300km/h時速下動車組用雨刷器的氣動性能仿真研究

陳曉麗 晉永榮

摘 要：雨刷器位于列車頭部司機室側窗，列車速度提高后頭部壓力分布復雜，將影響列車雨刷器的正常使用。本文計算了列車以300 km/h速度在9～14級大風環境下運行時前方雨刷器受到空氣壓力的變化，監測并分析了雨刷器臂及雨刷上測點的壓力隨風力變化的趨勢。

關鍵詞：高速列車;雨刷器;氣動;仿真

中圖分類號：U216.413 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）22-0052-04

Abstract： The windshield wiper is located in the side window of the driver's cab at the head of the train， when the train speed increases， the head pressure distribution is complicated， which will affect the normal use of the windshield wiper. In this paper， the change of air pressure on the wiper in front of the train running at 300 km/h in the strong wind of force 9～14 is calculated， and the trend of the pressure on the wiper arm and the measuring point on the wiper is monitored and analyzed.

Keywords： high speed train; wiper;aerodynamic;simulation

雨刷器是列車頭部重要的設備，列車頭部空氣壓力變化較大。列車速度提高后，頭部空氣壓力變化可能會對其工作性能造成影響[1-3]。

1 計算工況設置

1.1 研究工況

研究中選取的列車速度為300 km/h，選取風力為9～14級，擬研究風力對雨刷器壓力分布、受力的影響。研究中共設置6個工況，如表1所示。

1.2 計算區域與邊界條件設置

數值計算區域如圖1所示。明線工況長度方向尺寸的選取是使計算區域下游邊界盡可能遠離計算模型，以避免出口截面受到列車尾流的影響，便于出口邊界條件的給定，計算域長[L]=30 m，寬[W]=30 m，高[H]=2.4 m，車刷離前側和左側的速度入口邊界10 m。計算域的前側和左側為速度入口，后側和右側為壓力出口，底面設置為壁面，頂部為對稱平面邊界條件。

在無風及有風條件下，大氣壓均為標準大氣壓，空氣密度為1.225 kg/m3，溫度為20 ℃，壓力出口的相對壓強為0 Pa，速度入口的初始速度均為0 km/h。計算域的地面設置為無滑移地面[4-5]。

1.3 計算域離散

整個計算流域采用結構網格進行劃分。為了準確模擬車刷的氣動性能，對車刷曲面變化較大處的流場區域的網格進行加密處理。為了更加準確地模擬附面層，對車刷表面網格進行加密，車刷表面最大網格為0.4 mm，最小網格為0.2 mm。在車刷表面添加10層附面層，車刷表面第一層網格為0.1 mm，每個工況車刷表面第一層網格[y+]（[y+]為第一層網格質心到壁面的無量綱距離）為50左右，網格總數為1 000萬左右，車刷表面及附面層網格如圖2所示。

2 風力對雨刷器正壓力的影響

2.1 雨刷器正面壓力分布研究

列車以300 km/h速度運行時，雨刷器正面壓力分布如圖3所示。由圖3可知，壓力正面分布最大的部位為雨刷器臂中部與雨刷支座臺階部位。

2.1.1 測點布置。根據雨刷器正面壓力分布情況，在雨刷器臂中部設置測點1，雨刷支座臺階部位設置測點2與測點3，研究壓力最大部位的壓強變化情況，測點位置如圖4所示。

2.1.2 計算結果分析。各測點計算結果如圖5所示。由計算結果可知，隨著風力不斷增大，雨刷器正面壓力逐漸增大，風力由9級逐漸增大到14級的過程中，雨刷器臂中部測點1處壓力逐漸增大，增大梯度依次為3%、3.6%、4.3%、3.1%、2.5%，梯度并未呈現出規律性的變化，平均梯度約為3.3%。雨刷器支座測點2、測點3處壓力也逐漸增大，測點2增長梯度依次為4.8%、4.1%、4.3%、3.3%、3.0%，同樣并未呈現出規律性的變化，平均漲幅約為3.9%;測點3增長梯度依次為3.9%、5.5%、4.0%、3.9%、1.9%，與其他測點相同，梯度也未呈現出規律性的變化，平均漲幅約為3.8%。

計算結果

2.2 雨刷器側面壓力分布研究

列車以300 km/h速度運行時，雨刷器側面壓力分布情況如圖6所示。由圖6可知，雨刷器側面正壓區與負壓區并存，正壓區主要集中在雨刷器臂上，正壓最大的區域位于雨刷器臂中部，而負壓區主要集中在雨刷器支架上。從壓力分布上觀察，雨刷器支架與雨刷側面壓力相近。

2.2.1 測點布置。如圖7所示，在雨刷器側面設置4個測點，計算測點壓力。

2.2.2 計算結果分析。各測點計算結果如圖8所示。由計算結果可知，雨刷器臂側面壓力隨風力的增強呈逐漸增大趨勢，雨刷器臂以正壓區為主，列車以300 km/h速度運行，風力由9級逐漸增大到14級的過程中，正壓區壓力逐漸增大。測點4梯度依次為2.9%、3.7%、3.4%、3.2%、6.5%，梯度整體呈增大趨勢，平均梯度約為3.9%。

各測點計算結果

雨刷器支架及雨刷壓力相對較低，列車以300 km/h速度運行，風力由9級逐漸增大到14級的過程中，壓力呈逐漸增大趨勢。測點5壓力梯度依次為13.6%、14.3%、9.3%、13.0%、5.0%，梯度整體呈減小趨勢，平均梯度約為11.0%。測點6壓力梯度依次為12.4%、10.4%、11.6%、21.8%、14.0%，梯度沒有呈現出有規則的變化，平均梯度約為14.0%。測點7壓力梯度依次為16.9%、8.4%、11.9%、-1.3%、8.7%，梯度沒有呈現出有規則的變化，平均梯度約為8.9%。

此外，觀察測點5、測點6、測點7數據發現，雨刷器支架側面壓力呈現出兩端高、中間低的趨勢，當列車以300 km/h速度運行時，測點5與測點7壓力平均為中間值的5.64倍，測點5與測點7壓力始終處于同一數量級，壓力平均差值僅有不足8%。

2.3 雨刷器背面壓力分布研究

列車以300 km/h速度在大風環境下運行時，雨刷器背部壓力分布如圖9所示。由圖9可見，雨刷器背部除雨刷器臂中部小范圍呈現出正壓力外，其余位置均為負壓區。雨刷器負壓最大位置均位于支座部分，雨刷底部呈現較小正壓。

2.3.1 測點布置。布置測點如圖10所示。

2.3.2 計算結果分析。列車以300 km/h在10級大風環境下運行時，雨刷器背面測點8、測點9、測點10、測點11和測點12壓力隨風向角變化而發生的變化趨勢如圖11所示。由圖11可知，當列車以不同速度運行時，各測點的壓力隨風向角的變化趨勢大致相同，隨著風向角的逐漸減小，壓力首先快速增大，大約在風向角為120°時取得最大壓力值，然后壓力開始緩慢下降，在0°時取得最小的壓力值。從雨刷器支架背部各測點數據來看，在各風向角下，測點12的壓力值明顯高于其他測點的值，并且從測點12開始，沿雨刷背部測點11、測點10、測點9、測點8，壓力呈依次遞減的趨勢，梯度變化如表2所示。

3 結語

雨刷器位于列車頭部司機室側窗，列車速度提高后，頭部壓力分布復雜，將影響列車雨刷器的正常使用。因此，本文計算了列車以300 km/h速度在9～14級大風環境下運行時前方雨刷器受到空氣壓力的變化，監測并分析了雨刷器臂及雨刷上測點的壓力隨風力變化的趨勢，以便更好地保證列車安全運行。

參考文獻：

[1]KITAGAWA T，NAGAKURA K.Aerodynamic noise generated by SHINKANSEN cars[J].Journal of Sound and Vibration，2000（3）：913-924.

[2]WAKABAYASHI Y，KURITA T，YAMADA H，et al.Nosie measurement results of SHINKANSEN high-speed tset train （FAST-ECH360SZ）[J].Noise and Vibration Mitigation，2008（6）：63-70.

[3]NAGAKURA K.Localization of aerodynamic noise sour-ces of SHINKANSEN train[J].Journal of Sound and Vibration，2006（293）：547-556.

[4]張曙光.高速列車設計方法研究[M].北京：中國鐵道出版社，2009：82-83.

[5]晉永榮，梅元貴.德國高速列車ICE3隧道微壓波試驗研究綜述[J].國外鐵道車輛，2013（5）：1-6