高速列車空氣阻力與氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬研究

李科信

（大連交通大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116000）

列車空氣阻力與氣動(dòng)噪聲的大小與列車的運(yùn)行速度關(guān)聯(lián)很大，在運(yùn)行速度達(dá)到300km/h 后，其氣動(dòng)噪聲與列車速度的6次方成正比，空氣阻力與速度的二次方成正比[1]。列車處于高速運(yùn)行時(shí)，空氣阻力與氣動(dòng)噪聲會(huì)對(duì)行車安全及舒適性產(chǎn)生極大影響[2-3]，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬分析就顯得尤為重要。文獻(xiàn)[4]等通過風(fēng)洞試驗(yàn)得出高速列車的運(yùn)行阻力中空氣阻力占主要成分;文獻(xiàn)[5]采用數(shù)值模擬方法，研究了高速列車隧道會(huì)車的空氣阻力分布特性;文獻(xiàn)[6]運(yùn)用流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真軟件Fluent 分析真空管條件下，不同阻塞比和速度對(duì)列車空氣阻力的影響規(guī)律；文獻(xiàn)[7]指出當(dāng)列車運(yùn)行速度超過300km/h 時(shí)，氣動(dòng)噪聲成為其主要噪聲來源；文獻(xiàn)[8]分別從實(shí)車實(shí)驗(yàn)、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法三個(gè)方面對(duì)高速列車的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行研究，并提出隨著運(yùn)行速度的提高，氣動(dòng)噪聲逐漸成為高速列車的主要噪聲源。

目前我國(guó)高鐵的運(yùn)行速度已超過300km/h，其空氣阻力與氣動(dòng)噪聲隨速度變高急劇增大。本文對(duì)列車運(yùn)行速度為350km/h 時(shí)的空氣阻力與氣動(dòng)噪聲分布特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

1 空氣阻力與氣動(dòng)噪聲分析原理

1.1 空氣阻力分析原理

空氣阻力是列車在空氣介質(zhì)中行駛，列車相對(duì)于空氣運(yùn)動(dòng)時(shí)空氣作用力在行駛方向形成的分力，其存在制約著列車的速度，并對(duì)列車的平穩(wěn)性造成影響。如果空氣阻力占列車行駛阻力的比率很大，則會(huì)增加列車燃油消耗量或嚴(yán)重影響列車的動(dòng)力性能?？諝庾枇Φ墓綖椋?/p>

其中，C 為空氣阻力系數(shù)，該值通常是實(shí)驗(yàn)值，和物體的特征面積（迎風(fēng)面積），物體光滑程度和整體形狀有關(guān)；ρ 為空氣密度，正常的干燥空氣可取1.293g/L，特殊條件下可以實(shí)地監(jiān)測(cè)；S 物體迎風(fēng)面積；V 為物體與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。由此可知，空氣阻力的大小與列車的速度，所處的環(huán)境壓強(qiáng)以及迎風(fēng)面積均有關(guān)系，故本文利用流體力學(xué)仿真軟件FLUENT，分析列車在同一速度下，處于不同大氣壓與阻塞比時(shí)的空氣阻力分布特性，并研究其規(guī)律，為后續(xù)優(yōu)化列車外形提供理論基礎(chǔ)。

1.2 氣動(dòng)噪聲分析原理

高速列車氣動(dòng)噪聲計(jì)算步驟如下：

步驟1，采用k-ε 湍流模型對(duì)高速列車進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析；

步驟2，將穩(wěn)態(tài)分析的計(jì)算結(jié)果作為初始條件，使用LES 模型進(jìn)行瞬態(tài)湍流計(jì)算；

步驟3，將步驟2 中瞬態(tài)LES 模型轉(zhuǎn)換為新的FW-H 模型，將步驟2 的計(jì)算結(jié)果作為初始條件進(jìn)行計(jì)算，得出列車表面壓力圖。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型的控制方程為：

LES 的控制方程為N-S 方程，通過其過濾掉小漩渦，得到大漩渦的動(dòng)量方程為：

其中，G 為決定過濾尺寸的函數(shù)。

本文的亞格子模型選用Smagorinsky 模式，其渦粘度表達(dá)式為：

其中，d 為到壁面的最短距離，Cs為Smagorinsky 常數(shù)，一般取0.1，V 為計(jì)算單元的體積。FW-H 方程考慮了運(yùn)動(dòng)邊界對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的影響，其表達(dá)式為：

其中，δ（f）為Dirac 函數(shù)，H(f)為Heaviside 函數(shù)，vn為固體邊界法線方向速度。

2 列車物理模型與仿真

2.1 列車計(jì)算域

在實(shí)際運(yùn)行中的列車，它的形狀、尺寸、流線型等很多參數(shù)的設(shè)計(jì)是非常繁瑣的，需要考慮很多實(shí)際的運(yùn)行條件，而且一般實(shí)際運(yùn)行中的列車全長(zhǎng)基本可以達(dá)到200m 左右。在仿真建模的過程中，如果完全按照實(shí)際情況，考慮到列車的每一個(gè)細(xì)節(jié)，計(jì)算量過大，現(xiàn)有的分析計(jì)算能力難以做到，而且考慮很多小的細(xì)節(jié)在進(jìn)行流體分析的過程中其實(shí)并沒有多大的意義，很多小的細(xì)節(jié)對(duì)列車周圍流場(chǎng)的分布基本沒有什么影響。綜合這些因素，在建模的過程，對(duì)流場(chǎng)分布影響不大的部分和流場(chǎng)分布狀態(tài)基本一致的部分要進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，如列車中間車的流體分布狀態(tài)基本一致，因此可以只考慮一節(jié)中間車的流體狀態(tài)來近似代替所有中間車的流體狀態(tài)。

綜上所述，本文僅選用三節(jié)車體，即車頭、中間車和車尾建模。列車長(zhǎng)度為79m，高度為3.7m，寬3.38m，管道總長(zhǎng)為525m，管道入口距離車頭的距離為150m，網(wǎng)格數(shù)為34892。

2.2 列車空氣阻力仿真分析

為研究不同大氣壓下，高速列車的氣動(dòng)特性，本文采用真空管模型，設(shè)定列車行駛速度為350km/h，當(dāng)阻塞比分別為0.2，0.25，0.3，0.5，氣壓從0.1atm 變化到0.5atm 時(shí)，列車受到的空氣阻力如圖1 所示。

圖1 不同阻塞比下的氣動(dòng)阻力

由圖1 可以看出，在同一運(yùn)行速度、同一氣壓條件下，空氣阻力與管道阻塞比成正比。當(dāng)阻塞比增大時(shí)，空氣阻力也隨之增大。但當(dāng)管道的阻塞比較小時(shí)，雖然列車空氣阻力也會(huì)隨著阻塞比的增大而增大，但變化的幅度并不明顯。

由圖1 還可以看出，在不同的氣壓條件下，空氣阻力與阻塞比的正比關(guān)系并不會(huì)發(fā)生變化，但增長(zhǎng)的幅度會(huì)受到氣壓條件的影響。當(dāng)氣壓比較小時(shí)，阻塞比變化，列車氣動(dòng)阻力的變化幅度并不明顯。因此我們可以得到結(jié)論，當(dāng)管道內(nèi)氣壓較低時(shí)，可以有效減小氣壓波動(dòng)，列車運(yùn)行會(huì)更加穩(wěn)定。

3 列車氣動(dòng)噪聲仿真分析

設(shè)定列車的運(yùn)行速度為350km/h，側(cè)風(fēng)為30m/s，由于列車周圍氣動(dòng)噪聲是列車表面壓力的變化造成的，于是我們可以在列車上設(shè)立觀測(cè)點(diǎn)并進(jìn)行瞬態(tài)分析，然后通過FFT 轉(zhuǎn)換，將時(shí)域脈動(dòng)壓力變?yōu)轭l域脈動(dòng)壓力。轉(zhuǎn)變后的頻域脈動(dòng)壓力圖如圖2 所示。

圖2 列車頻域脈動(dòng)壓力圖

由圖2 可以看出，選取的三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力分布規(guī)律大致一樣，隨著頻率的增加，三處的脈動(dòng)壓力均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。其中，頭車的脈動(dòng)壓力最大，尾車次之，中間車最小，這與列車車體表面的曲率有關(guān)，曲率變化大，則脈動(dòng)壓力大，尾車脈動(dòng)壓力小于頭車是因?yàn)槟芰康暮纳ⅰ?/p>

4 結(jié)論

本文采用真空管對(duì)空氣阻力進(jìn)行計(jì)算，分析了不同阻塞比下列車空氣阻力的特性。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型和LES 方法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)計(jì)算，分析了列車車身脈動(dòng)壓力的頻域特性。得出如下結(jié)論：

（1）列車速度，氣壓一定時(shí)，空氣阻力的大小與阻塞比成正比，當(dāng)阻塞比較小時(shí)，隨氣壓的增大，空氣阻力變化不明顯。

（2）列車速度，阻塞比一定時(shí)，空氣阻力的大小與氣壓成正比，列車周圍空氣流速分布規(guī)律基本相同。

（3）從列車車身頻域脈動(dòng)壓力分布可以看出，列車車身脈動(dòng)壓力的變化規(guī)律基本一致，隨著頻率的增加，脈動(dòng)壓力逐漸變小。