尾部吹氣控制對(duì)城軌列車氣動(dòng)阻力的影響

蔣 欣，杜俊濤，尚克明

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，青島 266111)

0 引言

隨著軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，列車能耗問(wèn)題引起了更多人的關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021 年全國(guó)城軌交通總電能耗約為213.1×108kW·h，其中牽引能耗約為106.2×108kW·h，相較于2020 年增長(zhǎng)了26.4%[1]。研究表明，列車消耗的能源主要用于克服運(yùn)行阻力，且列車氣動(dòng)阻力與運(yùn)行速度的平方成正比關(guān)系，時(shí)速160 km 運(yùn)行的鈍頭列車氣動(dòng)阻力約占總阻力的75%[2-3]。我國(guó)下一代城市軌道交通運(yùn)營(yíng)列車車速將大幅提升，列車運(yùn)行阻力會(huì)進(jìn)一步增大，這對(duì)城市軌道列車節(jié)能降耗提出了新挑戰(zhàn)。

列車氣動(dòng)阻力主要分為壓差阻力和摩擦阻力[4]：壓差阻力主要由于空氣在列車周圍的繞流特性形成的車頭與車尾的壓力差所致；摩擦阻力由于空氣黏性效應(yīng)導(dǎo)致列車近壁面附近的氣流速度沿法向迅速變化，并在各個(gè)速度層之間形成切應(yīng)力，進(jìn)而形成列車表面的黏性切應(yīng)力[5]。與流線型高速列車不同，城市軌道交通列車需要綜合考慮運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性和載客量要求，頭、尾車流線型長(zhǎng)度較短，壓差阻力占比較大[6]，傳統(tǒng)的基于外形優(yōu)化方式減阻的效果有限，因此新的列車氣動(dòng)減阻方法亟待探索。

近年來(lái)，各種流動(dòng)控制技術(shù)在航空航天等領(lǐng)域已有應(yīng)用，在鐵路列車方面也有相關(guān)研究[7-9]。被動(dòng)控制方面，杜健等[10-11]通過(guò)仿生鯊魚表面開展基于非光滑溝槽的高速列車減阻研究，結(jié)果顯示不同來(lái)流下的溝槽壁面阻力系數(shù)均小于光滑壁面，可取得6%以上的減阻效果；朱海燕等[12]通過(guò)模擬仿真研究了不同特征尺寸的凸包對(duì)高速列車氣動(dòng)阻力的影響，頭車部位加設(shè)非光滑凸包更有利于列車減阻，特定大小和陣列的凸包對(duì)整車減阻率為3.8%；周丹等[13]研究了不同形態(tài)的仿生球體結(jié)構(gòu)對(duì)高速磁懸浮列車氣動(dòng)阻力的影響，結(jié)果表明仿生球體可以有效降低尾流流速、減小尾流分離高速區(qū)面積，凸坑和凹坑形態(tài)球體可分別實(shí)現(xiàn)7.6%和14.6%的尾車減阻；Barros 等[14]和Haffner 等[15]通過(guò)渦發(fā)生器控制Ahmed 車體的邊界層流動(dòng)和延遲尾流分離。主動(dòng)流動(dòng)控制方面，高國(guó)強(qiáng)等[16]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法研究了等離子體技術(shù)對(duì)列車車身表面邊界層分離的抑制效果，研究發(fā)現(xiàn)矩形和曲形電極比線形和鋸齒形電極抑制流動(dòng)分離效果更加明顯，并且隨著外加電壓的的增大抑制效果也逐漸增大；黃莎等[17]通過(guò)數(shù)值模擬方法研究了在CRH1 型車等截面車身與流線型尾部過(guò)渡位置射流的減阻效果，結(jié)果顯示射流可實(shí)現(xiàn)尾車10.78%、整車4.88%的減阻效果；熊小慧等[18]通過(guò)在等截面車身部位噴射氦氣從而降低車身表面的摩擦阻力，研究表明當(dāng)射流速度為0.1U時(shí)可實(shí)現(xiàn)10.93%的整車減阻率。

綜上所述，主/被動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)在列車減阻方面得到了較多的研究，大多數(shù)的流動(dòng)控制方法通過(guò)改變車身周圍流場(chǎng)或者抑制流動(dòng)分離進(jìn)而減小列車運(yùn)行阻力。本文主要采用數(shù)值模擬方法在尾車特定表面設(shè)置吹氣界面，探索不同吹氣位置、吹氣速度和吹氣集中點(diǎn)對(duì)抑制尾車流線型部位流動(dòng)分離的影響，通過(guò)減弱尾流區(qū)的渦旋強(qiáng)度、減小頭尾車的壓差阻力進(jìn)而實(shí)現(xiàn)減小氣動(dòng)阻力的目的。

1 數(shù)值計(jì)算方法

本文選用某典型城軌列車作為研究對(duì)象?？紤]計(jì)算規(guī)模及效率，采用如圖1 所示三車（頭車、中間車和尾車）編組的列車模型，模型全尺寸長(zhǎng)L0=71.2 m，寬W=3 m，高H=3.85 m，其中頭車、尾車長(zhǎng)23.7 m，中間車長(zhǎng)21.88 m，列車最大橫截面積為9.88 m2。列車運(yùn)行速度為140 km/h，即38.889 m/s，計(jì)算模型縮比比例為1∶8。為了盡可能地模擬列車的真實(shí)外形，模型保留了轉(zhuǎn)向架、風(fēng)擋等關(guān)鍵部位，對(duì)列車表面的窗戶、車門、車燈等小尺寸突出結(jié)構(gòu)做了光順處理。列車吹氣部位為尾車流線型與非流線型的過(guò)渡位置，共8 個(gè)吹氣邊界。

圖1 列車全車模型圖Fig.1 Model diagram of the whole train

通過(guò)基于有限體積法的Ansys Fluent 求解器進(jìn)行列車流場(chǎng)數(shù)值模擬，采用Realizablek-ε兩方程模型的延遲脫體渦模擬方法（delayed detached-eddy simulation,DDES）模擬以旋渦流主導(dǎo)的列車尾流流動(dòng)，列車阻力采用求解壓力耦合方程的半隱方法（semi-implicit method for pressure linked equation,SIMPLE），對(duì)流項(xiàng)與黏性項(xiàng)離散分別采用了二階迎風(fēng)格式和有界中心差分格式。為保證數(shù)值仿真的精度要求，殘差項(xiàng)設(shè)置為1×10-6。

圖2 所示為計(jì)算區(qū)域大小及邊界條件設(shè)置。以車高H無(wú)量綱化，計(jì)算域尺寸為75H×17H×12.5H，列車頭部距計(jì)算區(qū)域上游入口處18.5H。列車上游邊界設(shè)置為速度入口，速度與車速相等且與列車運(yùn)行方向相反；下游邊界為壓力出口，給定靜壓為環(huán)境壓力；地面和軌道為滑移壁面，模擬真實(shí)條件下列車與周圍環(huán)境的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，滑移速度大小和方向與速度入口一致；計(jì)算區(qū)域頂面與側(cè)面采用對(duì)稱邊界，列車表面為無(wú)滑移壁面。對(duì)于吹氣控制工況，在尾車表面相應(yīng)部位設(shè)置速度入口，吹氣方向沿x正方向并呈現(xiàn)一定角度。

圖2 列車外流場(chǎng)計(jì)算域及邊界設(shè)置Fig.2 Computational domain and boundary setup for flow around the train

為保證尾流、壁面邊界層等流動(dòng)區(qū)域的網(wǎng)格質(zhì)量，車體周圍及尾流區(qū)采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，轉(zhuǎn)向架區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對(duì)車身周圍2H空間范圍內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行加密，控制該處空間網(wǎng)格長(zhǎng)細(xì)比小于2∶1，模型網(wǎng)格數(shù)量約為1.07×108，局部網(wǎng)格見(jiàn)圖3。為滿足湍流模型y+的要求，文章構(gòu)造的第一層網(wǎng)格高度在1.0 mm以內(nèi)；車體表面邊界層高度內(nèi)網(wǎng)格設(shè)置為35 層，保證在黏性效應(yīng)影響范圍內(nèi)有足夠的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)；為保證網(wǎng)格尺度的連續(xù)性，邊界層法向網(wǎng)格增長(zhǎng)率不大于1.2；對(duì)列車尾部吹氣控制邊界處網(wǎng)格進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，提升該區(qū)域的流動(dòng)控制預(yù)測(cè)精度。

圖3 計(jì)算網(wǎng)格Fig.3 Computational grid

為了方便對(duì)比，定義以下無(wú)量綱系數(shù)：

式中，Cp為壓力系數(shù)；CD為氣動(dòng)阻力系數(shù)；p為流場(chǎng)壓力；p0為無(wú)窮遠(yuǎn)處的壓力，取值為0；FD為列車氣動(dòng)阻力；ρ為空氣密度1.225 kg/m3；v為列車運(yùn)行速度38.889 m/s；S為列車橫截面最大面積，縮比后取值為0.154 4 m2。

2 數(shù)值方法驗(yàn)證

2.1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

為了探明網(wǎng)格密度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，本文通過(guò)更改第一層網(wǎng)格高度和附面層內(nèi)網(wǎng)格層數(shù)設(shè)置粗、中、細(xì)3 種不同網(wǎng)格密度的計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證。表1所示為網(wǎng)格密度基本參數(shù)，車體表面平均y+均在30～100 之間。為直觀比較網(wǎng)格分辨率對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，圖4 給出了不同網(wǎng)格密度下列車縱剖面壓力系數(shù)沿列車上表面中心線的分布曲線。如圖4 所示，列車縱剖面壓力分布在中、細(xì)網(wǎng)格密度下分布基本一致，僅在風(fēng)擋等復(fù)雜流動(dòng)區(qū)域存在較小差異，粗密度網(wǎng)格下的壓力分布相較于中、細(xì)網(wǎng)格而言差異較大。為了節(jié)約計(jì)算資源，采用中網(wǎng)格進(jìn)行模擬。

表1 不同分辨率網(wǎng)格基本參數(shù)Table 1 Key parameters of the grids with different resolutions

圖4 不同網(wǎng)格密度下列車縱剖面壓力系數(shù)分布對(duì)比Fig.4 Comparison of longitudinal pressure coefficient distributions on the train under different grid resolutions

2.2 數(shù)值方法驗(yàn)證

文章選用上節(jié)所選用的中等精度網(wǎng)格進(jìn)行模擬，依據(jù)外流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)阻力分布特性，結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證本文選用的湍流模型。列車風(fēng)洞試驗(yàn)在四川綿陽(yáng)中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心風(fēng)洞進(jìn)行，試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎?∶8 縮比的三節(jié)編組列車，如圖5 所示。表2 為不同湍流模型下的數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)的阻力系數(shù)對(duì)比，數(shù)據(jù)表明，3 種模擬方法中基于k-ε-Realizable-DDES 湍流模型的阻力誤差最小，其中尾車誤差小于9%，整車誤差小于2%。

表2 不同湍流模型下列車氣動(dòng)阻力系數(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of aerodynamic drag coefficients of the train under different turbulence models

圖5 列車風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.5 Wind tunnel test model of the train

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 吹氣位置確定

列車氣動(dòng)阻力由壓差阻力與摩擦阻力兩部分組成，圖6 為各節(jié)車壓差阻力與摩擦阻力在整車氣動(dòng)阻力中的占比。從各節(jié)車阻力分布來(lái)看，頭車占整車氣動(dòng)阻力的35.28%，中間車占21.92%，尾車占42.80%，即頭尾車對(duì)整車的氣動(dòng)阻力貢獻(xiàn)最大；從阻力來(lái)源分布來(lái)看，整車壓差阻力占比超過(guò)80%，以尾車最為明顯，頭車次之，中間車最小。因此，通過(guò)流動(dòng)控制技術(shù)降低列車氣動(dòng)阻力時(shí)，尾車的壓差阻力是重點(diǎn)考慮因素。

為找尋合適的列車尾部吹氣控制位置，需要分析列車附近的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。分別選取了整車縱向和橫向共4 個(gè)典型截面，如圖7 所示，分析各截面壓力分布特點(diǎn)。圖8 與圖9 分別為不同水平截面和縱切面的時(shí)均壓力系數(shù)云圖。由圖可知，列車頭部區(qū)域壓力最大，頭車流線型區(qū)域壓強(qiáng)下降并逐步由發(fā)展為負(fù)壓，列車等截面車身周圍區(qū)域壓強(qiáng)變化較小，尾車流線型區(qū)域因車輛截面外形突變，產(chǎn)生明顯的氣流分離導(dǎo)致壓力增大，出現(xiàn)明顯的增壓效應(yīng)，最后為尾流影響區(qū)域，該區(qū)域流場(chǎng)變化劇烈，且氣流作用的強(qiáng)度隨著距尾車鼻尖點(diǎn)之間距離的增加而減弱。

圖7 截面位置示意圖Fig.7 Schematic diagram of the cross sections

圖8 列車不同縱截面時(shí)均壓力分布Fig.8 Time-averaged pressure distributions in different vertical cross sections of the train

圖9 列車不同橫截面時(shí)均壓力分布Fig.9 Time-averaged pressure distributions in different horizontal cross sections of the train

圖10 為帶有速度流線的尾車時(shí)均壓力云圖，由圖可知尾流區(qū)出現(xiàn)了明顯的流動(dòng)分離現(xiàn)象，并且該分離延伸至尾部中間靠下位置。圖11 為Q準(zhǔn)則描述的車身周圍瞬態(tài)渦結(jié)構(gòu)，采用速度著色，Q值取為3 000。分析表明，尾部區(qū)域流場(chǎng)壓強(qiáng)降低，在向下游發(fā)展時(shí)形成強(qiáng)逆壓梯度區(qū)域，促使流動(dòng)失穩(wěn)分離，在尾部上方兩側(cè)和下方兩側(cè)產(chǎn)生流向渦并誘導(dǎo)生成豐富的旋渦結(jié)構(gòu)。結(jié)合壓力分布可知，這一由肩部延續(xù)至尾部下半部分的強(qiáng)負(fù)壓區(qū)域是導(dǎo)致列車尾車較大阻力的重要原因。

圖10 帶有時(shí)均速度流線的尾車壓力云圖Fig.10 Pressure contours of the rear car with time-averaged streamlines

圖11 基于Q 準(zhǔn)則等值面的鈍頭列車周圍瞬態(tài)旋渦結(jié)構(gòu)（Q=3 000）Fig.11 Instantaneous vortex structures around the blunt train based on iso-surfaces of Q-criterion (Q=3 000)

吹氣控制主要通過(guò)在流動(dòng)環(huán)境中直接加入合適的質(zhì)量/動(dòng)量/能量擾動(dòng)，使之與系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)相互作用，達(dá)到改變近壁流動(dòng)特征的目的。對(duì)于當(dāng)前研究列車模型，其尾車流向旋渦的形成與尾車頭部外形、肩部過(guò)渡區(qū)流動(dòng)分離效應(yīng)密切相關(guān)，進(jìn)而導(dǎo)致了尾車尾部的強(qiáng)負(fù)壓分布。要緩解甚至消除該負(fù)壓區(qū)域，勢(shì)必要對(duì)該流向旋渦結(jié)構(gòu)加以調(diào)控，文章通過(guò)動(dòng)量注入改變旋渦上游來(lái)流運(yùn)動(dòng)方向，降低形成旋渦渦核強(qiáng)度，減小列車頭尾壓差，進(jìn)而減小列車運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)阻力。

根據(jù)以上分析，文章在車尾與車身連接區(qū)域附近設(shè)置吹氣邊界以控制尾流分離。為便于說(shuō)明，將吹氣邊界分為8 個(gè)區(qū)域，各邊界吹氣方向匯聚同一點(diǎn)，吹氣作用形式如圖12 所示，集中點(diǎn)吹氣為所有邊界吹氣方向指向尾車下游某一指定位置，旨在從流向型長(zhǎng)度思路調(diào)控尾部流動(dòng)，以獲得城軌列車尾部的氣動(dòng)修型作用。圖12 中尺寸為全尺寸標(biāo)注，分別編號(hào)1～8，進(jìn)而確定四種吹氣方案，不同方案對(duì)應(yīng)的吹氣邊界如表3 所示。

表3 尾車吹氣方案設(shè)計(jì)Table 3 Air blowing schemes on the rear car

圖12 尾車吹氣裝置邊界示意圖Fig.12 Schematic diagram of the blowing device on the rear car

3.2 不同射流方案阻力分析

為探究吹氣邊界布置對(duì)列車減阻效果的影響，本節(jié)采用上述四種吹氣方案對(duì)列車阻力特性開展研究，各方案下的吹氣速度均為0.6U，其中，U為來(lái)流速度，即38.889 m/s。圖13 所示為不同吹氣方案下各節(jié)車和整車的減阻率，吹氣控制對(duì)尾車阻力影響最大，其次是中車，其對(duì)頭車阻力影響很小，吹氣方案二和方案四的減阻性能優(yōu)于方案一和方案三。圖14 進(jìn)一步分析了不同吹氣方案對(duì)列車整車壓差、摩擦和總阻力的影響，結(jié)果表明吹氣方案主要影響列車壓差阻力，方案一至方案四對(duì)列車壓差阻力的減阻效果分別為8.7%、13.3%、8.7%、16.6%，其中方案二和方案四的整車氣動(dòng)減阻率分別為11.2%和12.9%

圖13 不同吹氣方案對(duì)列車氣動(dòng)減阻率的影響Fig.13 Influence of different blowing schemes on the aerodynamic drag reduction ratio of the train

圖14 不同吹氣方案對(duì)列車壓差、摩擦和總阻力的影響Fig.14 Influence of different blowing schemes on the pressure difference,friction drag and total drag of the train

圖15 和圖16 為不同吹氣方案下的列車尾車壁面、y=0.08 m 截面的壓力和流線圖。吹氣控制下，由頂部側(cè)緣拖出的流向渦結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn)，然而吹氣控制可減弱流向渦強(qiáng)度，使得尾部頂端附近的壓力顯著高于無(wú)控制工況；同時(shí)，吹氣控制可使流向渦向下游發(fā)展過(guò)程中加速增壓，因此列車尾部由上到下呈現(xiàn)壁面壓強(qiáng)整體升高的趨勢(shì)，保證了尾部壁面下方的壓強(qiáng)遠(yuǎn)高于無(wú)控制工況。此外，列車底部流動(dòng)繞過(guò)尾車側(cè)緣在底部發(fā)生分離，該分離流在尾部下方再附，再附位置對(duì)應(yīng)于尾車壓力峰值。因此，吹氣控制可有效降低尾車壓差阻力。

圖15 不同吹氣方案下列車壁面壓力云圖Fig.15 Pressure contours on the train surface under different blowing schemes

圖16 不同吹氣方案下y=0.08m 截面壓力云圖Fig.16 Pressure contours in the cross section of y=0.08m under different blowing schemes

下面分析方案二減阻效果優(yōu)于方案三的原因。分離區(qū)壓力主要由分離點(diǎn)處壓力決定，根據(jù)圖16 的壓力和流線分布可知，由于方案三的吹氣邊界更靠外圈，導(dǎo)致其肩部負(fù)壓區(qū)遠(yuǎn)大于方案二，且其分離點(diǎn)更靠近上游，因此方案三頂部分離點(diǎn)處的壓強(qiáng)小于方案二。圖17 為兩種方案在z=0.38 m 截面的流向渦量分布，粉色標(biāo)記為吹氣邊界，由圖可知方案二的吹氣邊界更靠近流向渦的渦核，且吹氣方向與該處回流區(qū)流動(dòng)方向差異明顯，從而對(duì)該處流向渦的發(fā)展造成強(qiáng)干擾，有效的減弱了流向渦強(qiáng)度；方案三的吹氣邊界更靠外圈，該處流動(dòng)剛發(fā)生分離不久，吹氣方向與流動(dòng)該處回流區(qū)流動(dòng)方向基本一致，吹氣控制在一定程度上增強(qiáng)了流向渦，因此吹氣邊界與流向渦渦核的相對(duì)位置對(duì)列車減阻有重要影響。方案四是方案二和三吹氣邊界的組合，其在方案二減阻優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上增加了吹氣邊界，使得減阻率進(jìn)一步增大。綜上所述，分離點(diǎn)壓力和流向渦強(qiáng)度是影響列車阻力的重要因素。

圖17 不同吹氣方案下z=0.38m 截面流向渦量云圖Fig.17 Streamwise vorticity contours in the cross section of z=0.38m under different blowing schemes

3.3 不同射流速度阻力分析

本節(jié)主要探究吹氣速度（vb）對(duì)尾流流動(dòng)特征和減阻率的影響。由上節(jié)可知，四種吹氣布置方案中方案四具有最大的減阻率，因此本節(jié)將基于方案四吹氣位置開展研究。圖18 為三種不同吹氣速度（vb=0.2U、0.4U和0.6U）控制下，列車各節(jié)車的減阻率變化，數(shù)據(jù)表明，隨著吹氣速度增加，整車減阻率隨之增大，且尾車的減阻效果最為顯著。進(jìn)一步對(duì)比吹氣速度對(duì)各車壓差減阻和摩擦減阻的影響如圖19 所示，可知吹氣控制主要影響壓差阻力，對(duì)摩擦阻力影響很小，且更大的吹氣速度可以得到更低的壓差阻力。

圖18 不同吹氣速度對(duì)列車氣動(dòng)減阻率的影響Fig.18 Influence of different blowing speeds on the aerodynamic drag reduction ratio of the train

圖19 不同吹氣速度對(duì)列車壓差、摩擦和總阻力的影響Fig.19 Influence of different blowing speeds on the pressure difference,friction drag and total drag of the train

圖20～圖22 為列車尾車壁面、對(duì)稱面、y=0.08 m截面的壓力和流線分布。顯然，較小的吹氣速度vb=0.2U即可抑制列車尾部的強(qiáng)流向渦，從而使得尾部側(cè)緣低壓區(qū)消失，尾部壓力增大。同時(shí)，相比于無(wú)控制工況，吹氣控制使得尾車與尾部連接過(guò)渡區(qū)的負(fù)壓減弱，負(fù)壓影響區(qū)域也縮小。因此，盡管吹氣控制下，列車尾流區(qū)域依然有流動(dòng)分離，但分離點(diǎn)處的壓強(qiáng)已遠(yuǎn)大于無(wú)控制工況，使得其分離泡內(nèi)壓強(qiáng)大于無(wú)控制下的流向渦內(nèi)壓強(qiáng)。隨著吹氣速度vb由0.2U增大到0.6U，尾部分離區(qū)逐漸減小，尾部壓力隨之增大，有效減小了尾車的壓差阻力。

圖20 不同吹氣速度下的尾車壁面壓力變化Fig.20 Pressure variations on the rear-car surface under different blowing speeds

圖22 不同吹氣速度下y=0.08 m 截面壓力云圖及流線圖Fig.22 Pressure contours and streamlines in the cross section of y=0.08 m under different blowing speeds

3.4 不同射流角度阻力分析

吹氣控制的射流方向是可能影響列車氣動(dòng)減阻效率的關(guān)鍵參數(shù)，本節(jié)主要探究不同吹氣集中點(diǎn)對(duì)列車氣動(dòng)減阻率的影響。在上文研究的吹氣方案（方案四）和吹氣速度（vb=0.6U）的基礎(chǔ)上，文章通過(guò)改變集中吹氣點(diǎn)距尾車鼻尖點(diǎn)的距離設(shè)計(jì)了四種吹氣角度，分別為L(zhǎng)=1.5、3.0、4.0、5.0 m，如圖23 所示。

圖23 不同吹氣角度示意圖Fig.23 Schematic diagram of different blowing angles

圖24 和圖25 分別為不同吹氣集中點(diǎn)下各節(jié)車和整車的減阻率以及對(duì)列車摩擦和壓差阻力的影響。由圖可知，不同L下，集中吹氣控制可同時(shí)降低中車和尾車的摩擦阻力和壓差阻力，又由于吹氣控制主要影響尾流結(jié)構(gòu)，因此其對(duì)壓差阻力的影響遠(yuǎn)大于摩擦阻力。L由1.5 m 增大到5 m，尾車壓差減阻率從31.9%降低到27.5%，整車總阻力減阻率從12.9%降低到11.3%。總體而言，隨著吹氣集中點(diǎn)水平位置改變，列車阻力差異較小。

圖24 不同吹氣角度對(duì)列車氣動(dòng)減阻率的影響Fig.24 Influence of different blowing angles on the aerodynamic drag reduction rate of the train

圖25 不同吹氣角度對(duì)列車壓差、摩擦和總阻力的影響Fig.25 Influence of different blowing angles on the pressure difference,friction drag and total drag of the train

圖26 和圖27 分別為列車壁面和對(duì)稱面（y=0）的壓力和流線分布。由圖可知，吹氣集中點(diǎn)水平位置L由1.5 m 增大到5.0 m，尾流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，由尾部頂端兩側(cè)拖出的一對(duì)流向渦被抑制，取而代之的是在車身與尾部連接處，由于逆壓梯度和吹氣控制的耦合干擾形成的尾部回流區(qū)。此時(shí)，氣流繞過(guò)車身連部位在尾部發(fā)生分離，形成繞尾部邊緣一圈的分離線，這些分離流在尾部中心附近再附，形成再附結(jié)點(diǎn)。同時(shí)，此分離流誘導(dǎo)的二次分離與列車尾部下方的流動(dòng)分離相遇，在尾部下方形成更強(qiáng)的再附，產(chǎn)生尾部壓力峰值。

圖26 不同吹氣角度下列車壁面壓力云圖Fig.26 Pressure contours on the train surface under different blowing angles

圖27 不同吹氣角度下列車y=0 截面壓力及流線圖Fig.27 Pressure contours and streamlines in the cross section of y=0 under different blowing angles

4 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬方法研究了吹氣控制對(duì)城市軌道交通列車氣動(dòng)阻力的影響，分析了列車車身周圍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及尾車壓差阻力形成的原因，探索了不同吹氣位置、不同吹氣速度和不同吹氣集中點(diǎn)對(duì)列車減阻率的影響，研究結(jié)果表明：

1）吹氣邊界位置對(duì)列車氣動(dòng)減阻率具有重要影響。吹氣邊界與流向渦渦核的相對(duì)位置是影響列車阻力的重要因素，吹氣邊界越靠近流向渦渦核，對(duì)流向渦強(qiáng)度的弱化效應(yīng)越強(qiáng)，列車阻力越小。

2）增大吹氣速度可提升列車氣動(dòng)減阻性能，原因在于吹氣控制通過(guò)注入動(dòng)量以強(qiáng)制改變旋渦上游來(lái)流運(yùn)動(dòng)形式來(lái)抑制流向渦。吹氣速度增加對(duì)列車壓差阻力影響較大，對(duì)摩擦阻力影響較小，當(dāng)吹氣速度由0.2U增大至0.6U時(shí)，摩擦阻力減阻率基本不變，壓差阻力減阻率由11.8%增大至16.6%。

3）吹氣集中點(diǎn)通過(guò)影響吹氣方向與壁面切線方向的夾角控制尾流結(jié)構(gòu)，夾角越小，尾流流動(dòng)方向越貼體，減阻性能較好。研究結(jié)果表明特定吹氣位置、速度和角度組合下最高可實(shí)現(xiàn)12.9%的整車減阻效果。

吹氣結(jié)構(gòu)通過(guò)在尾車吹氣，降低尾車司機(jī)室負(fù)壓峰值以達(dá)到減阻效果。列車在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在會(huì)車、環(huán)境風(fēng)等影響因素，實(shí)際的吹風(fēng)方向和風(fēng)力需要進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，需要下一步開展吹風(fēng)控制策略和方法研究，推進(jìn)新結(jié)構(gòu)的工程化應(yīng)用。

致謝：本研究工作得到中南大學(xué)高性能計(jì)算公共服務(wù)平臺(tái)支持。