高速列車頭車縱向布置多組制動(dòng)風(fēng)翼板氣動(dòng)性能影響分析

王 偉，謝紅太，2

（1 華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 鐵道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院， 南京 210014；2 蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 蘭州 730070）

上世紀(jì)六十年代以來，世界高速列車實(shí)現(xiàn)了從速度200 km/h 到國(guó)內(nèi)大范圍速度350 km/h 運(yùn)營(yíng)的迅猛發(fā)展?，F(xiàn)階段，隨著我國(guó)CR450 平臺(tái)動(dòng)車組及國(guó)際下一代更高速度等級(jí)高速列車的研究攻關(guān)，高速列車空氣動(dòng)力學(xué)問題表現(xiàn)尤為突出［1-3］，直接威脅著鐵路行車安全。列車空氣動(dòng)力學(xué)問題主要聚焦在高速列車外形設(shè)計(jì)及外部行車環(huán)境的適應(yīng)性研究2 個(gè)主要方面，氣動(dòng)特性表現(xiàn)復(fù)雜多變［4-5］，為滿足高速列車設(shè)計(jì)需求，需對(duì)高速列車空氣動(dòng)力學(xué)性能做深入研究。

結(jié)合現(xiàn)有研究試驗(yàn)成果及初步實(shí)踐應(yīng)用來看，目前在高速列車風(fēng)阻制動(dòng)研究領(lǐng)域，風(fēng)阻制動(dòng)系統(tǒng)普遍采用在高速列車車頂縱向布置板型制動(dòng)風(fēng)翼板實(shí)現(xiàn)空氣輔助制動(dòng)的方式，但在風(fēng)阻制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝布置方式及輔助制動(dòng)控制等方面，國(guó)內(nèi)還處于起步研究階段。

田春等人［6］采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算了8 編組高速列車全列車車頂不同縱向位置處安裝制動(dòng)風(fēng)翼板時(shí)，制動(dòng)風(fēng)翼板外圍流場(chǎng)特性，初步顯示：沿列車運(yùn)行方向首排制動(dòng)風(fēng)翼板所提供的有效制動(dòng)力最大，其余后續(xù)各組制動(dòng)風(fēng)翼板產(chǎn)生的制動(dòng)力沿縱向安裝位置往后逐漸減小，且減幅逐漸變緩。高立強(qiáng)等人［7］重點(diǎn)聚焦高速列車頭車風(fēng)阻制動(dòng)裝置的設(shè)置及分布研究，通過頭車車頂分別設(shè)置多組制動(dòng)風(fēng)翼板進(jìn)行了氣動(dòng)干擾效應(yīng)規(guī)律研究，初步顯示：當(dāng)車頂相鄰縱向布置的2 排制動(dòng)風(fēng)翼板設(shè)計(jì)間距超過20 m 后，氣動(dòng)干擾效應(yīng)基本消失，考慮消除氣動(dòng)影響多排制動(dòng)風(fēng)翼板布置時(shí)，后續(xù)各排所提供有效制動(dòng)力較前一排均略有降低。

1 多排風(fēng)翼板計(jì)算模型

文中在高速列車頭車車頂縱向位置分別以最大等間距的布置方式，分別提出1～5 組制動(dòng)風(fēng)翼板設(shè)置方案，基于三維定常不可壓的黏性流場(chǎng)N-S及k-ε雙方程模型［8-10］，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)其所產(chǎn)生的制動(dòng)力及氣動(dòng)效應(yīng)做初步研究。計(jì)算高速列車流體動(dòng)力學(xué)模型創(chuàng)建具體參照文獻(xiàn)［11-13］中相關(guān)內(nèi)容，整車計(jì)算幾何模型采用3 輛編組1∶1 實(shí)車模型，忽略車體外部復(fù)雜的細(xì)部結(jié)構(gòu)，如門把手、連接風(fēng)擋、受電弓及車底轉(zhuǎn)向架等部件，進(jìn)行網(wǎng)格劃分并設(shè)定邊界條件。

制動(dòng)風(fēng)翼板選用整體長(zhǎng)方形板型結(jié)構(gòu)，非制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，風(fēng)翼板內(nèi)嵌于列車頂面下陷凹槽中，制動(dòng)板周圍車體表面可以考慮為光滑表面；高速制動(dòng)時(shí)，升起風(fēng)翼板凹槽補(bǔ)償機(jī)構(gòu)進(jìn)行填補(bǔ)，可有效改善車頂表面流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，大大削弱風(fēng)阻制動(dòng)噪聲，因此該狀態(tài)下風(fēng)翼板周圍車體表面可以考慮為光滑表面。

結(jié)合現(xiàn)有研究技術(shù)成果［14-15］，首排風(fēng)阻制動(dòng)板的位置距離頭車車身與司機(jī)室流線型連接處D0點(diǎn)越往后，風(fēng)翼板產(chǎn)生的制動(dòng)力越低，其在200～500 mm 范圍內(nèi)，制動(dòng)力大小基本不變；但在風(fēng)翼板迎風(fēng)面表面所受壓力均勻性、高速運(yùn)行時(shí)制動(dòng)平穩(wěn)性及風(fēng)翼板安裝組件使用可靠性等隨著距離D0點(diǎn)越往后越好，列車點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象也可得到輕微緩解。同時(shí)制動(dòng)板的開合角度為75°時(shí)最優(yōu)［16-17］。因此文中設(shè)定首排制動(dòng)風(fēng)翼板設(shè)置位置距離D0點(diǎn)500 mm，風(fēng)翼板迎風(fēng)角為75°。高速列車頭車車頂縱向位置多組制動(dòng)風(fēng)翼板布置如圖1 所示。

圖1 多組風(fēng)翼板布置示意圖（單位：m）

2 計(jì)算分析

2.1 列車表面壓力

建立高速列車空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，以風(fēng)速為350 km/h、制動(dòng)風(fēng)翼板迎風(fēng)角為75°、首排風(fēng)翼板距離D0點(diǎn)500 mm，分別對(duì)裝配布置1～5 組制動(dòng)風(fēng)翼板做流體動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算分析。列車頭車縱向?qū)ΨQ面上制動(dòng)風(fēng)翼板前后流場(chǎng)壓力和速度分布分別如圖2～圖6 所示。

圖2 1 組風(fēng)翼板布置縱向?qū)ΨQ面分析

圖3 2 組風(fēng)翼板布置縱向?qū)ΨQ面分析

圖4 3 組風(fēng)翼板布置縱向?qū)ΨQ面分析

圖6 5 組風(fēng)翼板布置縱向?qū)ΨQ面分析

在高速列車頭車車頂以最大等間距布置多組制動(dòng)風(fēng)翼板時(shí)，隨著風(fēng)翼板布置組數(shù)的逐次增多，相鄰制動(dòng)風(fēng)翼板間的氣動(dòng)干擾效應(yīng)表現(xiàn)愈突出。逐次對(duì)制動(dòng)風(fēng)翼板1～5 組設(shè)置方案模擬計(jì)算，第1組風(fēng)翼板縱向前后氣流擾動(dòng)效應(yīng)最為明顯，所形成的正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)最強(qiáng)，同時(shí)影響范圍最廣，遠(yuǎn)大于后續(xù)各組；在保持第1 組風(fēng)翼板相對(duì)位置的基礎(chǔ)上，隨著設(shè)置風(fēng)翼板布置組數(shù)的增多，第2 組及后續(xù)風(fēng)翼板前后氣流擾動(dòng)效應(yīng)逐步減弱，所形成的壓力場(chǎng)強(qiáng)度逐漸變小，范圍逐漸收縮。

圖5 4 組風(fēng)翼板布置縱向?qū)ΨQ面分析

分別提取帶多組制動(dòng)風(fēng)翼板列車縱向?qū)ΨQ面上部外流場(chǎng)與列車截面接觸線，如圖7 所示，計(jì)算從頭車至尾車接觸線長(zhǎng)度—壓力分布曲線，如圖8所示。

圖7 帶制動(dòng)風(fēng)翼板列車縱向?qū)ΨQ面接觸線提取示意圖

由圖8 可知，高速列車車頂縱向多組制動(dòng)風(fēng)翼板安裝布置時(shí)，其縱向?qū)ΨQ面上所受壓力變化及分布主要表現(xiàn)為：

圖8 列車縱向?qū)ΨQ面上部接觸線壓力曲線

（1）隨著風(fēng)翼板布置組數(shù)的逐步增多，列車縱向?qū)ΨQ面上部流固接觸線所受壓力在對(duì)應(yīng)制動(dòng)風(fēng)翼板縱向安裝中心位置前后呈正負(fù)變化的趨勢(shì)，同時(shí)在各制動(dòng)風(fēng)翼板安裝中心位置對(duì)應(yīng)出現(xiàn)多個(gè)迎風(fēng)面正壓力峰值與負(fù)壓力峰值，且關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓正、負(fù)壓力峰值基本相當(dāng)。

（2）第1 組（首排）制動(dòng)風(fēng)翼板迎風(fēng)面所受正壓與背風(fēng)面所受負(fù)壓峰值及壓差達(dá)到最大，且遠(yuǎn)大于后續(xù)各組。隨著風(fēng)翼板布置組數(shù)的逐步增多，第1 組制動(dòng)風(fēng)翼板前后所受正負(fù)壓力基本保持不變，而后續(xù)各組制動(dòng)風(fēng)翼板前后所受壓力峰值基本保持同步、平穩(wěn)緩慢降低。

2.2 列車風(fēng)阻特性分析

分別對(duì)布置多組制動(dòng)風(fēng)翼板高速列車設(shè)定目標(biāo)參數(shù)，進(jìn)行縱向空氣阻力、垂向升力及橫向力迭代計(jì)算分析，不同速度等級(jí)運(yùn)行情況下對(duì)應(yīng)空氣阻力FD及垂向升力FL如圖9 所示。由于首排制動(dòng)風(fēng)翼板主要改變了高速列車車頂范圍的初始空氣流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，對(duì)于有效風(fēng)阻制動(dòng)力的貢獻(xiàn)最為突出。當(dāng)多組布置時(shí)，隨著后續(xù)縱向制動(dòng)風(fēng)翼板布置間距的逐步壓縮，列車縱向投影基本維持不變，此時(shí)所受空氣阻力略有增加，但增加幅度逐漸趨緩，阻力增加主要表現(xiàn)在帶制動(dòng)風(fēng)翼板列車整體表面復(fù)雜程度上，所受垂向升力基本維持平穩(wěn)。

圖9 不同組數(shù)風(fēng)翼板列車空氣阻力與升力

不同速度等級(jí)運(yùn)行情況下高速列車頭車車頂縱向布置1～5 組風(fēng)翼板時(shí)對(duì)應(yīng)速度—空氣阻力FD及垂向升力FL擬合曲線分別如圖10、圖11 所示。

圖1 0 帶多組風(fēng)翼板列車速度—空氣阻力擬合曲線

圖1 1 帶多組風(fēng)翼板列車速度—垂向升力擬合曲線

高速列車所受空氣阻力為式（1）：

所受垂向升力為式（2）：

其中，C1為計(jì)算空氣阻力系數(shù)為式（3）：

C2為計(jì)算升力系數(shù)為式（4）：

式（1）～式（4）中，V為靜止風(fēng)環(huán)境中列車運(yùn)行速度；AD為迎風(fēng)面積，即列車縱向投影面積，m2，文中取制動(dòng)風(fēng)翼板縱向投影面積S0=0.956 m2，不帶制動(dòng)風(fēng)翼板列車縱向投影面積S=10.863 m2，迎風(fēng)面積AD=S+S0=11.819 m2；AL為列車垂向投影面 積，m2，文 中 取AL=274.059 m2；ρ為 空 氣 密 度，kg/m3，根據(jù)計(jì)算模型熱動(dòng)力參數(shù)（P=101 325 Pa，T=293.2 K），文中取ρ=1.205 kg/m3；CD為阻力系數(shù)；CL為升力系數(shù)。

分別擬合計(jì)算帶多組風(fēng)翼板時(shí)高速列車計(jì)算模型阻力系數(shù)CD、升力系數(shù)CL、計(jì)算阻力系數(shù)C1及計(jì)算升力系數(shù)C2值見表1。由表1 可知，隨著風(fēng)翼板布置組數(shù)的逐次增多，列車空氣阻力系數(shù)CD在0.24～0.33 范圍內(nèi)逐漸緩慢增加，列車升力系數(shù)CL基本保持穩(wěn)定，約在2.1×10-3左右微小波動(dòng)。

表1 不同組數(shù)風(fēng)翼板列車氣動(dòng)特性系數(shù)值

2.3 風(fēng)翼板特性分析

分析計(jì)算制動(dòng)風(fēng)翼板迎風(fēng)面所受壓力分布，如圖12 所示。高速列車頭車車頂縱向布置多組風(fēng)翼板時(shí)，第1 組風(fēng)翼板迎風(fēng)面所受氣動(dòng)壓力最大，達(dá)到全局最大值，隨著風(fēng)翼板設(shè)置組數(shù)的增多，后續(xù)各組風(fēng)翼板迎風(fēng)面受壓基本保持同步減弱。

圖1 2 多組風(fēng)翼板迎風(fēng)面壓力分布

3 結(jié) 論

采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)帶制動(dòng)風(fēng)翼板高速列車氣動(dòng)性能分別從列車所受各向氣動(dòng)力及氣動(dòng)干擾效應(yīng)等方面對(duì)多組風(fēng)翼板縱向布置的選擇確定做了詳細(xì)計(jì)算說明。初步研究表明：

高速列車頭車車頂縱向以最大等間距的方式布置多組制動(dòng)風(fēng)翼板時(shí)，制動(dòng)風(fēng)翼板迎風(fēng)面所受正壓力及背風(fēng)面所受負(fù)壓均表現(xiàn)出在首排風(fēng)翼板前后達(dá)到最大值，所提供的風(fēng)阻制動(dòng)阻力最大，且遠(yuǎn)大于后續(xù)各組。同時(shí)后續(xù)各組正負(fù)壓力峰值基本保持一致，同步緩慢減小。隨著風(fēng)翼板布置組數(shù)的增多，制動(dòng)風(fēng)翼板間流場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變、氣動(dòng)干擾效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，影響范圍逐次擴(kuò)大，當(dāng)風(fēng)翼板以最大間距布置組數(shù)大于2 組時(shí)，隨著組數(shù)的增多所產(chǎn)生的空氣制動(dòng)力緩慢增加，阻力系數(shù)大于0.29，所產(chǎn)生的垂向升力基本維持穩(wěn)定，升力系數(shù)約為2.1×10-3。