城市軌道列車氣動(dòng)性能優(yōu)化研究

于淼，劉明楊，耿亞彬，苗秀娟

城市軌道列車氣動(dòng)性能優(yōu)化研究

于淼1，劉明楊3，耿亞彬2，苗秀娟4

(1. 中車唐山機(jī)車車輛有限公司 技術(shù)研究中心，河北 唐山 063000；2. 中車唐山機(jī)車車輛有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，河北 唐山 063000；3. 中南大學(xué) 軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410075；4. 工程車輛安全設(shè)計(jì)與可靠性技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

為研究城市軌道列車氣動(dòng)特性以及底部部件對(duì)列車氣動(dòng)特性的影響，針對(duì)三節(jié)車模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，保有底部部件較高完整性，采用Realizable?湍流模型預(yù)測(cè)列車周圍流場(chǎng)。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：列車氣動(dòng)阻力分布呈現(xiàn)出尾車阻力最大，占三節(jié)車總阻力的48%；中間車阻力最小，占總阻力的14%。其中轉(zhuǎn)向架分別占頭車、中間車和尾車總阻力的15.1%，56.4%和23.0%。車底設(shè)備分別占頭車、中間車和尾車總阻力10.5%，10.3%和8.6%。因此對(duì)于頭車、尾車采取減阻方案首先是采用流線型頭型的方式減少流動(dòng)分離現(xiàn)象。對(duì)于中間車減阻方法則要首先針對(duì)底部部件，采取密封艙的方式減少其產(chǎn)生的壓差阻力。通過優(yōu)化列車頭型發(fā)現(xiàn)列車氣動(dòng)特性得到明顯的改善，其中列車頭車、中間車和尾車阻力分別為原始情況下的61.4%，70.1%和58.3%。在流線型外形基礎(chǔ)上進(jìn)一步穩(wěn)定列車底部區(qū)域流場(chǎng)也有效改善了底部區(qū)域部件氣動(dòng)特性。

列車空氣動(dòng)力學(xué)；城市軌道列車；氣動(dòng)優(yōu)化；轉(zhuǎn)向架

隨著中國(guó)軌道交通的快速發(fā)展，城市軌道列車在多地多線路多班次的運(yùn)營(yíng)。城市軌道列車比較于公路交通具有高安全性、高舒適性和大載客量等優(yōu)勢(shì)[1]。城市軌道列車的運(yùn)行速度介于地鐵列車與高速列車之間，當(dāng)城市軌道列車運(yùn)行速度達(dá)160 km/h時(shí)，氣動(dòng)阻力將在列車運(yùn)行總阻力中占主導(dǎo)地位，達(dá)50%以上[2]。降低城市軌道列車運(yùn)行時(shí)所受的氣動(dòng)阻力將會(huì)有效節(jié)約能源。因此對(duì)城市軌道列車氣動(dòng)性能分析必不可少，這將對(duì)列車氣動(dòng)優(yōu)化提供基礎(chǔ)。目前，國(guó)外內(nèi)針對(duì)列車氣動(dòng)特性的研究主要以高速列車為主，并且分為數(shù)值仿真與風(fēng)洞試驗(yàn)2種主要方式。Raghunathan等[3]通過多種手段闡述了高速列車空氣動(dòng)力學(xué)問題并提供了相關(guān)的方案改良列車氣動(dòng)性能。Rezvani等[4]通過數(shù)值模擬的方法研究高速列車在橫風(fēng)條件下的穩(wěn)定性，并證明了?湍流模型在研究列車氣動(dòng)問題上的可行性。Muld等[5?6]通過改進(jìn)的延遲分離渦(IDDES)方法研究了高速列車流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的問題。采用數(shù)值仿真方法可以提高效率并且能夠觀察列車流場(chǎng)細(xì)微結(jié)構(gòu)，從而提出改進(jìn)措施。但城市軌道列車與高速列車在運(yùn)行速度和結(jié)構(gòu)等方面存在不同，所以高速列車的研究并不能完全適用于城市軌道列車。近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者也初步開展了關(guān)于城市軌道列車氣動(dòng)特性的研究。李文化等[6]通過數(shù)值模擬的方法對(duì)城際列車通過隧道時(shí)的阻力和噪聲進(jìn)行了分析，但對(duì)城市軌道列車細(xì)化到轉(zhuǎn)向架和車底設(shè)備等部件的研究不充分。本文針對(duì)城市軌道列車，采用數(shù)值模擬方法對(duì)列車車體和底部部件進(jìn)行列車氣動(dòng)特性細(xì)化分析，并根據(jù)分析提出有效的氣動(dòng)優(yōu)化方案。

1 數(shù)值仿真

1.1 幾何模型

由于城市軌道列車中間車具有一定的相似性，所以采用頭車、中間車和尾車的三節(jié)車編組方式能夠較為完整的顯示城市軌道列車的氣動(dòng)特性，并在一定程度上簡(jiǎn)化計(jì)算和提高計(jì)算效率[2, 7?8]。為此本文將采用三節(jié)車編組模型進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型

1.2 計(jì)算區(qū)域與邊界條件

數(shù)值模擬所用計(jì)算區(qū)域如圖2所示。ABCD邊界為速度入口，入口流速根據(jù)車速44.44 m/s而定，因此給定向均勻速度44.44 m/s；EFHG邊界為壓力出口，出口壓力設(shè)置為0 Pa；數(shù)值仿真利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)特性，采用列車靜止，氣流運(yùn)動(dòng)的方式來模擬列車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，CGHD邊界與軌道均設(shè)置為移動(dòng)地面，滑移速度與列車運(yùn)行速度相同；其余邊界設(shè)置為對(duì)稱平面以模擬列車運(yùn)行時(shí)四周無阻礙的情況。

圖2 計(jì)算域

1.3 計(jì)算網(wǎng)格

在本文中，運(yùn)用Open FOAM 5.0中的Snappy Hex Mesh網(wǎng)格離散工具以六面體網(wǎng)格為主的混合網(wǎng)格進(jìn)行離散，車體物面網(wǎng)格長(zhǎng)和寬均為30 mm，轉(zhuǎn)向架、車體底部設(shè)備網(wǎng)格長(zhǎng)寬均為15 mm。車體、底部設(shè)備邊界層為10層，轉(zhuǎn)向架邊界層為6層。車體平均+為100，底部設(shè)備平均+為150，均處于本文使用的Realizable?湍流模型的允許范圍，保證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。整個(gè)計(jì)算網(wǎng)格的單元數(shù)約為1 900萬個(gè)，列車周圍網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 計(jì)算網(wǎng)格

1.4 數(shù)值計(jì)算方法

城市軌道列車運(yùn)行速度為44.44 m/s，屬于不可壓縮流動(dòng)速度范圍。并且列車外形屬于細(xì)長(zhǎng)體加上本身的復(fù)雜結(jié)構(gòu)使得與列車相關(guān)的流動(dòng)現(xiàn)象大都為湍流現(xiàn)象，Realizable?雙方程湍流模型能夠很好的捕捉列車周圍的流動(dòng)分離現(xiàn)象以及細(xì)小流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，并且多位學(xué)者通過此湍流模型計(jì)算列車周圍流場(chǎng)并驗(yàn)證了湍流模型的正確性[9?11]，因此本文采用此模型加入不可壓縮的Navier-Stokes方程求解使方程組閉合。在本文中，使用商業(yè)軟件STAR-CCM+采用二階隱式的時(shí)間離散格式，并采用二階迎風(fēng)格式對(duì)空氣相進(jìn)行非定常計(jì)算。數(shù)值計(jì)算所設(shè)時(shí)間步長(zhǎng)為2×10?4s，保證99%的計(jì)算單元庫(kù)朗數(shù)小于1。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

2.1 壓力場(chǎng)分析

為探究城市軌道列車氣動(dòng)特性，首先分析列車表面壓力分布。由于列車頭型為鈍頭型，車頭處流動(dòng)分離現(xiàn)象較流線型車頭更明顯，氣流直接沖擊更為嚴(yán)重，因此車頭迎風(fēng)面存在大面積的高壓區(qū)域，列車表面壓力分布如圖4所示。由于非流線型車頭沒有過渡結(jié)構(gòu)使得流動(dòng)分離現(xiàn)象在列車頭車處出現(xiàn)，由于明顯的流動(dòng)分離現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生大的速度差而產(chǎn)生壓差阻力，這是阻力產(chǎn)生的主要原因。尾車頭部頂端迎風(fēng)側(cè)存在類似臺(tái)階結(jié)構(gòu)受到氣流直接沖擊導(dǎo)致這一區(qū)域壓力突變出現(xiàn)較大正壓區(qū)域，較大的動(dòng)壓使得此區(qū)域的阻力大幅提高。

圖4 列車車體表面壓力分布

氣流在沖擊列車頭部之后，部分氣流進(jìn)入列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域。轉(zhuǎn)向架表面壓力分布如圖5所示。由于氣流剛進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域時(shí)流速較高，流速差導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架1大部分區(qū)域處于負(fù)壓區(qū)。轉(zhuǎn)向架2前端出現(xiàn)正壓區(qū)，將會(huì)增加列車阻力。轉(zhuǎn)向架2至轉(zhuǎn)向架5壓力分布相似，轉(zhuǎn)向架6對(duì)比轉(zhuǎn)向架2至轉(zhuǎn)向架5主要區(qū)別在于其前端正壓力區(qū)域幅值與面積都大于前幾臺(tái)轉(zhuǎn)向架，后端區(qū)域存于負(fù)壓狀態(tài)，因此也將產(chǎn)生最大的壓差，從而在轉(zhuǎn)向架中對(duì)列車貢獻(xiàn)最多的阻力。

車體底部設(shè)備存在氣缸、蓄電池等重要部件，頻繁的壓力波動(dòng)可能導(dǎo)致疲勞失效情況，所以需要對(duì)車體底部設(shè)備進(jìn)行壓力分布分析。設(shè)備1迎風(fēng)面受較高速氣流沖擊，使得其迎風(fēng)面有幅值較高的正壓區(qū)域，列車底部設(shè)備表面壓力如圖6所示，這就將導(dǎo)致設(shè)備1出現(xiàn)較大的壓差不利于列車的減阻目的，減少迎風(fēng)面積與流動(dòng)分離現(xiàn)象避免背風(fēng)面的渦流現(xiàn)象的產(chǎn)生將是優(yōu)化氣動(dòng)性能的首選方案。設(shè)備2區(qū)域總體流速較頭車尾車降低，因此產(chǎn)生較小的壓差，這一區(qū)域氣動(dòng)優(yōu)化優(yōu)先級(jí)最低。設(shè)備3處同設(shè)備1相似，這一區(qū)域流速加快，使得正負(fù)壓力幅值提高，將會(huì)產(chǎn)生較大的壓差阻力，采用的優(yōu)化方案也同設(shè)備1處相同。

圖5 轉(zhuǎn)向架表面壓力分布

圖6 列車底部設(shè)備表面壓力

2.2 速度場(chǎng)分析

本小節(jié)主要討論分析列車周圍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及速度云圖，以此討論列車氣動(dòng)特性。圖7～9顯示了列車中間線截面列車周圍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及速度云圖，其中time?averageinf,time-average為列車周圍時(shí)均流速，其中時(shí)均流速是在流場(chǎng)收斂穩(wěn)定后的時(shí)刻到計(jì)算結(jié)束時(shí)刻做流速各分量的時(shí)間平均，inf為速度入口速度幅值。

頭車周圍流場(chǎng)如圖7所示。頭部頂端速度較高，越過頂端后出現(xiàn)臺(tái)階結(jié)構(gòu)產(chǎn)生渦流，嚴(yán)重惡化列車氣動(dòng)性能。底部區(qū)域由于車頭與轉(zhuǎn)向架1之間存在較大間隙，氣流在越過車頭后在轉(zhuǎn)向架1區(qū)域出現(xiàn)較大的低速渦流區(qū)。底部設(shè)備之間以及底部設(shè)備與車體之間也存在較大間隙，氣流運(yùn)動(dòng)到間隙時(shí)出現(xiàn)紊亂現(xiàn)象，這些紊亂現(xiàn)象將會(huì)惡化列車氣動(dòng)性能。

圖7 頭車周圍流場(chǎng)

圖8 中間車周圍流場(chǎng)

圖9 尾車周圍流場(chǎng)

中間頂部流場(chǎng)平順，車底部流速總體低于頭車處，中間車周圍流場(chǎng)如圖8所示。轉(zhuǎn)向架3和轉(zhuǎn)向架4區(qū)域表現(xiàn)出轉(zhuǎn)向架前端上部區(qū)域有較高速氣流，這一區(qū)域會(huì)產(chǎn)生較大速度差，可在此區(qū)域前端引導(dǎo)氣流向下運(yùn)動(dòng)以此改善轉(zhuǎn)向架的氣動(dòng)特性。

圖9顯示尾車頂部流場(chǎng)也較為平順，氣流至尾車頭部時(shí)受頭型影響發(fā)生嚴(yán)重的分離，使整個(gè)頭部區(qū)域處于低速區(qū)并有大量渦流出現(xiàn)，惡化列車氣動(dòng)特性。緩解流動(dòng)分離現(xiàn)象可有效改善此情況。尾車底部區(qū)域流速加快，底部部件將受到高速氣流影響，氣動(dòng)特性較中間車比也會(huì)更差。底部設(shè)備區(qū)域明顯出現(xiàn)大渦流區(qū)域，而轉(zhuǎn)向架區(qū)域大渦流區(qū)域不明顯。

2.3 阻力分析

中間車阻力最小，占據(jù)列車總阻力的14%，阻力系數(shù)為0.129。中間車車體過渡光滑因此其所產(chǎn)生的阻力也就較小。中間車底部設(shè)備所受阻力占總阻力的10%。轉(zhuǎn)向架3與轉(zhuǎn)向架4占據(jù)中間車總阻力的56.4%，并且后端轉(zhuǎn)向架(轉(zhuǎn)向架4)產(chǎn)生阻力大于前端轉(zhuǎn)向架(轉(zhuǎn)向架3)，因此改善轉(zhuǎn)向架氣動(dòng)特性在中間車中優(yōu)先級(jí)較高。

尾車阻力占據(jù)列車總阻力的48%，為3車之中最大，阻力系數(shù)為0.451；尾車阻力分布趨勢(shì)與頭車阻力分布相似，并呈現(xiàn)尾車較頭車來說阻力總體更大。對(duì)于尾車底部設(shè)備，尾車中轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生的阻力大于底部設(shè)備所產(chǎn)生的阻力，2個(gè)轉(zhuǎn)向架占據(jù)了尾車總阻力的23.0%。并且車體底部設(shè)備阻力也是3車之中底部設(shè)備最大值。尾車阻力即表現(xiàn)出各項(xiàng)阻力均為3車之中最大，因此針對(duì)尾車的氣動(dòng)特性優(yōu)化優(yōu)先級(jí)最高。

表1 列車阻力分布

表2 列車阻力系數(shù)

3 氣動(dòng)外形優(yōu)化方案及分析

針對(duì)鈍頭型車頭阻力過大，流動(dòng)分離現(xiàn)象明顯以及列車底部設(shè)備周圍空隙過大較易產(chǎn)生渦流現(xiàn)象增加列車所受阻力等問題，本節(jié)提出2種列車氣動(dòng)特性優(yōu)化方案。首先對(duì)鈍頭車型進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)為流線型方案，如圖10(a)所示，基于流線型車頭方案上再提出針對(duì)列車底部區(qū)域的優(yōu)化方案，如圖10(b)所示。

(a) 流線型頭型優(yōu)化方案(方案1)；(b) 底部區(qū)域優(yōu)化方案(方案2)

表3 列車阻力分布對(duì)比

采用相同的數(shù)值方法對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。通過將列車頭型改進(jìn)為流線型，能夠很大程度上減少列車車體所產(chǎn)生的阻力，計(jì)算結(jié)果如表3所示。優(yōu)化方案1下的頭車、尾車車體分別為原始方案的58.2%，75.4%。頭車與尾車因?yàn)橹苯邮芨倪M(jìn)流線型的影響，緩解了列車頭部的流動(dòng)分離現(xiàn)象從而阻力大幅下降。采用流線型頭型后對(duì)列車底部設(shè)備阻力影響不一，這是由于底部復(fù)雜流場(chǎng)所導(dǎo)致的。呈現(xiàn)出頭車轉(zhuǎn)向架阻力變化不大，其余設(shè)備阻力均有減小。

在現(xiàn)有優(yōu)化流線型頭型的基礎(chǔ)上對(duì)底部區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明底部設(shè)備由原來的產(chǎn)生阻力在氣動(dòng)優(yōu)化后能夠產(chǎn)生負(fù)向的阻力即提供“動(dòng)力”。相比較于優(yōu)化方案1，頭車和中間車轉(zhuǎn)向架呈現(xiàn)阻力增加的趨勢(shì)這是由于底部設(shè)備優(yōu)化后列車底部流場(chǎng)流速加快導(dǎo)致的。優(yōu)化方案2對(duì)于列車車體的阻力產(chǎn)生的影響不大。優(yōu)化方案2下，頭車、中間車和尾車底部區(qū)域部件產(chǎn)生阻力分別為原始方案的61.4%，70.1%和58.3%。優(yōu)化方案2在優(yōu)化方案1的基礎(chǔ)上改進(jìn)了列車底部區(qū)域的氣動(dòng)特性并且保有了優(yōu)化方案1對(duì)列車車體氣動(dòng)特性改進(jìn)的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

1) 對(duì)于城市軌道列車，由于列車頭部直接受氣流沖擊并且流動(dòng)分離現(xiàn)象明顯，產(chǎn)生較大壓差阻力。中間車受氣流直接沖擊較少，正負(fù)壓區(qū)域幅值不大，產(chǎn)生阻力較小；尾車頭部出現(xiàn)明顯流動(dòng)分離現(xiàn)象，并且頭部迎風(fēng)面受氣流直接沖擊，造成尾車是3車之中貢獻(xiàn)阻力最大者。

2) 氣流經(jīng)過列車頭部產(chǎn)生流動(dòng)分離后車體底部區(qū)域流速下降，由于底部部件之間存在較大間隙使得部件與部件之間出現(xiàn)較多低速渦流影響列車氣動(dòng)特性。整體呈現(xiàn)出頭尾車底部區(qū)域流速較快，中間車底部區(qū)域流速較慢，因此頭車尾車更易出現(xiàn)較大壓差阻力。

3) 通過優(yōu)化列車頭部外形，使列車阻力相比較于原始情況得到改善。其中頭車阻力、中間車阻力和尾車阻力分別為原來的61.4%，70.1%和58.3%。在流線型車頭基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化使得頭車、中間車和尾車底部區(qū)域部件產(chǎn)生阻力為優(yōu)化流線型后的78.0%，81.3%和67.9%。

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A study of aerodynamic optimization of city rail train

YU Miao1, LIU Mingyang3, GENG Yabin2, MIAO Xiujuan4

(1. Technology Research Center, CRRC Tangshan Railway Vehicle Co., Ltd., Tangshan 063000, China;2. Product Development Center, CRRC Tangshan Railway Vehicle Co., Ltd., Tangshan 063000, China;3. Key Laboratory of Traffic Safety on Track (Central South University), Ministry of Education, Changsha 410075, China;4. Hunan Province Key Laboratory of Safety Design and Reliability Technology for Engineering Vehicle, Changsha 410075, China)

In order to study the aerodynamic characteristics of city rail trains and the influence of bottom components on the aerodynamic characteristics of trains, the three-car model was simplified with high integrity of the bottom components. The Realizable?turbulence model was applied to predict the flow field around train. The numerical results show that the tail car has the maximum aerodynamic drag, accounting for 48% of the total drag of the three cars. The middle car has minimum aerodynamic drag, accounting for 14% of the total drag. The aerodynamic drag of bogies account for 15.1%, 56.4% and 23.0% of the aerodynamic drag of head, middle and tail car, respectively. The aerodynamic drag of the components at the bottom account for 10.5%, 10.3% and 8.6% of the aerodynamic drag of head, middle and tail car, respectively. Hence, the streamlined train should be selected to be the plan of anti-drag to restrain flow separation. For the way of anti-drag for middle car, the bottom components should be considered firstly. The application of sealed cavity could reduce the pressure differential drag of components. The train aerodynamic characteristics have been significantly improved after optimizing the shape of train. The aerodynamic drag of head, middle and tail car are 61.4%, 70.1%, and 58.3% of the original situation, respectively. Stabling the flow field of bottom region of train could improve the aerodynamic characteristics of bottom components based on the optimization of train.

train aerodynamics; city rail train; aerodynamic optimization; bogie

U270.11

A

1672 ? 7029(2021)01 ? 0220 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200315

2020?04?16

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFB200404，2017YFB1201304)

苗秀娟(1995?)，女，河北秦皇島人，副教授，博士，從事列車空氣動(dòng)力學(xué)研究；E?mail：mxj77@126.com

(編輯 涂鵬)