分存在一定的不確定性， 為盡量排除網(wǎng)格質(zhì)量對數(shù)值計算的影響，考慮首先對光滑車體模型設(shè)置4 種不同尺寸的網(wǎng)格劃分方案，在FLUENT 中采用同條件進行數(shù)值模擬，將結(jié)果進行對比，網(wǎng)格參數(shù)及結(jié)果見表1。

圖1 列車模型Fig.1 Train model

圖2 計算模型Fig.2 Computation model

表1 網(wǎng)格劃分方案Tab.1 Meshing scheme

由表1 可知：方案A 與方案B 劃分出的網(wǎng)格更精細，質(zhì)量更好，網(wǎng)格數(shù)量相近，計算結(jié)果變化量為-0.028%，表明網(wǎng)格在此范圍內(nèi)網(wǎng)格參數(shù)對流場數(shù)值計算影響可忽略不計，所以車輛模型的網(wǎng)格劃分采用方案B 進行：計算域除列車外參數(shù)為200 mm；列車中部、底面、車頭、尾未布置非光滑結(jié)構(gòu)處為10 mm；車頭、尾布置非光滑結(jié)構(gòu)處為2 mm，網(wǎng)格數(shù)量維持920 萬至930 萬之間，計算域及列車局部網(wǎng)格模型如圖2-b 所示。

2.4 邊界條件設(shè)置

在對無橫向風(fēng)、明線工況下高速列車運行的研究中，根據(jù)相對運動原理，假定列車靜止，讓空氣相對高速流動的方法來模擬。 列車運行速度為300 km/h，故將速度入口速度設(shè)置為83.33 m/s，車身視為剛體，設(shè)為固定壁面；列車在明線工況下勻速運行，將滑移壁面模擬運行時的底面、側(cè)面和頂面，分別模擬列車在運行過程中的軌道和無窮遠處的空氣，采用這種移動壁面技術(shù)能夠有效地避免空氣附面層問題[10]，實現(xiàn)比較真實模擬列車運行流場，同時將中央面設(shè)為對稱面以減少仿真計算量，邊界條件的具體設(shè)置見表2 及圖2-a 所示。

表2 邊界條件Tab.2 Boundary conditions

3 計算結(jié)果分析

對比對象是全光滑表面CRH3 高速列車簡化車身，由數(shù)值仿真結(jié)果可知：光滑表面列車阻力3 782.48 N，其中壓差阻力為305.1 N，黏性阻力為3 477.4 N。

3.1 凸包不同位置對列車阻力的影響

首先探究了凸包非光滑結(jié)構(gòu)設(shè)置于3 個不同位置對氣動阻力的影響，分別是列車頭部擋風(fēng)玻璃周圍流線型區(qū)域圖3（a）、車頭流線型區(qū)段后方圖3（b）以及流線型區(qū)段車底區(qū)域圖3（c）。 在運行過程中，頭車和尾車是空氣流速最大的區(qū)域，因此更多考慮將凸包非光滑結(jié)構(gòu)布置于列車頭部與尾部的各個區(qū)域。 對三個位置布置同一參數(shù)的凸包非光滑結(jié)構(gòu)，對其進行計算后發(fā)現(xiàn)凸包結(jié)構(gòu)布置于車頭流線型區(qū)段后方時列車氣動阻力為4 212.56 N，凸包結(jié)構(gòu)布置于流線型區(qū)段車底區(qū)域時列車氣動阻力為4 075.43 N，均有比較明顯的增阻效果，而在列車頭部車鼻以上流線型區(qū)域布置凸包結(jié)構(gòu)雖然使空氣阻力有所增加，但是增量很小，因此對此位置凸包參數(shù)做進一步探究。

圖3 非光滑區(qū)域布置位置Fig.3 Location of non-smooth areas

3.2 凸包各參數(shù)對列車阻力的影響

首先，將凸包半徑和陣列距離作為不變參數(shù)，將凸包高度作為變量，探究凸包最佳高度。 以高度5 mm為起點，以5 mm 步長進行遞增計算，得出氣動阻力隨凸包高度呈現(xiàn)先減少后遞增的規(guī)律，在高度為10 mm時，列車阻力達到最小值；其中所有凸包非光滑模型的黏性阻力均小于光滑列車模型，而壓差阻力則大體呈現(xiàn)隨凸包高度遞增而遞增的規(guī)律。

圖4 凸包各參數(shù)對氣動阻力影響Fig.4 Influence of parameters for convex hull on aerodynamic drag of train

其次，設(shè)定陣列距離為460 mm、半徑為40 mm，以20 mm 為起點，10 mm 步長遞增設(shè)置凸包半徑。 發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中凸包半徑分別為30，40，60 mm 和70 mm 時，對比光滑列車，黏性阻力均有不同程度減小，其中在半徑為40 mm 時，列車受到的黏性阻力最小，而壓差阻力則均有所增加。 總阻力隨凸包半徑變大呈現(xiàn)先減小后變大的趨勢，在凸包半徑為40 mm 時阻力最小，約為3 715 N。

最后，設(shè)定凸包高度為10 mm，半徑為40 mm，整車黏性阻力均小于光滑平面列車，但壓差阻力有不同程度的增加。 整體趨勢阻力隨陣列距離增大而減少，在陣列距離為460 mm 時，出現(xiàn)最小阻力值，在距離為510 mm 時，阻力稍有增大，但隨著陣列距離的持續(xù)增加，阻力值又開始下降向光滑表面列車阻力值接近，此時，非光滑結(jié)構(gòu)亦開始接近光滑結(jié)構(gòu)，但不會小于光滑面列車氣動阻力。

凸包非光滑表面對高速行駛列車的黏性阻力有減少的效果，而會增加列車壓差阻力。其中，對比光滑面列車空氣阻力各項指標(biāo)，當(dāng)凸包高度、半徑、距離分別為10，40，460 mm 時，列車的黏性阻力減少189.6 N，降幅達到5.45%，壓差阻力增加122.6 N，合計總阻力下降67 N，降幅為1.77%。

3.3 凸包結(jié)構(gòu)對列車噪聲的影響

仿真對列車8 個近壁位置設(shè)置監(jiān)測點，分布如圖5 所示，測點1，8 分布于車鼻處，測點2，3，6，7 分布于凸包結(jié)構(gòu)區(qū)域邊緣， 測點4，5 位于列車中部，其中，測點2，4，6 位于列車頂部中線處，測點3，5，7位于裙板上緣。 列車各位置處噪聲對比如表3 所示，測點3，5，7 檢測到的噪聲值對比光滑列車同位置噪聲值有不同程度的下降，列車頭部非光滑結(jié)構(gòu)邊緣測點減噪效果最好，降噪率為1.7%。 而分布在其他位置的噪聲值有不同幅度的增加，增幅達10%，但增量控制在5 dB 以內(nèi)，且位置均遠離車內(nèi)乘坐位置，對乘客舒適度影響較小。

圖5 測點分布位置Fig.5 Measuring point distribution

表3 不同位置處噪聲Tab.3 Noise value at different positions

由計算結(jié)果可知，頭車噪聲峰值在列車流線型區(qū)域端部，而尾車噪聲峰值出現(xiàn)在裙板上邊緣處。尾車鼻處噪聲值大于頭車車鼻處噪聲， 尾車裙板上邊緣與非光滑結(jié)構(gòu)交界處噪聲則顯著大于頭車同位置處噪聲，而尾車頂部非光滑結(jié)構(gòu)邊界處噪聲值較大幅度小于頭車同位置處噪聲值。

凸包非光滑表面改變使高速列車邊界層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使得高湍流動能區(qū)域轉(zhuǎn)移至車身上部，相對的，車身下部湍流低湍流動能區(qū)域。

4 機理分析

從宏觀角度來看：凸包非光滑結(jié)構(gòu)存在使表面邊界層厚度增加，改變邊界層附近的流體特征，使底層流向渦與壁面之間產(chǎn)生一定距離，進而改變近壁區(qū)的湍流強度，一定參數(shù)的凸包非光滑表面的湍流強度會降低，相對的，傳輸能量損耗亦將減少，非光滑結(jié)構(gòu)使得流場湍流耗散率區(qū)域位置及面積發(fā)生變化，相對高耗能區(qū)域面積變小，湍流耗散率降低，減少邊界層流的能量損失，產(chǎn)生減阻降噪效果。 列車表面湍流動能對比如圖6 所示，凸包非光滑表面列車湍流動能上限降低，凸包結(jié)構(gòu)使得部分高湍流動能區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)榈屯牧鲃幽軈^(qū)域。

圖6 列車表面湍流動能Fig.6 Turbulent flow energy on the train surface

列車運行的過程中，氣體擾流使得每個凸包迎風(fēng)面壓力增大， 背風(fēng)面壓力增量更小，如圖7 所示，故形成額外壓力差，增加列車壓差阻力，這是每組凸包非光滑表面列車壓差阻力上升的主要原因。 但是非光滑結(jié)構(gòu)的存在會改變光滑列車表面形成穩(wěn)定的邊界層，使邊界層厚度有所增加，降低了列車表面近壁區(qū)的速度梯度，減少了能量的損耗，有利于降低表面的黏性阻力。

圖7 凸包壓力分布Fig.7 Convex pressure distribution

從微觀角度出發(fā)：當(dāng)高速運動的空氣粒子通過凸包區(qū)域時，大致分為兩種情況：一種部分粒子以高速流經(jīng)凸包頂端，另一部分則以次高速環(huán)繞凸包周圍經(jīng)過，而空氣粒子在凸包縱向前后速度明顯降低。 凸包高度影響高速粒子數(shù)量，而凸包半徑的變化則影響流經(jīng)凸包周圍的次高速空氣粒子數(shù)量，粒子流速大小和數(shù)量決定列車表面能量的消耗，流經(jīng)表面的高速及次高速流動粒子數(shù)量增多會增加列車氣動阻力。

通過單個凸包周圍空氣粒子流動矢量圖，如圖8（a）所示，可以看出在凸包縱向前后區(qū)域的空氣粒子速度明顯低于光滑處流速，結(jié)構(gòu)中凸包間區(qū)域內(nèi)粒子流速更慢，如圖8（b）所示，能量流失更小，合適的凸包距離能夠保證這一區(qū)域的面積，實現(xiàn)各階耗能之間的最佳比例，從而最大程度的減少高耗能區(qū)域，過小距離不能達到最大低耗能區(qū)域面積，而過大距離則使得凸包之間相互作用失效，非光滑結(jié)構(gòu)中凸包變成單獨的個體，失去結(jié)構(gòu)的整體性。 而陣列距離的增加，相對應(yīng)的，凸包數(shù)量會減少，氣動阻力大小向光滑表面列車逼近，但由于凸出物的存在，阻力不會再次小于光滑表面列車。 因此，過大或者過小的陣列距離都會破壞各階耗能區(qū)域面積比例的平衡。

事實上，凸包三個參數(shù)共同作用，影響凸包區(qū)域的空氣流場，合適的凸包參數(shù)能夠使非光滑表面對減少氣動阻力產(chǎn)生積極影響。而合理的凸包結(jié)構(gòu)位置能夠改變空氣流場分布，實現(xiàn)對空氣粒子與列車表面摩擦產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)移，以此達到降低關(guān)鍵位置的噪聲強度。通過分析列車中部的聲功率分布以及噪聲測點，可知布置于車頭和車尾的非光滑結(jié)構(gòu)不僅改變結(jié)構(gòu)附近空氣流場，對一定范圍內(nèi)的遠場也存在影響。

綜上所述，非光滑結(jié)構(gòu)中的凸包可以降低部分凸包結(jié)構(gòu)區(qū)域的空氣流速，氣流流經(jīng)車身流線型區(qū)域時消耗的能量有所減小，流經(jīng)車頭、尾氣流的粘性力與表面相互作用減小。

圖8 空氣粒子運動矢量圖Fig.8 Air particle motion vector

5 結(jié)論

本研究通過建立CRH3 簡化高速列車的三維流場仿真模型， 利用標(biāo)準(zhǔn)模型計算CRH3 列車300 km/h 速度工況下的外部穩(wěn)態(tài)流場?；诜€(wěn)態(tài)流場計算列車氣動阻力，并采用寬頻帶噪聲模型計算列車表面氣動噪聲。結(jié)合凸包非光滑結(jié)構(gòu)，設(shè)計13 種不同參數(shù)的凸包非光滑結(jié)構(gòu)布置于列車頭、尾流線型區(qū)域，得出以下結(jié)論：

1） 車頭非流線區(qū)域及車底區(qū)域的凸包非光滑表面不能降低高速列車的氣動阻力， 車頭流線型區(qū)域適當(dāng)尺寸的凸包結(jié)構(gòu)能夠有效降低列車氣動阻力，將間距為460 mm，半徑為40 mm，高度為10 mm 的凸包陣列結(jié)構(gòu)布置于列車頭部流線型區(qū)域會增加壓差阻力，但是對減少黏性阻力有更明顯的效果?？傮w來說，此結(jié)構(gòu)附著于列車車鼻處具有最為良好的減阻效果，減阻率可達1.77%。

2） 凸包非光滑表面能夠改變高速運行列車表面邊界層厚度，對于流線體的尾部負壓區(qū)抑制作用有限，但是可以一定程度減少其頭部空氣流場的高湍流動能區(qū)域面積及湍流動能上限。

3） 對比于光滑車身高速列車氣動噪聲， 凸包非光滑表面列車在列車裙板上方接近乘客位置處有一定的降噪效果，但是會增加車鼻以及車頂處噪聲。