高速列車空氣阻力與氣動噪聲數值模擬研究

李科信

（大連交通大學電氣信息工程學院，遼寧 大連 116000）

列車空氣阻力與氣動噪聲的大小與列車的運行速度關聯很大，在運行速度達到300km/h 后，其氣動噪聲與列車速度的6次方成正比，空氣阻力與速度的二次方成正比[1]。列車處于高速運行時，空氣阻力與氣動噪聲會對行車安全及舒適性產生極大影響[2-3]，對其進行數值模擬分析就顯得尤為重要。文獻[4]等通過風洞試驗得出高速列車的運行阻力中空氣阻力占主要成分;文獻[5]采用數值模擬方法，研究了高速列車隧道會車的空氣阻力分布特性;文獻[6]運用流體動力學數值仿真軟件Fluent 分析真空管條件下，不同阻塞比和速度對列車空氣阻力的影響規律；文獻[7]指出當列車運行速度超過300km/h 時，氣動噪聲成為其主要噪聲來源；文獻[8]分別從實車實驗、風洞試驗和數值模擬方法三個方面對高速列車的氣動噪聲進行研究，并提出隨著運行速度的提高，氣動噪聲逐漸成為高速列車的主要噪聲源。

目前我國高鐵的運行速度已超過300km/h，其空氣阻力與氣動噪聲隨速度變高急劇增大。本文對列車運行速度為350km/h 時的空氣阻力與氣動噪聲分布特性進行了數值模擬分析。

1 空氣阻力與氣動噪聲分析原理

1.1 空氣阻力分析原理

空氣阻力是列車在空氣介質中行駛，列車相對于空氣運動時空氣作用力在行駛方向形成的分力，其存在制約著列車的速度，并對列車的平穩性造成影響。如果空氣阻力占列車行駛阻力的比率很大，則會增加列車燃油消耗量或嚴重影響列車的動力性能。空氣阻力的公式為：

其中，C 為空氣阻力系數，該值通常是實驗值，和物體的特征面積（迎風面積），物體光滑程度和整體形狀有關；ρ 為空氣密度，正常的干燥空氣可取1.293g/L，特殊條件下可以實地監測；S 物體迎風面積；V 為物體與空氣的相對運動速度。由此可知，空氣阻力的大小與列車的速度，所處的環境壓強以及迎風面積均有關系，故本文利用流體力學仿真軟件FLUENT，分析列車在同一速度下，處于不同大氣壓與阻塞比時的空氣阻力分布特性，并研究其規律，為后續優化列車外形提供理論基礎。

1.2 氣動噪聲分析原理

高速列車氣動噪聲計算步驟如下：

步驟1，采用k-ε 湍流模型對高速列車進行穩態分析；

步驟2，將穩態分析的計算結果作為初始條件，使用LES 模型進行瞬態湍流計算；

步驟3，將步驟2 中瞬態LES 模型轉換為新的FW-H 模型，將步驟2 的計算結果作為初始條件進行計算，得出列車表面壓力圖。

標準k-ε 模型的控制方程為：

LES 的控制方程為N-S 方程，通過其過濾掉小漩渦，得到大漩渦的動量方程為：

其中，G 為決定過濾尺寸的函數。

本文的亞格子模型選用Smagorinsky 模式，其渦粘度表達式為：

其中，d 為到壁面的最短距離，Cs為Smagorinsky 常數，一般取0.1，V 為計算單元的體積。FW-H 方程考慮了運動邊界對流體運動的影響，其表達式為：

其中，δ（f）為Dirac 函數，H(f)為Heaviside 函數，vn為固體邊界法線方向速度。

2 列車物理模型與仿真

2.1 列車計算域

在實際運行中的列車，它的形狀、尺寸、流線型等很多參數的設計是非常繁瑣的，需要考慮很多實際的運行條件，而且一般實際運行中的列車全長基本可以達到200m 左右。在仿真建模的過程中，如果完全按照實際情況，考慮到列車的每一個細節，計算量過大，現有的分析計算能力難以做到，而且考慮很多小的細節在進行流體分析的過程中其實并沒有多大的意義，很多小的細節對列車周圍流場的分布基本沒有什么影響。綜合這些因素，在建模的過程，對流場分布影響不大的部分和流場分布狀態基本一致的部分要進行必要的簡化，如列車中間車的流體分布狀態基本一致，因此可以只考慮一節中間車的流體狀態來近似代替所有中間車的流體狀態。

綜上所述，本文僅選用三節車體，即車頭、中間車和車尾建模。列車長度為79m，高度為3.7m，寬3.38m，管道總長為525m，管道入口距離車頭的距離為150m，網格數為34892。

2.2 列車空氣阻力仿真分析

為研究不同大氣壓下，高速列車的氣動特性，本文采用真空管模型，設定列車行駛速度為350km/h，當阻塞比分別為0.2，0.25，0.3，0.5，氣壓從0.1atm 變化到0.5atm 時，列車受到的空氣阻力如圖1 所示。

圖1 不同阻塞比下的氣動阻力

由圖1 可以看出，在同一運行速度、同一氣壓條件下，空氣阻力與管道阻塞比成正比。當阻塞比增大時，空氣阻力也隨之增大。但當管道的阻塞比較小時，雖然列車空氣阻力也會隨著阻塞比的增大而增大，但變化的幅度并不明顯。

由圖1 還可以看出，在不同的氣壓條件下，空氣阻力與阻塞比的正比關系并不會發生變化，但增長的幅度會受到氣壓條件的影響。當氣壓比較小時，阻塞比變化，列車氣動阻力的變化幅度并不明顯。因此我們可以得到結論，當管道內氣壓較低時，可以有效減小氣壓波動，列車運行會更加穩定。

3 列車氣動噪聲仿真分析

設定列車的運行速度為350km/h，側風為30m/s，由于列車周圍氣動噪聲是列車表面壓力的變化造成的，于是我們可以在列車上設立觀測點并進行瞬態分析，然后通過FFT 轉換，將時域脈動壓力變為頻域脈動壓力。轉變后的頻域脈動壓力圖如圖2 所示。

圖2 列車頻域脈動壓力圖

由圖2 可以看出，選取的三個觀測點的脈動壓力分布規律大致一樣，隨著頻率的增加，三處的脈動壓力均呈現下降趨勢。其中，頭車的脈動壓力最大，尾車次之，中間車最小，這與列車車體表面的曲率有關，曲率變化大，則脈動壓力大，尾車脈動壓力小于頭車是因為能量的耗散。

4 結論

本文采用真空管對空氣阻力進行計算，分析了不同阻塞比下列車空氣阻力的特性。采用標準k-ε 模型和LES 方法進行穩態和瞬態計算，分析了列車車身脈動壓力的頻域特性。得出如下結論：

（1）列車速度，氣壓一定時，空氣阻力的大小與阻塞比成正比，當阻塞比較小時，隨氣壓的增大，空氣阻力變化不明顯。

（2）列車速度，阻塞比一定時，空氣阻力的大小與氣壓成正比，列車周圍空氣流速分布規律基本相同。

（3）從列車車身頻域脈動壓力分布可以看出，列車車身脈動壓力的變化規律基本一致，隨著頻率的增加，脈動壓力逐漸變小。