不同排障器導流罩對高速列車阻力及升力的影響

余以正,姜旭東,孫健

(中國中車集團 長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130021)

不同排障器導流罩對高速列車阻力及升力的影響

余以正,姜旭東,孫健

(中國中車集團 長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130021)

利用風洞試驗與CFD方法，比較分析某型高速動車組在四種不同排障器導流罩型式下氣動特性，發(fā)現(xiàn)排障器導流罩以及不同型式的排障器導流罩能明顯影響到列車的整車阻力及尾車升力性能.排障器導流罩可以阻止來自列車前方的氣流進入轉向架區(qū)域，并能夠將車頭前方的氣流導向兩側，阻止車頭前方死水區(qū)的形成.不同型式排障器導流罩對整車的阻力性能的影響最大可以到4%左右，并在大側風條件下明顯影響尾車升力性能，當側偏角大于18°后不同型式的排障器對尾車升力性能的影響明顯增加.因此合理的設計排障器導流罩至關重要.

列車；排障器導流罩；阻力；風洞試驗 ；數(shù)值模擬

0 引言

隨著國家高速列車的發(fā)展，列車速度越來越高.高速列車面臨著諸如氣動阻力、氣動升力以及氣動噪聲等一系列空氣動力學問題.研究表明當列車速度為300 km/h時，空氣阻力占總阻力的85%以上[1].另外高速列車尾車升力對列車運行穩(wěn)定性、舒適性有非常大的影響[2-3].當前，國內外在提升高速列車空氣動力學性能方面花費了大量的精力，比如改變列車外形，增加轉向架處裙板以及在兩車連接處采取風擋外包的方式[4].譬如，40年前，日本為開發(fā)東海道新干線高速鐵路，借鑒航空航天技術，開始研究與空氣動力學有關的列車外形，以解決速度提高后可能出現(xiàn)的空氣動力學問題設計成子彈頭形狀[5-6]，被稱為“子彈列車”，如0系列車；德國開發(fā)的IEC系列高速列車，法國的TGV列車，頭型都是在基于空氣動力學基礎上進行設計的.我國高鐵的起步晚于日本、德國、法國等國家，但是隨著近年來的消化吸收與再創(chuàng)新工作的深入，我國高速列車取得了長足的發(fā)展，可以說目前我國高鐵技術已經(jīng)跨入世界一流的行列.我國高速列車空氣動力學也取得了非常大的進步，我國不僅基于空氣動力學設計出了具有優(yōu)越空氣動力學性能的頭型，為提升高速列車的空氣動力學性能，對列車各個局部也開展了大量的設計、分析與試驗.本文基于某型動車組的排障器導流罩結構型式進行分析,發(fā)現(xiàn)不同的排障器導流罩型式能夠影響到列車阻力、尾車升力等，從而明顯影響到列車的整體空氣動力學性能.尤其是改變排障器導流罩形狀時,對列車整體結構改動很小,且容易實現(xiàn),因此具有很好的應用前景.

1 分析模型

本文從仿真分析與風洞試驗兩方面入手研究不同型式的排障器導流罩對某型高速列車空氣動力學性能的影響.空氣動力學仿真分析計算與風洞試驗模型相對于實車均需要合理簡化，簡化的原則是要保證簡化的部位對列車整體比較計算結果影響很小甚至無影響，本次分析對車門、車上、兩車連接處等局部位置進行了一定的簡化.列車明線運行時阻力主要來源于頭車、中間車、尾車以及它們之間的連接部位.因此計算三車編組運行的情形即可反映列車真實的明線運行過程，圖1是三車編組分析計算幾何模型，圖2是排障器安裝位置示意圖.本文分析了五種模型，分別考慮排障器形狀及前后位置，通過前期仿真分析優(yōu)化出四種型式的排障器導流罩進行風洞試驗，此外對于無排障器導流罩的型式也進行了分析及試驗.圖3是安裝設計的四種不同的排障器導流罩實物模型照片.各排障器方案特征描述如下：排障器罩1，帶有導流凹槽，凹槽占排障器導流罩1/2 ；排障器罩2，無導流凹槽；排障器罩3，帶有導流凹槽，凹槽占排障器導流罩1/3；排障器罩4，帶有導流凹槽，排障器導流罩前端下拉10%。

圖1 三車編組計算及風洞試驗幾何模型

圖2 排障器導流罩位置示意圖

圖3 四種不同型式的排障器導流罩

2 列車風洞試驗

2.1風洞試驗裝置

本文為了獲得不同風速、風向的環(huán)境風條件下不同型式的排障器導流罩對高速動車組的氣動性能影響，分別對四種不同型式的排障器導流罩下的列車模型進行風洞試驗，比較分析不同導流罩下列車模型的氣動特性，并驗證數(shù)值計算的可靠性，為高速動車組的優(yōu)化設計提供科學依據(jù).在中國空氣動力研究與發(fā)展中心低速所(簡稱低速所)8 m×6 m風洞進行了測力、測壓試驗.試驗模型置于專為列車風洞試驗設計的地板上，見圖4.地板前、后緣為流線型，以減少對氣流的干擾；每塊地板后緣下表面裝有擾流片，在地板之間的縫隙附近形成渦流低壓區(qū)，可以吸引地板上表面氣流，從而降低地板附面層厚度.

圖4 風洞試驗地板裝置

根據(jù)高速列車模型各部分的氣動力及模型內部空間尺寸，結合低速所現(xiàn)有盒式六分量應變天平的量程及外形尺寸，試驗選用3臺盒式六分量應變天平，分別對列車模型的頭車、中間車和尾車同時進行氣動力和力矩的測量.列車模型表面壓力分布的測量，采用美國 Scanivalve傳感器公司生產的DSM3400電子壓力掃描閥系統(tǒng).采用4個模塊掃描閥 (每個掃描閥128個測點)， 傳感器量程為6 890 Pa，精度為0.08%FS.由VXI系統(tǒng)進行風洞測力試驗的數(shù)據(jù)采集，角度控制及速壓控制分別由相應的工控機系統(tǒng)實現(xiàn).數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)采用VXI總線，16位A/D板，64個異步通道，采樣頻率10 kHz,整個系統(tǒng)儀器轉換精度0.01%，設備之間由網(wǎng)絡通訊傳遞指令.

2.2仿真分析數(shù)學模型的選取

列車試驗模型比例為1∶8，三車編組：頭車、中間車和尾車，帶平地路基和軌道，如圖5所示.列車模型頭、尾車完全相同，三車編組模型總長度約9.7 m.列車模型內部為金屬框架結構，外部用代木(合成材料)成型.列車模型的頭車、中間車和尾車為相互獨立的測力單元，之間有5～10 mm的間隙.試驗對頭車、尾車和中間車采用三天平同時測力方案，測力天平位于模型內腔.為了實現(xiàn)列車模型的頭車、中間車和尾車的單獨測力，并避免側風通過縫隙造成流場模擬失真，在各獨立的測力單元之間采用嵌套結構.列車模型表面測壓孔的壓力通過細鋼管引出，并用細塑料管引入電子掃描閥進行測量.列車模型測壓點分布在頭部和尾部，在模型表面曲率較大的位置測壓點分布較密，在模型表面曲率較小的位置測壓點分布較稀.列車模型通過連接件與天平連接，天平底部與支架上部連接，支架下部支撐在路基軌道上.支架與模型底部口蓋留有約10 mm的縫隙.列車模型的側偏、傾斜、俯仰誤差均控制在5′以內.軌道中間部位固定在轉盤之上，兩端有滑輪，可以隨轉盤同步轉動，并通過支桿剛性固定在軌道上，不同排障器導流罩可實現(xiàn)更換，見圖6.圖6車頭車尾部分為風洞試驗與仿真分析壓力測點，通過壓力測點的測壓數(shù)據(jù)可以與仿真分析進行對比，從而實現(xiàn)仿真分析與風洞試驗相互驗證.

圖5 三車編組帶平地 圖6 風洞試驗模型路基和軌道

3 仿真分析

3.1仿真分析數(shù)學模型的選取

本文利用STARCCM+大型流場計算商用軟件，根據(jù)流場特點，數(shù)值求解的控制方程為低速粘流的Navier-Stokes方程，湍流采用兩方程湍流模型，近壁區(qū)采用低Re數(shù)修正與壁面函數(shù)相結合的方法，方程采用有限體積法離散，并采用并行的壓力修正算法求解[7].

3.2CFD計算模型

CFD計算模型、隧道長度、計算測點保證與動模型試驗完全一致.車頭是影響計算結果的重要部位，因此在該區(qū)域分布了較密的網(wǎng)格以保形，在車身連接處，轉向架、風檔和空調等部位都進行了網(wǎng)格加密.對曲率變化較大的部分和關鍵區(qū)域都進行了網(wǎng)格加密，以滿足此類問題計算對網(wǎng)格的要求，近壁面第一層網(wǎng)格最小網(wǎng)格高度為0.5mm.圖7、圖8是整車車體表明網(wǎng)格以及流場計算域示意圖.

圖7 整車車體表面網(wǎng)格 圖8 流場計算域示意圖

計算區(qū)域示意圖見圖8，車體截面積與計算區(qū)域截面積之比小于0.01；高度方向(H)大于8倍特征高度；長度方向上游(LF)大于8倍特征高度；下游(LB)大于16倍特征高度.入口(面ABCD)宜設置為低湍流均勻來流條件；出口(面EFGH)宜設置為恒壓或質量守恒邊界條件；頂面(面BFGC)和側面(面ABFE、面CDHG)宜設置為壁面或對稱邊界條件；地面(面AEHD)和道床設置為與列車運行方向相反、速度大小相等的移動壁面；列車表面為無滑移壁面.

4 試驗結果與仿真結果分析

4.1阻力數(shù)據(jù)分析

圖9是變側偏角條件下不同排障器導流罩阻力數(shù)據(jù)比較.在小側偏角時，無排障器導流罩阻力性能明顯不如安裝了排障器導流罩的情形；其中排障器導流罩2性能最優(yōu)，其次是排障器導流罩4，再次是排障器導流罩1，最次是排障器導流罩3.在側偏角大于20°后排障器導流罩3的阻力反而大于無排障器導流罩時的阻力，主要是由于大側偏角后排障器3的前凸結構引起較大的漩渦導致阻力增加，證明了排障器導流罩的形狀對阻力影響較大，在有些工況，不合理的排障器導流罩甚至不如不安裝排障器導流罩.

圖9 變側偏角條件下不同排障器導流罩阻力數(shù)據(jù)比較

0°側偏角條件下(圖10)安裝排障器導流罩1時在三車編組阻力系數(shù)為0.348；安裝裝排障器導流罩2時三車編組阻力系數(shù)為0.342；安裝裝排障器導流罩3時三車編組阻力系數(shù)為0.353；安裝裝排障器導流罩2時三車編組阻力系數(shù)為0.347；無排障器導流罩時三車編組阻力系數(shù)為0.358.整體來講，在安裝了本文的四個排障器導流罩導流罩方案后，0°側偏角條件下列車阻力性能明顯優(yōu)于無排障器導流罩的情況.最優(yōu)方案2比無排障器導流罩時阻力減小4.5%，最優(yōu)方案2比方案3阻力減小2.8%.說明有無導流罩對阻力的影響可以達到4%以上的影響，高速列車以3高速列車以350 km/h速度運行時，空氣動力學阻力一般在70 kN，則氣動阻力導致的功率損耗為6805kW，如果阻力降低4.5%，則氣動阻力導致的功率損耗降低了306 kW.不同型式的排障器導流罩對阻力影響最大能相差3%左右，這對于高速列車來說已經(jīng)相當可觀，因此設計出合理的排障器導流罩至關重要.

圖10 零度側偏角條件下不同排障器導流罩阻力數(shù)據(jù)比較

4.2升力數(shù)據(jù)分析

圖11是變側偏角條件下不同排障器導流罩升力數(shù)據(jù)比較.在小側偏角時，各排障器對尾車升力影響不大.但是當側偏角大于18°后不同型式的排障器對尾車升力性能的影響明顯增加.側偏角大于18°后排障器導流罩方案2的升力性能無明顯優(yōu)于其它排障器導流罩方案.

圖11 變側偏角條件下不同排障器導流罩升力數(shù)據(jù)比較

4.3CFD計算分析

圖12是選取的車頭中間線測壓點壓力系數(shù)數(shù)據(jù)進行比較.由圖12可見，車頭壓力測點仿真分析與風洞試驗數(shù)據(jù)幾乎重合，說明仿真分析與風洞試驗可以互相驗證.

圖12 試驗與仿真分析測點壓力系數(shù)比較

圖13是CFD計算流線圖及壓力云圖，由圖13可見列車在高速運行時，來自前方的氣流將會高速的沖入轉向架部位，而轉向架部位是設備結構特別復雜且多變的區(qū)域，高速氣流沖入轉向架區(qū)域會形成圖13所示的渦旋.渦旋會使得列車的阻力增加，從而導致列車能耗增加，同時渦旋會導致列車尾車升力增大進而影響尾車的穩(wěn)定.圖14可見排障器導流罩可以阻止來自列車前方的氣流進入轉向架區(qū)域，并能夠將車頭前方的氣流導向兩側，阻止車頭前方死水區(qū)的形成，排障器導流罩可以影響頭尾車阻力4%左右，并影響尾車升力性能，因此合理的設計排障器導流罩至關重要.

圖13 轉向架區(qū)域渦線圖

圖14 排障器及轉向架壓力及流線云圖

5 結 論

本文利用風洞試驗與CFD方法，對某型高速動車組四種不同型式的排障器導流罩方案空氣動力學性能進行了分析，可以得到以下結論：

(1)列車在高速運行時，來自前方的氣流將會高速的沖入轉向架部位而產生渦旋,使得列車的阻力增加，排障器導流罩可以影響頭整車阻力4%左右，并在大側風條件下明顯影響尾車升力性能；

(2)本文中的四種排障器方案，在小側偏角時，無排障器導流罩阻力性能明顯不如安裝了排障器導流罩的情形；其中排障器導流罩2性能最優(yōu)，其次是排障器導流罩4，再次是排障器導流罩1，最次是排障器導流罩3.證明了排障器導流罩的形狀對阻力影響較大，在有些工況，不合理的排障器導流罩甚至不如不安裝排障器導流罩；

(3)0°側偏角條件下安裝本文中排障器導流罩1時在三車編組阻力系數(shù)為0.348；安裝裝排障器導流罩2時三車編組阻力系數(shù)為0.342；安裝裝排障器導流罩3時三車編組阻力系數(shù)為0.353；安裝裝排障器導流罩2時三車編組阻力系數(shù)為0.347；無排障器導流罩時三車編組阻力系數(shù)為0.358.整體來講，在安裝了本文的四個排障器導流罩導流罩方案后，0°側偏角條件下列車阻力性能明顯優(yōu)于無排障器導流罩的情況；不同型式的排障器導流罩對阻力影響最大能相差3%左右，這對于高速列車來說已經(jīng)相當可觀，因此設計出合理的排障器導流罩至關重要；

(4)在小側偏角時，各排障器對尾車升力影響不大.但是當側偏角大于18°后不同型式的排障器對尾車升力性能的影響明顯增加.側偏角大于18°后排障器導流罩方案2的升力性能無明顯優(yōu)于其它排障器導流罩方案，說明大側風條件下不同型式的排障器導流罩能明顯影響到尾車的升力性能.

[1]田紅旗, 高廣軍. 270km/h 高速列車氣動力性能研究[J]. 中國鐵道科學, 2003, 24(2): 14-18.

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[3]于夢閣.高速列車風致安全研究[D].成都:西南交通大學，2010.

[3]田紅旗.列車空氣動力學[M]. 北京:中國鐵道出版社, 2007.

[4]馮志鵬.高速列車氣動性能與外形設計[D].成都：西南交通大學，2011.

[5]伊騰順一. 改善空氣動力學性能, 實現(xiàn)新干線的高速[J]. 國外鐵道車輛, 2002, 39(3): 9-12.

[6]HORIUCHI M. E955 型新干線高速試驗列車(FASTECH360Z) 概述[J]. 國外鐵道車輛, 2008, 45(3): 12-17.

[7]田紅旗.列車空氣動力學[M]. 北京：中國鐵道出版社, 2007.

DragForceandLiftForcePerformanceofaHighSpeedTrainAffectedbyDifferentCowcatcherAir-Deflector

YU Yizheng, JIANG Xudong,SUN Jian

( CNR Changchun Railway Vehicles Co., Ltd, Changchun 130021, China)

Wind tunnel test and CFD simulation are used for researching the drag force and lift force performance of a high speed train affected by four different cowcatcher air-deflectors. It is found that the high speed train cowcatcher air-deflector and its structure can affect the drag force and lift force performance of a high speed train. The cowcatcher air-deflector can prevent the air ahead of the train getting into the bogie zone, and lead the air ahead train to the side of the train to prevent the air ahead of the train forming the dead region. Different cowcatcher air-deflector can affect the drag force performance by almost 4% with obvious effect on the lift force performance. When the side slip angle is greater than 18 degree, the effect on the lift force performance by different cowcatcher air-deflector is increased obviously. So rationally designing the cowcatcher air-deflectors is very important for the high speed train.

high-speed train; cowcatcher air-deflectors; drag force; CFD simulation

1673- 9590(2017)06- 0030- 04

2017- 02-30

余以正(1981-)，男，工程師，碩士，主要從事高速列車空氣動力學的研究

E-mailyuyizheng@cccar.com.cn.

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