高速列車氣動阻力地板效應數值研究

周 健，歐 平，＊，劉沛清，郭 昊

高速列車氣動阻力地板效應數值研究

周 健1，歐 平1，＊，劉沛清2，郭 昊2

（1.中國航天空氣動力技術研究院，北京 100074；2.北京航空航天大學航空科學與工程學院，北京 100191）

針對CRH2型動車組外形，在2種1∶25縮比模型風洞試驗基礎上，展開基于數值模擬的明線情況高速列車不同地板試驗條件阻力測量影響研究。通過與風洞試驗結果對比，確定數值方法的可靠性；通過數值模擬風洞壁地板、固定地板、移動地板下高速列車流場分布與阻力變化情況表明，不同試驗地板的地面效應對高速列車阻力測量結果影響很大，移動地板模擬效果最佳，固定地板與風洞壁地板阻力測量值小于移動地板情況，且差距隨車身長度的增加而增加，很難模擬真實列車運行的流場；通過深入分析不同地板條件的影響機理，為高速列車不同地板條件風洞阻力測量結果提供參考意見。

高速列車；風洞試驗；阻力測量；地板；地面效應

0 引 言

隨著高速列車的迅速發展，車速的不斷提高，列車運行中的空氣阻力問題變得越來越突出［1－2］。研究表明，列車運行所受到的氣動阻力與速度的平方成正比，當車速到達300km／h時，空氣阻力占總阻力的80%以上［3］。因此，高速列車氣動阻力研究十分重要。風洞作為列車空氣動力性能試驗研究的關鍵設備，在高速列車設計和研發中發揮著十分重要的作用。

由于高速列車氣動特性與列車底部流場特性密切相關，為了更真實模擬，除了要求風洞的流場足夠均勻外，還需要有地板來模擬地面效應。目前風洞試驗多采用沒有邊界層控制的固定地板甚至風洞底部壁面來模擬地面效應，這樣來流形成的邊界層順流向不斷增厚，列車底部的流動和壓力分布發生很大變化，邊界層理論修正方法又隨模型而異，很難給出精確的氣動結果預測。目前國內外消除風洞壁面邊界層影響的方法主要是安裝專用地板或吸氣裝置［4］。其中，移動地板是最令人滿意的模擬地面效應方法，它能夠很好地模擬空氣、地面和列車的相對運動，邊界層引起的影響大大削弱。Tyll等采用移動帶方法研究了磁懸浮列車有無地面效應下氣動特性差異［5］，發現對于固定地板，邊界層的存在使得列車試驗模型氣動阻力明顯減小，測量結果不可靠。但由于移動地板結構復雜，成本昂貴，而目前大多數列車風洞試驗都是利用已有的航空風洞進行，固定地板依然是最常用的試驗地板［1，2，6］。

目前國內外文獻大都是針對由3節車廂組成的簡化外形動車組（即不考慮空調裝置、受電弓、車廂連接處和轉向架等）進行的列車空氣動力特性研究［7－11］。本文針對不同地板可能對高速列車阻力測量結果影響的差異，在1∶25CRH2高速列車模型風洞試驗基礎上，采用數值仿真方法，模擬風洞壁地板、固定地板和移動地板這3種試驗條件對3節車廂高速列車模型氣動特性的影響，分析不同地板條件對高速列車阻力測量結果的影響，為今后高速列車風洞試驗阻力測量提供參考意見。

1 風洞試驗

1.1試驗環境

本次試驗在中國航天科技集團公司第十一研究院第二研究所七室FD－09低速風洞完成。試驗段長14m，橫截面為3m×3m四角圓化正方形，圓角半徑為0.5m，試驗段有效橫截面積為8.7854m2。風洞試驗風速為10～100m／s，氣流的湍流度為0.1%～0.13%，動壓偏差!ΔQ／Q!＜0.3%。

試驗使用N6YT－15＃盒式應變天平進行阻力測量，天平安裝于整車中心車底，天平截面為20cm× 10cm的矩形，突出洞壁1cm。

試驗模型為CRH2型動車組1∶25縮比模型，車廂橫截面積為0.132m×0.142m，車長有2.16m和3.16m2種，前者為車頭和車尾2節組成，后者為車頭、中間車和車尾3節組成。

圖1 列車模型風洞試驗環境Fig.1 Test environment of train model

1.2試驗內容

對2節和3節高速列車試驗模型用同一天平進行空氣阻力測量，為便于分析，通常定義無量綱阻力系數：

式中：CD為空氣阻力系數；FD為空氣阻力；S為列車模型等直段橫截面積；ρ為空氣密度；v為來流速度。

試驗先對2.16m的2節車廂動車模型進行7次重復性試驗，分析試驗誤差［12］。試驗發現，在風速為40和80m／s時，相對不確定度分別在0.5%和1%之下?？梢?，測試數據誤差較小，試驗結果可信。圖2為2節車廂（Model 2）與3節車廂（Model 3）動車模型風洞阻力測量結果，風速40～80m／s。

圖2 阻力系數隨速度變化情況Fig.2 Comparison of drag coefficient with different velocities

試驗主要研究2種動車模型阻力隨速度的變化情況，由圖2可知，隨著速度的增大阻力系數逐漸減小且趨于平緩，當速度到達80m／s時，雷諾數為0.8 ×106，已達到高速列車試驗的臨界雷諾數［13－15］，氣動特性不再隨雷諾數而變化。中間車廂帶來的摩阻增加是2組試驗阻力不同的主要差別，約占3節車廂總阻力的16%。由于本次試驗條件下天平外置及采用洞壁作為地板的原因，上述數據與真實情況存在一定差異。為得到更多可供分析的氣動特性數據，對比分析不同地板對氣動阻力測量結果的影響，采用數值模擬方法進行不同風洞試驗地板效應研究分析。

2 數值風洞試驗模擬

2.1計算參數

數值模擬中所采用的風洞參數和模型參數與真實試驗情況完全一致，使用商業CFD軟件FLUENT進行三維結構化網格求解，由于計算馬赫數小于0.3，采用不可壓流湍流計算，湍流模型使用SST k－ω模型；入口設為速度入口；入口至風洞收縮段20m，擴散段至出口15m，四周都設為對稱邊界條件；出口設為壓力出口，試驗段、模型及天平設為壁面邊界。采用耦合隱式求解方法（Coupled Implicit），離散格式均為二階。采用結構化網格劃分，網格總數6×106，壁面第1層網格高度0.1mm，計算模型及網格劃分如圖3所示。

圖3 3節CRH2動車組簡化模型Fig.3 Simplified model of three compartments CRH2

圖4 計算流場及車廂表面網格劃分Fig.4 Calculation of flow field and mesh of the train

地板參數為：風洞壁地板與上述試驗情況一致，收縮段（試驗段入口）距車頭5m，擴張段（試驗段出口）距車頭9m；固定地板長3.52m，寬0.6m，車頭車尾距地板兩邊緣0.2m，如圖5所示；移動地板與固定地板尺寸一致；地板距車廂底部距離0.021m。

將每節車廂沿車身等分成前后2部分，從車頭開始順序編號，其中T2～T5號為車廂等直段，如圖6所示。每部分單獨計算其阻力系數。

圖5 列車模型俯視圖Fig.5 Top view of train model

圖6 車廂編號示意圖Fig.6 Scheme of the carriage number

2.2計算方法驗證與天平影響

在地板效應模擬之前，針對風洞試驗模型，驗證數值模擬的可靠性與準確性，如圖7所示，對比不同速度下2種動車模型的阻力系數，最大相對誤差為4%，與試驗結果有較好的一致性，證明本文湍流模型、網格劃分和邊界條件選擇的合理性，也為接下來的研究分析提供可靠性支持。

由于試驗條件限制，本文試驗測量天平外置于列車模型中間底部，這樣會對底部流場有一定的干擾，對測量結果有較大的影響。本文數值模擬3節車廂不同來流速度下外置天平對阻力計算結果的影響，如圖8所示，對3節車廂本次試驗采用的外置天平使得阻力計算結果增加15%～20%。

圖7 數值模擬與風洞試驗結果對比Fig.7 Results of numerical simulation and test

圖8 外置天平對阻力的影響Fig.8 Influence by the balance

2.3不同地板計算結果與分析

對于不同地板地面效應的模擬，針對無外置天平計算構型，將地面邊界條件設為移動固壁來模擬移動地板，以消除邊界層的影響。通過數值模擬80m／s速度、3節車廂1∶25模型下風洞壁地板、固定地板與移動地板對列車氣動阻力的影響，分析流場變化的作用機理。

2.3.1計算結果

將3種地板情況下高速列車總阻力分解為壓阻與摩阻，如表1所示，可見摩阻占總阻力較大部分；其中，移動地板情況摩阻最大，風洞壁地板最小，壓阻變化呈相反趨勢。

表1 不同地板下總阻力系數Table 1 Total drag coefficients with different ground planes

將整車阻力分解到頭車、中間車和尾車，3種地板情況所占比例大致相同，圖9（a）為移動地板阻力分布圖，車頭直接迎風，是阻力的主要來源，占總阻力的40%以上，中間車只產生摩擦阻力，約占總阻力的28%。根據圖6車廂編號，計算得到不同地板下阻力系數沿車身分布，如圖9（b）所示。車頭前半車廂（T1號）阻力最大，受地板影響較弱；車尾后半車廂（T6號）阻力其次，風洞壁地板情況最大；中間等直段車廂阻力移動地板情況最大，風洞壁地板最小。

圖9 阻力分布Fig.9 Distribution of drag

對中間等直段車廂，摩阻為其總阻力，以距車頭距離為參考長度，沿車身等直段流向不同雷諾數處，風洞壁地板與固定地板相對移動地板情況車廂摩擦系數Cf相對差值變化如圖10所示。風洞壁地板較移動地板平均小13%；固定地板較移動地板平均小6%。

圖10 等直段車廂切應力相對差值Fig.10 Difference of shear stress on middle carriage

2.3.2地板效應分析

由于空氣粘性，當氣流沿列車表面流動時，在車廂外壁形成一層較大速度梯度的邊界層，邊界層內不同速度層間產生切向力，從而成為列車表面的粘性切向力，即摩擦阻力。

地板對流場的影響主要表現在壁面與車廂表面邊界層的發展。如表2所示，車頭前10cm處，風洞壁地板情況邊界層厚度為6cm，超過車廂高度的1／3；而固定地板情況，邊界層厚度不到1cm；移動地板則不存在地板面邊界層的發展。

表2 不同地板車頭前緣邊界層厚度Table 2 Boundary layer thickness at leading edge of the train model with different ground planes

分別取車頭擴張段（1），中間車等直段（2），車尾收縮段（3）3個位置，如圖11所示。圖12為3種地板下對應位置車廂底部中心軸上流向的速度分布。在車頭S1位置，固定地板面邊界層很薄，車底下表面流速分布與移動地板差別不大，流動經過車頭前駐點后的加速使得當地流速大于來流速度；隨固定地板與車底邊界層的發展，車底平均流速逐漸減??；風洞壁地板由于邊界層發展較充分，整車車底基本都處低速流動狀態，到車尾S3位置處，平均流速不到來流的一半。圖13為不同地板情況下車底摩擦系數分布，可以看出，流速減小，剪切強度減弱，摩阻隨之減小，這與圖9（b）與10表達的結果相一致。

為進一步分析不同地板對車身阻力分布的影響，取圖11中3個位置處垂直來流截面速度云圖如圖14所示。

圖11 垂直來流截面位置Fig.11 Site of cross section

對比不同位置速度云圖可以看出，地板效應主要作用于車廂底部與側壁下部流場，對車廂頂部流動影響不大。風洞壁地板情況速度分布與移動地板相差很大，整列車受地板邊界層影響很大，尾車車廂50%淹沒在邊界層低速區內，導致列車總體摩阻大大減??；固定地板主要影響車底流場，車頭距地板前緣較近，基本不受地板邊界層影響，隨邊界層發展，車底與地板間逐漸形成低速區，使得等直段車廂及車尾車底較移動地板情況摩阻減?。灰苿拥匕逅俣扰c來流一致，只存在邊界層沿車身的發展，與列車實際運行情況相似。

圖12 不同地板車底流速分布Fig.12 Velocity distribution at the bottom of the vehicle

圖13 不同地板車底摩擦系數分布Fig.13 Friction distribution at the bottom of the vehicle

圖14 不同截面速度云圖與地板速度剖面Fig.14 Cloud atlas at different cross section

同時，地板邊界層的發展對尾車壓阻影響較大，取尾車流線圖與壓力分布圖，如圖15所示。由于移動地板對底部氣流能量的注入，車底流速高，經過尾車后緣時突然上揚，流速急劇下降，形成較大的高壓分離區，而固定地板與風洞壁地板情況，尾車車底流速較慢，誘導尾車車頂來流下洗加強，來流通過車底后緣速度增加，推遲分離發生，導致分離區遠離物面且高壓區相對較弱。而尾車后緣的高壓分離區會給壓阻帶來減小的趨勢，在一定程度上減弱了總阻力與移動地板的差異。

綜上，對固定式（包括風洞壁地板）地板，上述效應的影響效果隨地板前緣距車頭距離的增大和車長的增加而增強，阻力測量結果也隨之與真實值相差越大。

圖15 尾車流線圖與壓力分布Fig.15 Streamline and pressure distribution on the tail

3 結 論

地板效應是影響高速列車氣動阻力測量的一個關鍵因素，數值驗證計算結果與試驗結果有較好的一致性，說明本文采用計算方法和網格規模能夠保持良好的計算精度，可以用于后續不同地板效應的研究。本文研究主要得到以下結論：

（1）外置天平會對車底流場產生較大干擾，同時本身產生較大阻力，使得列車總阻力測量值偏大。

（2）固定式地板主要對車廂底部與側壁下部流場產生較大影響，導致整車摩阻減小，尾車壓阻增加，總阻力呈現增加的趨勢，且這種變化趨勢隨車頭距地板前緣距離的增大和車身長度的增加而增強。

（3）移動地板不存在邊界層沿地板的發展，列車車身附近流場與實際運行情況相似，阻力測量可信度較高。

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Numerical study of ground effects on high speed train aerodynamic drag

Zhou Jian1，Ou Ping1，＊，Liu Peiqing2，Guo Hao2
（1.China Academy of Aerospace Aerodynamics，Beijing 100074，China；2.School of Aeronautic Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China）

Based on wind tunnel tests of aerodynamic drag on two kinds of 1／25th scale CRH2 models，research of aerodynamic drag with different experimental ground planes was carried out by numerical simulation.The reliability of the numerical methods was verified by comparing the results of simulation and tests.By analyzing the variation of the flow field and resistance distribution on the train body with the usage of the wind tunnel wall，the stationary ground plane，and the moving ground plane in simulation，it is found that：ground effects of different planes have a great influence on the drag measurement of the high speed train；the moving ground plane gives the best simulation performance；the results of drag computed with the other two ground planes are less than that with the moving plane and the difference increases with the increase of the body length，therefore，it is almost impossible to simulate the flow field of the real train operation.Finally the mechanism of influence by ground planes is analyzed and references are provided for drag measurement of high speed train on different ground planes.

high speed train；wind tunnel test；drag measurement；ground plane；ground effects

U270.1

：A

（編輯：楊 娟）

1672－9897（2016）04－0026－07

10.11729／syltlx20150124

2015－10－12；

2016－02－19

＊通信作者E－mail：caaaop＠163.com

Zhou J，Ou P，Liu P Q，et al.Numerical study of ground effects on high speed train aerodynamic drag.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2016，30（4）：26－31，55.周 健，歐 平，劉沛清，等.高速列車氣動阻力地板效應數值研究.實驗流體力學，2016，30（4）：26－31，55.

周?。?988－），男，河北滄州人，助理工程師。研究方向：試驗流體力學。通信地址：北京市豐臺區云崗西路17號7201信箱12分箱（100074）。E－mail：buaazhouj＠163.com