不同形式的風(fēng)擋對(duì)高速列車氣動(dòng)阻力及升力的影響

楊恩宇，胡家聲，陳堯

（昆明鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，昆明 650200）

0 引言

列車運(yùn)行速度的不斷提升對(duì)列車的氣動(dòng)性能提出了更高的要求。僅就列車運(yùn)行阻力而言，相關(guān)研究表明，若列車運(yùn)行速度達(dá)到200 km/h，則空氣阻力在總阻力中的占比可達(dá)75%[1-2]。因此，通過優(yōu)化列車各部分的結(jié)構(gòu)來提高列車的氣動(dòng)性能成為列車提速和節(jié)能環(huán)保的共同要求。

風(fēng)擋裝置在列車中起著遮風(fēng)擋雨和連通車廂的重要作用。由于兩節(jié)車廂的風(fēng)擋連接處密布各種管路和線路，還有車鉤緩沖器等機(jī)械結(jié)構(gòu)，且風(fēng)擋外形相對(duì)于車身表面不夠光滑平順，故其成為影響高速列車氣動(dòng)性能的重要因素之一[3-4]。梁習(xí)鋒等[5]通過數(shù)值模擬分析了不同風(fēng)擋對(duì)高速列車運(yùn)行過程中空氣阻力的影響，分析指出大風(fēng)擋和全封閉風(fēng)擋對(duì)降低列車運(yùn)行空氣阻力有明顯作用。黃志祥等[6]通過風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)高速列車的兩種風(fēng)擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，認(rèn)為兩種不同結(jié)構(gòu)的風(fēng)擋形式只影響了車廂之間的氣動(dòng)阻力分配，對(duì)全車總阻力影響很小。黃莎等[7]對(duì)列車風(fēng)擋處的噪聲問題進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析了風(fēng)擋處的噪聲特點(diǎn)并提出了降低噪聲的有效措施。本文通過數(shù)值模擬方法，研究了僅具內(nèi)風(fēng)擋、內(nèi)風(fēng)擋+半開放式外風(fēng)擋及內(nèi)風(fēng)擋+全封閉式外風(fēng)擋3種不同的內(nèi)外風(fēng)擋組合形式對(duì)高速列車運(yùn)行過程中氣動(dòng)阻力及升力的影響。

1 物理模型與網(wǎng)格劃分

1.1 整車模型及風(fēng)擋模型

本文中的高速列車模型參照CRH380A型動(dòng)車組建立，采用NURBS方法（Non-Uniform Rational B-Spline）完成高速列車的車頭曲面建模，車頭模型如圖1所示?？紤]到研究模型的代表性及計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，選擇3輛編組形式，模型包括頭車Car 1、中間車Car 2及尾車Car 3。需要說明的是，F(xiàn)ace 1和Face 3分別為Car 1和Car 2的后端面，F(xiàn)ace 2和Face 4分別為Car 2和Car 3的前端面，F(xiàn)ace 1與Face 2之間的風(fēng)擋部分被命名為Windshield 1-2，F(xiàn)ace 3與Face 4之間的風(fēng)擋部分被命名為Windshield 3-4（內(nèi)風(fēng)擋+全封閉式外風(fēng)擋工況中的4個(gè)端面被隱藏在外風(fēng)擋內(nèi)部，故該工況無Face 1、Face 2、Face 3和Face 4）。建模時(shí)忽略列車受電弓、轉(zhuǎn)向架、門窗等部件，這些簡(jiǎn)化是必要而且合理的。3輛編組列車模型全長(zhǎng)78.0 m，整車模型如圖2所示。

圖1 車頭模型

圖2 整車模型

我國(guó)早期的CRH系列動(dòng)車組引進(jìn)多國(guó)技術(shù)，由于原型車的差異，因此風(fēng)擋形式多樣，未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)擋所用材質(zhì)也有所區(qū)別。為了使研究結(jié)果具有一定的代表性，本文采用3種最具代表性的風(fēng)擋形式進(jìn)行研究，分別是：僅具內(nèi)風(fēng)擋、內(nèi)風(fēng)擋+半開放式外風(fēng)擋以及內(nèi)風(fēng)擋+全封閉式外風(fēng)擋。僅具內(nèi)風(fēng)擋的形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但風(fēng)擋處形成較大間隙，且連接處的管路、線路及機(jī)械結(jié)構(gòu)直接外露；內(nèi)風(fēng)擋+半開放式外風(fēng)擋的形式較為常見，半開放式外風(fēng)擋僅遮擋車廂連接處的側(cè)面，車廂頂部和底部未封閉；內(nèi)風(fēng)擋+全封閉式外風(fēng)擋的形式是在內(nèi)風(fēng)擋外側(cè)設(shè)有全封閉式外風(fēng)擋，全封閉式外風(fēng)擋將車廂連接處的內(nèi)部設(shè)施設(shè)備嚴(yán)密包圍，其外形流暢，為了應(yīng)對(duì)車廂之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，全封閉式外風(fēng)擋一般采用橡膠材料。3種不同形式的風(fēng)擋模型如圖3所示。

圖3 不同形式的風(fēng)擋模型

1.2 計(jì)算域及網(wǎng)格劃分

本研究中列車運(yùn)行工況為明線運(yùn)行，考慮到明線運(yùn)行時(shí)列車尾流的影響，計(jì)算域應(yīng)在列車尾部留下足夠的空間，計(jì)算域后端面距離列車尾部52 m，計(jì)算域前端面距離列車頭部30 m，計(jì)算域?qū)挾葹?0 m，計(jì)算域高度為20 m，計(jì)算域底面距離列車底部0.2 m。

車頭流線型部分曲率變化較大，車端連接處是本文的主要研究對(duì)象，故對(duì)列車頭部和車端連接處兩個(gè)部位的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。為了準(zhǔn)確描述列車周圍流場(chǎng)情況，對(duì)列車表面邊界層進(jìn)行了棱柱網(wǎng)格加密，車身表面第一層網(wǎng)格高度取1 mm。車身周圍采用密度盒加密，密度盒之外的區(qū)域由于遠(yuǎn)離列車表面，網(wǎng)格過密不僅不能提高計(jì)算精度，反而會(huì)影響計(jì)算速度，故采用較大網(wǎng)格，計(jì)算域及網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 計(jì)算域及網(wǎng)格劃分（單位：m）

2 計(jì)算方法與邊界條件

列車高速運(yùn)行時(shí)，列車周圍空氣的流動(dòng)狀態(tài)依然滿足流體的控制微分方程，根據(jù)列車運(yùn)行參數(shù)算出來流馬赫數(shù)接近或大于0.2，車體附近雷諾數(shù)Re達(dá)到107數(shù)量級(jí)，故車體周圍應(yīng)按可壓縮流體的湍流模型進(jìn)行計(jì)算。采用雷諾時(shí)均方程法和κ～ε兩方程湍流模型求解。空間離散格式采用有限體積法的Roe格式[8-9]。

計(jì)算域入口設(shè)為壓力遠(yuǎn)場(chǎng)邊界，靜壓為3200 Pa，來流馬赫數(shù)為0.163、0.245和0.327，分別對(duì)應(yīng)200 km/h、300 km/h和400 km/h時(shí)速，湍流度取1%，湍流黏度比取1；計(jì)算域出口設(shè)為壓力出口邊界，出口靜壓為0 Pa；計(jì)算域側(cè)面及頂面設(shè)為對(duì)稱邊界；由于列車在實(shí)際運(yùn)行過程中與地面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此將計(jì)算域地面設(shè)為移動(dòng)壁面邊界，車體表面設(shè)為剛性光滑壁面。

3 結(jié)果分析

為了方便下文分析，此處定義氣動(dòng)阻力系數(shù)Cd和氣動(dòng)升力系數(shù)Cl[10]。

式中：Fx為列車氣動(dòng)阻力；Fz為列車氣動(dòng)升力；ρ為空氣密度；A為列車最大橫截面積。

3.1 風(fēng)擋局部速度矢量及端面壓力分析

圖5為列車在300 km/h速度時(shí)，俯視距車底1.5 m高度水平截面內(nèi)3種形式的風(fēng)擋單側(cè)面的速度矢量圖，從圖中可以看出，僅具內(nèi)風(fēng)擋工況中，風(fēng)擋處氣流速度減慢，風(fēng)擋凹槽內(nèi)部有明顯渦流；內(nèi)風(fēng)擋+半開放式外風(fēng)擋工況中，內(nèi)外風(fēng)擋之間的空腔內(nèi)形成低速內(nèi)部渦流，但對(duì)沿列車表面的空氣流動(dòng)速度影響較?。欢鴥?nèi)風(fēng)擋+全封閉式外風(fēng)擋工況中，車廂連接處平順光滑，未對(duì)車體表面氣流速度造成明顯影響。由此可以看出，采用內(nèi)風(fēng)擋+全封閉式外風(fēng)擋的高速列車車廂連接處的空氣流速分布情況最為理想。

圖5 不同形式的風(fēng)擋單側(cè)面速度矢量圖

選取300 km/h速度下列車Face 2面為研究對(duì)象，僅具內(nèi)風(fēng)擋及內(nèi)風(fēng)擋+半開放式外風(fēng)擋工況下列車Face 2面的壓力云圖如圖6所示（由于內(nèi)風(fēng)擋+全封閉式外風(fēng)擋工況無Face 2面，故不討論）。從圖中可以看出，無論采用哪種風(fēng)擋形式，F(xiàn)ace 2面均同時(shí)出現(xiàn)正壓和負(fù)壓，F(xiàn)ace 2面邊緣以正壓為主，內(nèi)部以負(fù)壓為主。僅具內(nèi)風(fēng)擋的Face 2面負(fù)壓比較集中，且負(fù)壓峰值達(dá)到-918 Pa；采用內(nèi)風(fēng)擋+半開放式外風(fēng)擋形式的Face 2面負(fù)壓分布比較均勻，且負(fù)壓峰值相對(duì)于僅采用內(nèi)風(fēng)擋的有所減小。

圖6 Face2端面壓力云圖（單位：Pa）

3.2 氣動(dòng)阻力分析

圖7給出了采用3種不同形式風(fēng)擋列車的氣動(dòng)阻力系數(shù)，從圖中可以看出，僅具內(nèi)風(fēng)擋的列車的氣動(dòng)阻力系數(shù)最大，采用內(nèi)風(fēng)擋+半開放式外風(fēng)擋的列車比僅具內(nèi)風(fēng)擋的列車氣動(dòng)阻力系數(shù)減少了約7%，采用內(nèi)風(fēng)擋+全封閉式外風(fēng)擋的列車比僅具內(nèi)風(fēng)擋的列車氣動(dòng)阻力系數(shù)減少了約20%。結(jié)合上文中的速度矢量圖分析，可認(rèn)為外風(fēng)擋的存在減小了車廂連接處列車表面氣體流動(dòng)的分離，從而減小了整車的氣動(dòng)阻力。此外，從圖中還可以看出，隨著列車運(yùn)行速度的增大，采用3種不同形式風(fēng)擋列車的氣動(dòng)阻力系數(shù)都呈下降趨勢(shì)，列車運(yùn)行速度從200 km/h提高到400 km/h，氣動(dòng)阻力系數(shù)降低了約14%。

圖7 采用不同形式風(fēng)擋列車的氣動(dòng)阻力系數(shù)

研究風(fēng)擋處局部的氣動(dòng)阻力有利于進(jìn)一步探究不同的風(fēng)擋結(jié)構(gòu)對(duì)列車氣動(dòng)性能的影響。表1給出了300 km/h速度下3種不同形式的風(fēng)擋處各局部的氣動(dòng)阻力，從表中可以看出，相對(duì)于僅具內(nèi)風(fēng)擋的列車，采用內(nèi)風(fēng)擋+半開放式外風(fēng)擋的列車在Face 1面所產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力絕對(duì)值減小了10.8%，在Face 2面上減小了8.2%，在Face 3面上減小了10.3%，在Face 4面上減小了7.7%，1-2總阻力減小了45.2%，3-4總阻力減小了51.2%；相較于僅具內(nèi)風(fēng)擋的列車，采用內(nèi)風(fēng)擋+全封閉式外風(fēng)擋的列車在1-2及3-4所產(chǎn)生的總阻力非常小，僅為僅具內(nèi)風(fēng)擋的列車的4.3%和4.5%。此外從表中還可以看出，風(fēng)擋本身（Windshield 1-2和Windshield 3-4）所產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力較小，車廂連接處的氣動(dòng)阻力主要由前后兩個(gè)端面的阻力差造成。

表1 300 km/h速度下不同風(fēng)擋各局部的氣動(dòng)阻力 N

3.3 氣動(dòng)升力分析

圖8給出了分別采用3種不同形式風(fēng)擋列車的氣動(dòng)升力系數(shù)，從圖中可以看出，采用3種不同形式的風(fēng)擋的列車氣動(dòng)升力系數(shù)均為負(fù)值，當(dāng)列車運(yùn)行速度在350 km/h以下時(shí)，采用內(nèi)風(fēng)擋+全封閉式外風(fēng)擋列車的氣動(dòng)升力系數(shù)絕對(duì)值最大；采用內(nèi)風(fēng)擋+半開放式外風(fēng)擋列車的氣動(dòng)升力系數(shù)絕對(duì)值最小；且采用內(nèi)風(fēng)擋+全封閉式外風(fēng)擋及內(nèi)風(fēng)擋+半開放式外風(fēng)擋列車的氣動(dòng)升力系數(shù)絕對(duì)值隨著速度的提高呈減小的趨勢(shì)。而列車運(yùn)行速度對(duì)僅具內(nèi)風(fēng)擋的列車氣動(dòng)升力系數(shù)影響不大。

圖8 采用不同形式風(fēng)擋列車的氣動(dòng)升力系數(shù)

已有的研究顯示，列車在明線運(yùn)行過程中，頭車升力一般為負(fù)值，尾車升力一般為正值。列車運(yùn)行中車輛所受升力無論正負(fù)，均會(huì)對(duì)列車的運(yùn)行產(chǎn)生不良影響，較大的負(fù)升力會(huì)使得車輛的動(dòng)態(tài)軸重增加，輪對(duì)及鋼軌磨耗加劇，反之，較大的正升力會(huì)減小輪軌之間的黏著力，在動(dòng)力車上會(huì)造成牽引力的下降，而且過大的正升力可能導(dǎo)致列車脫軌，危及行車安全。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)列車速度為300 km/h時(shí)，不同風(fēng)擋工況下各節(jié)車的氣動(dòng)升力系數(shù)如表2所示。從表中可以看出，無論列車采用何種形式的風(fēng)擋，其頭車（Car 1）均受負(fù)升力，尾車（Car 3）均受正升力，僅具內(nèi)風(fēng)擋時(shí)，其頭車和尾車升力的絕對(duì)值較大；采用內(nèi)風(fēng)擋+半開放式外風(fēng)擋及內(nèi)風(fēng)擋+全封閉式外風(fēng)擋時(shí)，頭車和尾車的升力狀況有所改善，其中內(nèi)風(fēng)擋+半開放式外風(fēng)擋的頭車升力絕對(duì)值在3種工況中為最小，內(nèi)風(fēng)擋+全封閉式外風(fēng)擋的尾車升力絕對(duì)值在3種工況中為最小，可見增加外風(fēng)擋后頭尾車升力狀況有所改善。

表2 各節(jié)車氣動(dòng)升力系數(shù)

4 結(jié)論

1）采用內(nèi)風(fēng)擋+全封閉式外風(fēng)擋的高速列車車廂連接處的空氣流速分布情況最為理想；相對(duì)于僅具內(nèi)風(fēng)擋的結(jié)構(gòu)，增加半開放式外風(fēng)擋可使車廂連接處端面壓力分布相對(duì)均勻。

2）采用不同形式風(fēng)擋的列車氣動(dòng)阻力系數(shù)的大小順序?yàn)椋簝H具內(nèi)風(fēng)擋>內(nèi)風(fēng)擋+半開放式外風(fēng)擋>內(nèi)風(fēng)擋+全封閉式外風(fēng)擋，采用內(nèi)風(fēng)擋+半開放式外風(fēng)擋的列車比僅具內(nèi)風(fēng)擋的列車氣動(dòng)阻力系數(shù)減少了約7%，采用內(nèi)風(fēng)擋+全封閉式外風(fēng)擋的列車比僅具內(nèi)風(fēng)擋的列車氣動(dòng)阻力系數(shù)減少了約20%。外風(fēng)擋的存在減小了風(fēng)擋處列車表面氣體流動(dòng)的分離，從而減小了整車的氣動(dòng)阻力。

3）當(dāng)列車運(yùn)行速度低于350 km/h時(shí)，采用不同形式的風(fēng)擋的列車氣動(dòng)升力系數(shù)：內(nèi)風(fēng)擋+全封閉式外風(fēng)擋工況>僅具內(nèi)風(fēng)擋工況>內(nèi)風(fēng)擋+半開放式外風(fēng)擋工況；僅具內(nèi)風(fēng)擋時(shí)，頭車和尾車升力系數(shù)的絕對(duì)值較大，增加外風(fēng)擋后頭尾車升力狀況有所改善。