基于邊界層減阻理論的高速列車(chē)抽吸氣減阻特性數(shù)值研究

林鵬， 李桂波

（中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司技術(shù)中心，山東青島 266111）

0 引言

隨著計(jì)算技術(shù)與優(yōu)化理論的發(fā)展，大批研究者致力于高速列車(chē)頭型設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究以達(dá)到減阻降噪的目的，取得了一系列實(shí)質(zhì)性的研究成果［1-5］。流線(xiàn)型車(chē)頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路通過(guò)改變頭部幾何外形而改變相應(yīng)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，從而降低列車(chē)運(yùn)行壓差阻力。通過(guò)改變外形來(lái)提高列車(chē)氣動(dòng)性能的傳統(tǒng)方法已經(jīng)趨于極致，并受制造工藝和設(shè)計(jì)要求不斷提高的限制，逐步顯示出局限性，應(yīng)用“新”的理論與技術(shù)開(kāi)展列車(chē)氣動(dòng)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一種必然趨勢(shì)。

近年來(lái)，邊界層控制減阻技術(shù)在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用并取得了系列成就［6-8］，具有巨大的應(yīng)用潛力。該技術(shù)在高速動(dòng)車(chē)組方面的應(yīng)用還處于探索階段，且大部分研究集中于表面微結(jié)構(gòu)對(duì)邊界層的控制。杜健等［9］研究了仿生非光滑溝槽減阻，減阻率可達(dá)6%。朱海燕等［10］通過(guò)在車(chē)體表面加設(shè)球窩非光滑表面來(lái)控制邊界層湍流特性，最大減阻率可達(dá)25%。

通過(guò)在車(chē)體不同位置設(shè)置抽吸氣孔，對(duì)車(chē)體邊界層轉(zhuǎn)捩、分離、渦流等特殊流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)控，改變局部流動(dòng)以減小阻力，并通過(guò)數(shù)值仿真研究抽吸氣減阻機(jī)理及減阻效果，為高速列車(chē)氣動(dòng)減阻提供參考。

1 數(shù)值研究方法

一般情況下列車(chē)運(yùn)行速度比較小，可忽略空氣密度變化和熱傳導(dǎo)效應(yīng)，流動(dòng)控制方程為：

式中：ρ，ui，p分別為密度、速度和壓強(qiáng)；μt為渦粘性系數(shù)。采用列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)應(yīng)用最廣泛的κ-ε方程湍流模型，渦粘性系數(shù)為：

式中：Cμ為湍流常數(shù)，一般取Cμ=0.09；κ為湍流動(dòng)能，ε為湍流耗散率，分別由相應(yīng)湍流控制方程計(jì)算。壓力速度耦合采用SIMPLE算法，對(duì)流項(xiàng)和粘性項(xiàng)分別采用二階迎風(fēng)和二階中心格式。

采用4節(jié)編組列車(chē)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算區(qū)域及邊界條件見(jiàn)圖1。將列車(chē)高度H作為特征長(zhǎng)度，列車(chē)位于計(jì)算區(qū)域中間，車(chē)頭距離來(lái)流進(jìn)口邊界15H，以保證湍流流場(chǎng)充分發(fā)展；車(chē)尾距離計(jì)算區(qū)域出口50H，以保證尾渦形成、脫落不受出口邊界條件影響；計(jì)算區(qū)域高度和寬度分別為15H和24H。計(jì)算區(qū)域進(jìn)口給定速度入口邊界條件；出口給定壓力出口邊界條件，靜壓為0；地面為移動(dòng)地面邊界條件，速度與進(jìn)口設(shè)置一致；側(cè)面及頂面給定滑動(dòng)壁面，而車(chē)身表面則給定無(wú)滑移表面邊界條件。

圖1 計(jì)算區(qū)域及邊界條件

計(jì)算網(wǎng)格采用開(kāi)源流體計(jì)算軟件OpenFOAM中的SnappyHexMesh網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行離散，繞列車(chē)表面設(shè)置10層棱柱層，最內(nèi)層網(wǎng)格尺度為0.000 1 m。由于高速列車(chē)湍流流場(chǎng)擾動(dòng)大部分集中在列車(chē)表面周?chē)?，因此距離列車(chē)表面2H距離的區(qū)域進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格離散。為研究網(wǎng)格無(wú)關(guān)性，對(duì)3種不同密度的網(wǎng)格進(jìn)行離散計(jì)算，3種網(wǎng)格分別稱(chēng)為粗糙網(wǎng)格、優(yōu)化網(wǎng)格、精細(xì)網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)量分別為1 500萬(wàn)、2 200萬(wàn)和3 400萬(wàn)。

高速列車(chē)精細(xì)網(wǎng)格分布見(jiàn)圖2。計(jì)算區(qū)域縱切面精細(xì)網(wǎng)格分布見(jiàn)圖2（a）；車(chē)端連接處采用半包外風(fēng)擋，即風(fēng)擋僅布置在列車(chē)側(cè)面，而列車(chē)上部和下部無(wú)風(fēng)擋，兩側(cè)風(fēng)擋與前后車(chē)廂端面圍成上下開(kāi)口的空腔，外風(fēng)擋連接處幾何細(xì)節(jié)對(duì)列車(chē)阻力有一定影響，因此該處需要設(shè)置較密的面網(wǎng)格（見(jiàn)圖2（b））；轉(zhuǎn)向架為開(kāi)放結(jié)構(gòu)，包含諸多細(xì)碎零件，為保證計(jì)算效率和數(shù)值穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向架采用簡(jiǎn)化模型（見(jiàn)圖2（c））。

不同網(wǎng)格密度列車(chē)風(fēng)風(fēng)速分布見(jiàn)圖3，由距離軌道中心線(xiàn)1.78 m、距離軌面1.85 m處列車(chē)風(fēng)風(fēng)速分布可以看出，優(yōu)化網(wǎng)格和精細(xì)網(wǎng)格曲線(xiàn)非常相近，且很好地捕捉到了列車(chē)尾渦區(qū)的速度峰值，證明精細(xì)網(wǎng)格密度滿(mǎn)足計(jì)算要求。

2 分布規(guī)律

2.1 邊界層

根據(jù)邊界層厚度為0.99倍來(lái)流速度的定義，對(duì)列車(chē)表面速度等值面采用壓力渲染顯示技術(shù)，得到了高速列車(chē)表面邊界層分布俯視圖（見(jiàn)圖4），在列車(chē)頭部區(qū)域邊界層為圓球狀，速度等值面在鼻尖位置基本為0，隨著向車(chē)體過(guò)渡，列車(chē)側(cè)面邊界層逐漸變厚，在達(dá)到列車(chē)尾端時(shí)，出現(xiàn)顯著變化，類(lèi)似圓球狀，接著過(guò)渡為逐漸擴(kuò)張的圓管狀。由于列車(chē)尾流湍流運(yùn)動(dòng)復(fù)雜多變，因此列車(chē)尾端邊界層形狀變化較大。

車(chē)頂過(guò)渡位置局部放大見(jiàn)圖5，頭車(chē)靠近流線(xiàn)型過(guò)渡部位的邊界層非常薄，隨著氣體加速向前上方運(yùn)動(dòng)，邊界層在該位置附近出現(xiàn)分離，出現(xiàn)較大速度梯度。

尾車(chē)表面渦旋分布見(jiàn)圖6，采用Q等量流場(chǎng)顯示技術(shù)清楚地展示了列車(chē)尾部渦旋分布，邊界層從尾車(chē)流線(xiàn)型過(guò)渡部位開(kāi)始發(fā)生分離，產(chǎn)生許多瞬態(tài)的無(wú)規(guī)則漩渦，這些漩渦沿車(chē)尾方向發(fā)展并逐漸脫落。圖6還展示了列車(chē)尾部駐點(diǎn)位置邊界層分離后產(chǎn)生的尾渦結(jié)構(gòu)主要有2個(gè)瞬態(tài)渦系結(jié)構(gòu)，2個(gè)漩渦的核心呈對(duì)稱(chēng)式分布，之后2個(gè)漩渦進(jìn)入尾流，并且在遠(yuǎn)離列車(chē)尾部方向慢慢耗散。

圖2 高速列車(chē)精細(xì)網(wǎng)格分布

圖3 不同網(wǎng)格密度列車(chē)風(fēng)風(fēng)速分布

圖4 高速列車(chē)表面邊界層分布俯視圖

圖5 車(chē)頂過(guò)渡位置局部放大圖

圖6 尾車(chē)表面渦旋分布

2.2 阻力

為分析列車(chē)不同位置壓差阻力和摩擦阻力，給出了高速列車(chē)縱剖面壓力系數(shù)分布（見(jiàn)圖7），頭車(chē)、尾車(chē)、車(chē)輛連接部位出現(xiàn)較明顯的壓力波動(dòng)，造成壓力差，產(chǎn)生壓差阻力，其中頭車(chē)和尾車(chē)的壓力波動(dòng)幅值較大，中間車(chē)僅在車(chē)輛連接部位處出現(xiàn)小幅波動(dòng)。

圖7 高速列車(chē)縱剖面壓力系數(shù)分布

列車(chē)各節(jié)車(chē)壓差阻力和摩擦阻力系數(shù)分布、各節(jié)車(chē)占總氣動(dòng)阻力系數(shù)的百分比見(jiàn)圖8，頭車(chē)和尾車(chē)氣動(dòng)阻力對(duì)列車(chē)總氣動(dòng)阻力貢獻(xiàn)最大，其中尾車(chē)略大于頭車(chē)，中間車(chē)氣動(dòng)阻力相差不大。頭車(chē)和尾車(chē)壓差阻力相差不大，均大于中間車(chē)。

圖8 列車(chē)各節(jié)車(chē)壓差阻力和摩擦阻力系數(shù)分布及各節(jié)車(chē)占總氣動(dòng)阻力系數(shù)的百分比

總之，高速列車(chē)邊界層引起的摩擦阻力占總氣動(dòng)阻力的50%左右，通過(guò)邊界層控制減阻具有很大的應(yīng)用潛力。其中頭車(chē)部位邊界層速度梯度大，頂部過(guò)渡有分離產(chǎn)生，是邊界層控制減阻的重點(diǎn)。各阻力系數(shù)和壓力系數(shù)計(jì)算方法如下：

式中：Cx為阻力系數(shù)；Fx為空氣阻力；ρ為空氣密度，取1.225 kg/m3；V為動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度，m/s；S為參考面積（列車(chē)橫截面積）；Cp為壓力系數(shù)；p為壓力；p∞為來(lái)流壓力（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101 325 Pa）。

3 頭車(chē)減阻

為提高計(jì)算效率，采用3節(jié)編組列車(chē)進(jìn)行數(shù)值仿真。列車(chē)頭車(chē)抽吸氣孔設(shè)置見(jiàn)圖9，重點(diǎn)關(guān)注抽吸氣效應(yīng)對(duì)邊界層分離及其引起的氣動(dòng)阻力系數(shù)變化的影響，沒(méi)有考慮與抽吸氣孔連接的空氣流道影響以及抽吸氣速度控制等問(wèn)題。仿真模型中，抽吸氣孔處設(shè)置為流量出口邊界條件，通過(guò)改變出口流量數(shù)值改變抽吸氣孔抽吸速度。抽吸速度分別為0.2U、0.4U、0.6U、0.8U及U（U為列車(chē)運(yùn)行速度）時(shí)氣動(dòng)阻力系數(shù)變化情況見(jiàn)表1，列車(chē)頭車(chē)、中間車(chē)、尾車(chē)、整車(chē)氣動(dòng)阻力系數(shù)隨抽吸速度變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖10。

圖9 列車(chē)頭車(chē)抽吸氣孔設(shè)置

表1 頭車(chē)邊界層分離點(diǎn)區(qū)域抽吸氣時(shí)列車(chē)氣動(dòng)阻力系數(shù)變化

頭車(chē)邊界層分離點(diǎn)區(qū)域設(shè)置抽吸氣孔僅對(duì)頭車(chē)氣動(dòng)阻力系數(shù)產(chǎn)生較大影響，對(duì)中間車(chē)和尾車(chē)氣動(dòng)阻力系數(shù)影響不大。設(shè)置抽吸氣孔后，列車(chē)頭車(chē)氣動(dòng)阻力系數(shù)減小，中間車(chē)氣動(dòng)阻力系數(shù)略有減小，但減小幅度非常小，尾車(chē)氣動(dòng)阻力系數(shù)在抽吸速度小時(shí)略有減小，但當(dāng)抽吸速度增大到某一數(shù)值時(shí)有非常小幅度的增阻，中間車(chē)和尾車(chē)的氣動(dòng)阻力系數(shù)變化和頭車(chē)變化相比可忽略不計(jì)；隨著抽吸速度的增大，列車(chē)頭車(chē)減阻率基本呈線(xiàn)性增大，而中間車(chē)和尾車(chē)的減阻率則變化不大，因此整車(chē)減阻率也隨著抽吸速度的增大而增大，當(dāng)抽吸速度達(dá)到U時(shí)，頭車(chē)減阻率高達(dá)14%，整車(chē)減阻率達(dá)6%，減阻效果明顯。

圖10 氣動(dòng)阻力系數(shù)隨抽吸速度變化曲線(xiàn)

4 尾車(chē)減阻

對(duì)列車(chē)尾車(chē)邊界層分離點(diǎn)區(qū)域布置了類(lèi)似頭車(chē)的抽吸氣孔，計(jì)算條件與頭車(chē)相同。抽吸氣前、后列車(chē)中心縱向剖面速度及邊界層分布見(jiàn)圖11，抽吸氣前、后流場(chǎng)的主要區(qū)別在于抽吸氣孔位置附近邊界層明顯變薄，最薄處厚度為0，壓力分布也發(fā)生變化，引起阻力發(fā)生變化。尾車(chē)分離點(diǎn)區(qū)域抽吸氣時(shí)列車(chē)氣動(dòng)阻力系數(shù)變化見(jiàn)表2，列車(chē)頭車(chē)、中間車(chē)、尾車(chē)、整車(chē)氣動(dòng)阻力系數(shù)隨抽吸速度變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖12。

尾車(chē)邊界層分離點(diǎn)區(qū)域設(shè)置抽吸氣孔僅對(duì)尾車(chē)氣動(dòng)阻力系數(shù)產(chǎn)生較大影響，尾車(chē)阻力顯著減小，對(duì)頭車(chē)和中間車(chē)氣動(dòng)阻力系數(shù)影響不大；隨著抽吸速度的增大，列車(chē)尾車(chē)和整車(chē)減阻率基本呈線(xiàn)性增大，當(dāng)抽吸速度達(dá)到U時(shí)，尾車(chē)減阻率高達(dá)13%，整車(chē)減阻率達(dá)5%，減阻效果明顯。

表2 尾車(chē)邊界層分離點(diǎn)區(qū)域抽吸氣時(shí)列車(chē)氣動(dòng)阻力系數(shù)變化

圖11 列車(chē)中心縱向剖面速度及邊界層分布

5 結(jié)論

采用精細(xì)化數(shù)值模擬研究了高速列車(chē)邊界層發(fā)展、分離特性及其對(duì)阻力分布的影響，進(jìn)而提出列車(chē)頭車(chē)和尾車(chē)分離區(qū)抽吸氣邊界層控制減阻方案，得到以下重要結(jié)論：邊界層引起的摩擦阻力占總氣動(dòng)阻力的50%左右，通過(guò)邊界層控制減阻具有很大的應(yīng)用潛力；頭車(chē)邊界層分離點(diǎn)區(qū)域設(shè)置抽吸氣孔后，列車(chē)頭車(chē)氣動(dòng)阻力系數(shù)減小，中間車(chē)和尾車(chē)的氣動(dòng)阻力系數(shù)變化較?。晃曹?chē)邊界層分離點(diǎn)區(qū)域設(shè)置抽吸氣孔后，列車(chē)尾車(chē)氣動(dòng)阻力系數(shù)減小，頭車(chē)和中間車(chē)氣動(dòng)阻力系數(shù)變化不大；下一步可重點(diǎn)針對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域、車(chē)端連接區(qū)域等邊界層分離區(qū)開(kāi)展流場(chǎng)結(jié)構(gòu)研究，提出創(chuàng)新性流動(dòng)控制減阻方案。

圖12 氣動(dòng)阻力系數(shù)隨抽吸速度變化曲線(xiàn)