高速列車(chē)流線型受電弓氣動(dòng)特性仿真分析

王岳宸,余以正,蓋杰,姜紅巖

(中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司 國(guó)家軌道客車(chē)系統(tǒng)集成工程技術(shù)研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130062)①

隨著對(duì)高速列車(chē)氣動(dòng)特性研究的不斷深入，高速列車(chē)頭型優(yōu)化逐步體系化，已形成了成熟的工業(yè)設(shè)計(jì)優(yōu)化流程[1]，通過(guò)優(yōu)化頭型來(lái)降低高速列車(chē)氣動(dòng)阻力已達(dá)瓶頸[2].近年來(lái)學(xué)者們對(duì)高速列車(chē)局部結(jié)構(gòu)(受電弓、風(fēng)擋、轉(zhuǎn)向架、排障器等)氣動(dòng)性能優(yōu)化、車(chē)表非光滑表面減阻和邊界層控制減阻等方面開(kāi)展了一系列研究[3-6]，其中受電弓結(jié)構(gòu)氣動(dòng)性能優(yōu)化是一個(gè)重要研究領(lǐng)域.

對(duì)于實(shí)際編組高速列車(chē)，研究表明,受電弓氣動(dòng)阻力約占整車(chē)氣動(dòng)阻力的8%，與頭車(chē)、尾車(chē)氣動(dòng)阻力之和相當(dāng)[7]，具有相當(dāng)大的減阻空間.孔學(xué)舟[2]等采用數(shù)值模擬的方法研究了受電弓下沉高度和安裝平臺(tái)形狀對(duì)氣動(dòng)阻力的影響，結(jié)果表明安裝平臺(tái)適當(dāng)下沉可使受電弓局部氣動(dòng)阻力下降52.94%、整車(chē)氣動(dòng)阻力下降6.19%.秦登[8]等人研究了受電弓升弓高度和朝向?qū)鈩?dòng)阻力的影響，結(jié)果表明受電弓具有非常明顯的非定常氣動(dòng)特性，隨著高度增加氣動(dòng)阻力近似線性增加.張亮[9]等研究了沿列車(chē)縱向受電弓布置位置對(duì)受電弓局部氣動(dòng)特性的影響，結(jié)果表明隨著受電弓安裝位置后移其氣動(dòng)阻力和升力都呈下降趨勢(shì).孫志昆[10]等研究了受電弓參數(shù)和列車(chē)編組長(zhǎng)度對(duì)氣動(dòng)阻力的影響，結(jié)果表明受電弓區(qū)域復(fù)雜湍流是下游車(chē)表邊界層明顯變厚、氣動(dòng)阻力降低的主要原因.然而，目前針對(duì)受電弓結(jié)構(gòu)氣動(dòng)性能的研究主要集中于空間位置參數(shù)、工作狀態(tài)、車(chē)基受電弓罩形狀和受電弓局部結(jié)構(gòu)改型等方面，缺乏對(duì)受電弓外形流線化的研究，而受電弓復(fù)雜鈍面結(jié)構(gòu)直接裸露在空氣中恰是其阻力形成的主要原因.

綜上所述，研究受電弓流線型外形對(duì)受電弓氣動(dòng)特性的影響具有重要意義，本文基于數(shù)值模擬的方法，采用4車(chē)編組形式構(gòu)建仿真分析模型，對(duì)流線化設(shè)計(jì)的受電弓結(jié)構(gòu)受到的氣動(dòng)力特性及其周?chē)鲌?chǎng)進(jìn)行研究.

1 分析模型

根據(jù)高速列車(chē)明線運(yùn)行特點(diǎn)，數(shù)值求解的控制方程選擇三維定常不可壓縮的雷諾平均Navier-Stokes方程：

(1)

湍流模型選擇工程上廣泛應(yīng)用的k-ωSST湍流模型[4]，該模型在近壁面采用k-ω方程，在逆壓梯度條件下對(duì)邊界層內(nèi)的求解具有顯著優(yōu)勢(shì)，在遠(yuǎn)離壁面的地方采用k-ε方程，可以有效模擬遠(yuǎn)離壁面處充分發(fā)展的湍流.k-ωSST模型的動(dòng)能k和單位耗散率ω的傳輸方程為如下：

(2)

(3)

2 計(jì)算模型

2.1 受電弓模型

本文選用某型高速列車(chē)使用的CX-PG型受電弓作為計(jì)算對(duì)比基準(zhǔn)，主要對(duì)1種流線化設(shè)計(jì)的受電弓結(jié)構(gòu)及其4種改型結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，上述受電弓結(jié)構(gòu)如圖1所示，流線化設(shè)計(jì)的受電弓主要特點(diǎn)為：①升弓裝置等設(shè)備集中化布置；②底架主體被流線型外殼完全包裹；③弓角附件被流線型外殼完全包裹.改型方案主要體現(xiàn)為弓角附件和絕緣子結(jié)構(gòu)的變化，如圖2所示，各方案結(jié)構(gòu)組個(gè)如表1所示.

圖1 受電弓整體結(jié)構(gòu)

圖2 流線型受電弓局部結(jié)構(gòu)

表1 各型受電弓結(jié)構(gòu)組合表

2.2 高速列車(chē)模型

以某型號(hào)高速列車(chē)作為計(jì)算載體，高速列車(chē)中間車(chē)橫截面變化不大，氣動(dòng)力的變化在中部趨于穩(wěn)定[2]，故本文采用4車(chē)編組全尺寸模型的計(jì)算模型，即頭車(chē)+帶受電弓中間車(chē)+無(wú)受電弓中間車(chē)+尾車(chē)的組合方式.受電弓以閉口形式安裝于中間車(chē)一位端，模型包含轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，模型結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 四車(chē)編組模型

2.3 網(wǎng)格劃分及無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

定義列車(chē)特征高度H=6 m，車(chē)體截面積與計(jì)算區(qū)域截面積之比小于0.01，計(jì)算域高度方向等于8倍特征高度，計(jì)算域列車(chē)上游長(zhǎng)度等于10倍特征高度，計(jì)算域列車(chē)下游長(zhǎng)度等于20倍特征高度，車(chē)輪踏面距地面高度為0.15 m. 參考余以正[11]在研究排障器對(duì)高速列車(chē)阻力的影響中經(jīng)過(guò)風(fēng)動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證的網(wǎng)格劃分方法，計(jì)算域網(wǎng)格使用Star CCM+中的Trim方法進(jìn)行劃分，控制第一層邊界層網(wǎng)格厚度為1 mm，列車(chē)表面網(wǎng)格Y+處于30～150的區(qū)間內(nèi)，對(duì)頭車(chē)、尾車(chē)、受電弓及轉(zhuǎn)向架區(qū)域進(jìn)行了局部加密，整體計(jì)算域進(jìn)行了3層加密設(shè)置，計(jì)算域網(wǎng)格加密效果如圖4所示.

圖4 計(jì)算域網(wǎng)格加密方式

為控制網(wǎng)格尺寸對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，構(gòu)建4套基于不同尺寸的網(wǎng)格分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，加密區(qū)域及邊界層設(shè)置同前文，計(jì)算結(jié)果如表2所示.隨著網(wǎng)格尺寸逐漸減小，高速列車(chē)的阻力和受電弓阻力變化趨于平穩(wěn)，第4套網(wǎng)格較第3套網(wǎng)格計(jì)算得到的整列車(chē)阻力和受電弓阻力分別波動(dòng)了0.9%和3.4%.雖然阻力變化幅度隨網(wǎng)格數(shù)量增大呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，但是在第3套網(wǎng)格基礎(chǔ)上繼續(xù)加密網(wǎng)格所帶來(lái)的阻力變化很小，網(wǎng)格數(shù)量卻成倍增長(zhǎng).綜合考慮計(jì)算可靠性和計(jì)算成本，后續(xù)采用第3套網(wǎng)格尺寸進(jìn)行數(shù)值計(jì)算.第3套網(wǎng)格中車(chē)體表面網(wǎng)格尺寸為30 mm，受電弓表面網(wǎng)格尺寸為15 mm，局部網(wǎng)格劃分效果如圖5所示.

表2 不同尺寸網(wǎng)格數(shù)值模擬結(jié)果

(a) 頭車(chē)表面網(wǎng)格

3 計(jì)算結(jié)果

引入無(wú)量綱阻力系數(shù)Cd對(duì)各方案氣動(dòng)阻力特性進(jìn)行比較，定義式如下：

式中:Fd為阻力，單位為N；ρ為來(lái)流密度，取ρ=1.225 kg/m3；v為給定的來(lái)流速度，單位為m/s；S為參考面積，取列車(chē)橫截面積S=11.96 m2.

3.1 基本方案結(jié)果分析

明線工況下基于400 km/h某型高速列車(chē)的CX-PG型受電弓和流線型受電弓仿真分析結(jié)果及相關(guān)參數(shù)如表3所示，流線型受電弓局部阻力較CX-PG型受電弓降低11.5%，整車(chē)阻力降低了0.9%，受電弓受到的升力增大約8倍.受電弓空氣阻力的來(lái)源主要是其迎風(fēng)面正壓與背風(fēng)面負(fù)壓所產(chǎn)生的壓力差[2]，兩方案受電弓表面壓力云圖如圖6所示， 流線型受電弓大部分結(jié)構(gòu)為流線型或圓弧面過(guò)度結(jié)構(gòu)，有效減少了滯止區(qū)域面積，降低了受電弓所受的正壓.

表3 CX-PG型與流線型受電弓結(jié)果

圖6 受電弓表面壓力云圖

受電弓區(qū)域中心對(duì)稱(chēng)面速度云圖及流線圖如圖7所示，流線型受電弓底架后部回流區(qū)明顯小于CX-PG型受電弓，沒(méi)有形成較大的渦流，流速波動(dòng)相對(duì)偏低，流場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定，有利于背風(fēng)側(cè)負(fù)壓降低.綜上兩點(diǎn)，并考慮流線型受電弓迎風(fēng)面積偏低，其受到的壓差阻力顯著小于CX-PG型受電弓.

(a) CX-PG型受電弓

從數(shù)值分析結(jié)果中還能看出，流線型受電弓對(duì)車(chē)體氣動(dòng)阻力也有影響，主要作用于受電弓下游車(chē)輛.采用流線型受電弓的列車(chē)與采用CX-PG型受電弓的列車(chē)相比，受電弓下游車(chē)輛單節(jié)車(chē)阻力減少了0.7%～2%，越靠近下游阻力減少程度越小.分析受電弓下游流列車(chē)表面邊界層變化，如圖8所示，受電弓下游車(chē)體上表面邊界層厚度顯著增大，近壁處法向速度梯度降低，使得車(chē)頂表面黏性切應(yīng)力明顯降低，受電弓下游車(chē)輛受到的氣動(dòng)阻力隨之減小.分析列車(chē)表面黏性切應(yīng)力變化，如圖9所示，受電弓下游車(chē)體上表面黏性切應(yīng)力較上游車(chē)體明顯下降，CX-PG型受電弓下游應(yīng)力場(chǎng)呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布，受電弓后中心區(qū)域黏性切應(yīng)力偏低，其余區(qū)域黏性切應(yīng)力偏高；而流線型受電弓下游應(yīng)力場(chǎng)分布較為均勻，黏性切應(yīng)力整體偏低，最終體現(xiàn)為流線型受電弓下游車(chē)輛阻力小于CX-PG型受電弓.

圖8 列車(chē)中心對(duì)稱(chēng)面邊界層云圖

(a) CX-PG型受電弓

3.2 改型方案結(jié)果分析

為進(jìn)一步優(yōu)化流線型受電弓的氣動(dòng)特性，本文對(duì)4個(gè)改型方案進(jìn)行了仿真分析，改型方案的阻力系數(shù)和升力計(jì)算結(jié)果如圖10所示.結(jié)果表明受電弓結(jié)構(gòu)調(diào)整對(duì)頭車(chē)阻力影響很小，影響主要集中在安裝受電弓的車(chē)輛及下游車(chē)輛.對(duì)比改型1方案、改型2方案和改型3方案的計(jì)算結(jié)果，可以看出在明線工況下一體流線型包裹的弓角結(jié)構(gòu)氣動(dòng)阻力最小，弓角結(jié)構(gòu)對(duì)受電弓受到的升力影響顯著，減小翼型結(jié)構(gòu)的水平投影面積有助于降低弓角結(jié)構(gòu)受到的升力.對(duì)比改型方案3和改型方案4的計(jì)算結(jié)果，可以看出在明線工況下一體式絕緣子氣動(dòng)阻力最小，一體式絕緣子結(jié)構(gòu)由于沒(méi)有二次迎風(fēng)面，使得結(jié)構(gòu)受到的壓差阻力顯著降低.采用一體流線型包裹弓角結(jié)構(gòu)和一體式絕緣子的改型4方案流線型受電弓，取得了最小的受電弓局部氣動(dòng)阻力、最小的整車(chē)氣動(dòng)阻力和最小的受電弓局部升力，同CX-PG型受電弓方案相比，改型4方案單弓氣動(dòng)阻力下降了15.9%，整車(chē)氣動(dòng)阻力下降1.8%.

(a) 各方案阻力系數(shù)

4 結(jié)論

本文以某型號(hào)高速列車(chē)為基礎(chǔ)，以現(xiàn)役CX-PG型受電弓作為比較基準(zhǔn)，針對(duì)一種流線型受電弓及其四種改型方案，采用數(shù)值分析的方法研究了流線型受電弓周?chē)鲌?chǎng)和氣動(dòng)力特性，并比較了不同結(jié)構(gòu)的弓角和絕緣子對(duì)受電弓氣動(dòng)阻力和升力的影響.通過(guò)研究和分析得到以下結(jié)論:

(1)流線型受電弓有效減小了滯止區(qū)面積和迎風(fēng)面積，并減緩了受電弓尾部渦流，有效降低了受電弓受到的壓差阻力，流線型受電弓方案受到的氣動(dòng)阻力相較于CX-PG型受電弓降低了11.5%;

(2)受電弓結(jié)構(gòu)能使其下游車(chē)輛上表面邊界層厚度增大，降低了法向速度梯度，對(duì)降低下游車(chē)輛氣動(dòng)阻力有一定效果.流線型受電弓方案尾流渦流相對(duì)較小，下游流場(chǎng)變化更為均勻平穩(wěn)，降低整車(chē)阻力的效果更好，相較于CX-PG型受電弓，整車(chē)氣動(dòng)阻力降低了0.9%;

(3)流線型受電弓受到的升力較CX-PG型受電弓高出一個(gè)量級(jí);

(4)受電弓弓角和絕緣子結(jié)構(gòu)對(duì)受電弓和整車(chē)受到的阻力有一定影響，在明線工況下，采用一體流線型包裹的弓角結(jié)構(gòu)和一體式絕緣子結(jié)構(gòu)的組合能取得更好的減阻效果，相較于CX-PG型受電弓，該組合形式的流線型受電弓單弓氣動(dòng)阻力降低了15.9%，整車(chē)氣動(dòng)阻力降低了1.8%.