CRH380BL高速動車組氣動外形優化設計

孔繁冰，李 明，韓 璐，李國清，劉 斌

（唐山軌道客車有限責任公司 產品技術研究中心，河北唐山063035）

速度是現代社會高效率的標志，客運高速化是當今世界鐵路發展的必然趨向。隨著高速列車速度不斷提升，各種空氣動力學現象更加突出，空氣動力學問題已成為高速動車組中關鍵的技術問題之一。

列車提速通常有兩種手段一是提升牽引功率，二是降低列車運行阻力。但是對于高速列車，通過優化列車牽引系統，提高牽引功率是有限的，而且從節能降耗方面而言，單純靠提高牽引功率來提高運行速度也是不科學的。因此必須對現有列車進行氣動性能優化設計，才能保證列車速度提升的需求。

目前對高速列車空氣動力學的研究方法可分為理論分析方法、數值模擬方法和試驗研究方法。數值模擬方法與試驗研究方法是高速列車氣動性能研究中兩種最基本的方法，互補不足，不可替代。

CRH380BL動車組是以CRH3動車組為樣車進行改進設計的，通過數值仿真分析、風洞試驗方法，對優化方案進行評估，提出最終的CRH380BL動車組外形方案，并通過實車試驗對數值仿真計算、風洞試驗結果進行評估。

1 數值仿真分析

明線列車空氣動力學研究高速列車在開闊地面上運行和通過橋梁時所誘發的空氣動力學問題，主要包括空氣阻力、橫風下的列車空氣動力學特征、列車交會引起的氣動力與會車壓力波、列車風、氣動噪聲等。列車外形及其部件的外部形狀或外罩（如轉向架、受電弓、車頂導流裝置、車門及車廂連接方式等）對上述空氣動力學問題均有很大影響。

圖1 CRH3動車組空氣阻力分布示意圖

為了進一步了解CRH3動車組空氣阻力狀況，找出動車組空氣阻力分布來源，對各部位的阻力進行了分析。圖1給出了阻力來源分布示意圖，其中橫坐標為列車縱向長度，縱坐標為氣動阻力系數。圖中上部曲線是車頂阻力來源分析圖，圖中下部曲線是車底阻力來源分析圖。由圖可知，CRH3動車組空氣阻力較大部位為車頭、車頂設備導流罩（空調、受電弓等）、車輛間連接結構（風擋）、轉向架區域等。因而，為減少動車組空氣阻力，則需降低上述部位的空氣阻力。

通過數值仿真分析方法，模擬了列車在明線上高速運行時的氣動性能，對比分析了不同部位優化方案的效果，從而選擇最優最符合實際的方案進行試驗。其優化部位示意圖如圖2所示，其中包含了將空調導流罩平滑化、受電弓導流罩前部長度增加，使其與車體之間有平滑過渡、增加半外風擋或全外風擋、優化裙板的結構和高度、轉向架區域增加斜隔墻、局部細小位置的突起和凹陷處理等。

圖2 優化部位示意圖

1.1 模型的選擇及邊界條件的設定

本文以計算流體力學軟件STAR-CCM+為研究工具，對圖2中的優化方案進行數值仿真分析。計算中控制方程為可壓縮N-S方程，湍流模型為標準K-ω模型+標準壁面函數。邊界條件包括速度入口邊界條件、固定壁面邊界、壓力出口邊界條件，同時計算中包含了對地面效應的模擬，采用移動壁面邊界條件，以消除列車靜止而引起地面附面層對列車氣動性能計算的影響。

計算區域為前后各100m，上100m，左右各100 m，采用多面體+prism網格，在車體表面和地面劃邊界層網格，總網格數約1.2億單元。計算區域及網格示意圖如圖3所示。

表1 邊界條件

圖3 模型體網格示意圖

1.2 計算結果及分析

在仿真分析中，對8輛編組列車模型進行了有、無側風下的數值仿真分析，對比分析了不同部位經過優化后與原型車相比的減阻效果。其仿真分析的減阻效果如圖4、圖5所示。

圖中給出在無側風條件下，經過優化后各部件及各車阻力對比分析示意圖，由圖可知，對CRH3動車組風擋、車頂設備導流罩、轉向架區域進行優化后其空氣阻力與原型車相比，降低了約16.6%。

圖4 無側風下不同模型空氣阻力對比

圖5 在15m／s側風下不同模型空氣阻力對比

由上圖可知，對CRH3動車組風擋、車頂設備導流罩、轉向架區域進行優化后，在有側風時，優化模型的空氣阻力與原型車相比，降低了約16.4%。

通過上述計算可知，CRH3動車組風擋、空調導流罩、MUB導流罩、轉向架裙板延伸結構和底架隔墻向轉向架平移等優化方案能有效降低動車組空氣阻力。由于仿真計算時未考慮車頂天線、部分絕緣子（受電弓處絕緣子已加）以及車底等處縫隙等部件，因而計算結果偏小。認為經過優化后，空氣阻力降低約13%。

2 風洞試驗

風洞試驗用于測定作用在列車上的空氣動力、力矩、列車表面壓力分布、側風影響、尾部流場等。它具有試驗理論和方法成熟的優點，便于深化產生機理認識，得到氣動規律，研究列車外形對空氣動力性能影響。因此，采用試驗方法觀察和研究列車周圍流動現象，風洞試驗是非常重要的手段。

2.1 試驗工況

數值仿真分析具有高效率、低成本的特點，所以在最初通過仿真手段進行了多種方案的計算，并根據計算結果確定各部件的2、3種方案進行模型制作。隨后在四川綿陽29基地的8m×6m風洞中對3輛編組列車模型進行風洞試驗，更好的研究了CRH3動車組外形與空氣動力學之間的關系。本次試驗共進行了16種方案的測試。

試驗是在原型車的基礎上，對各個部位優化方案進行逐一吹風，主要是對車頂導流罩、裙板、轉向架區域及風擋處進行優化，并對各個方案的吹風結果進行對比分析，選擇最優方案，再進行最優方案阻力測試和側風穩定性測試。試驗中部分模型示意圖如圖6所示。

2.2 試驗結果及分析

原型車以及各種優化方案在60m／s風速以及不同迎風角下，空氣阻力測試結果如圖7所示。

由圖可知，原型車在無側風條件下空氣阻力系數為0.494，各種優化方案在不同程度上降低了列車的空氣阻力。

通過結果分析可知增加半封閉外風擋、優化空調導流罩、將頭尾車轉向架裙板向下延伸并向外圓滑過渡、在頭尾車增加底架隔墻等，可減少空氣阻力約9%。

3 實車試驗

經對仿真計算、風洞試驗結果進行綜合分析后，并從可行性等實際情況出發，確定了CRH380BL動車組實車制造的最終方案。其中車端連接處采用全外風擋結構；優化客室空調導流罩的外形，類似受電弓導流罩外形；增加受電弓導流罩前端長度；下沿裙板高度；去掉車鉤導向桿，將車鉤導流罩全部封閉；將制動閥板向車外側移動，直至與車下裙板外表面平齊等。

2011年在京滬先導段線上對CRH380BL動車組進行了惰行阻力試驗，得到實測阻力。并對CRH380BL動車組的實測阻力、CRH380BL動車組的設計阻力、CRH3動車組的實測阻力進行了對比分析，得到在200～380km／h速度級上，CRH380BL動車組實測整車阻力比CRH3動車組實測整車阻力降低8%以上，且滿足運營要求。

圖6 風洞試驗模型部分示意圖

圖7 原型車和不同方案空氣阻力對比

4 結論

本文利用數值仿真分析方法和風洞試驗，評價了不同優化方案對列車空氣動力學性能的影響，并與實車試驗結果進行對比，得到以下結論：

（1）通過數值仿真分析，可以系統的研究阻力的來源，得到各部位形成的阻力大小，為優化設計提供理論依據。

（2）通過風洞試驗，可以驗證數值仿真分析的結果，依據實際需求及可行性，得到最終的優化方案，便于進行實車試驗。

（3）由于在針對各減小阻力方案的仿真計算時，對轉向架區域、車頂受電弓部件、前端開閉機構的縫隙等部位進行了適應于空氣動力學性能計算的簡化處理，預測阻力要比實測阻力低約2～4%，這在商業軟件計算結果與試驗結果的允許誤差范圍內。

［1］黃志祥.CRH3動車組風洞試驗報告，BG-09355［R］.四川綿陽：中國低速空氣動力學研究發展中心，2009.

［2］黃志祥.高速綜合檢測列車風洞試驗報告，BG-10093［R］.四川綿陽：中國低速空氣動力學研究發展中心，2010.

［3］田紅旗.列車空氣動力學［M］.北京：中國鐵道出版社，2007.

［4］王福軍.計算流體動力學分析［M］.北京：清華大學出版社，2004.