CRH3動車組模型側風下明線運行的空氣動力特性分析

魏雅潔，張群，劉新橋

(英特工程仿真技術(大連)有限公司，遼寧 大連 116023)

0 引 言

隨著列車運行速度的提高，列車與空氣的相互作用變得十分強烈。在實際車輛開發過程中，如何有效地利用空氣動力學特性變得越來越重要。在強側風的作用下，列車空氣動力性能惡化，列車空氣阻力、升力、橫向力迅速增加，影響列車的橫向穩定性。若車體受到正向升力，則會使動力車輪與鋼軌之間的黏著力減小，降低列車牽引力，但過大的正向升力還有可能導致列車爬軌和跳軌，加上側風產生的側向力，很容易導致列車傾覆。當車體受到負向升力時，列車動態軸重增加，輪軌之間的接觸力增大，加劇列車對鋼軌的動力沖擊，加速車輪踏面和鋼軌的磨損。為使列車安全通過風區，應開展不同側風環境下的列車空氣動力特性研究。成楠等利用大渦模擬湍流模型計算側風影響下的高速列車環流，發現列車在定常側風下所受的空氣動力學特性存在非定常性。謝紅太基于三維定常不可壓黏性流場，分析強側風對高速列車頭車氣動性能的影響，發現隨風向角的增大，空氣阻力系數先增大后減小。

本文應用流體分析軟件FLUENT對3車編組的CRH3動車組在側風下運行的空氣流場進行數值計算，研究側風下風向角的變化對車體周圍空氣流場的影響，為動車組側風環境下安全運行指標的確定提供技術支持。

1 研究方法

受計算能力的限制，采用簡化后的CRH3列車模型進行分析。對CRH3列車模型的簡化包括以下幾個方面：(1)為縮短列車長度，列車模型取3車連掛的頭車+中車+尾車模式；(2)簡化列車表面，去除諸如門把手、受電弓、車燈等突出物；(3)簡化車體轉向架結構。3車編組的CRH3動車組計算模型見圖1。

圖1 CRH3動車組整車模型

計算區域的選擇以不影響車體附近流體的流動為原則，為使計算結果盡可能接近真實狀況，車前和車后區域均取足夠長，并將車體周圍區域劃分為3層。整個計算區域長368 m、寬280 m、高90 m，車頭到速度入口的距離為100 m，尾車到壓力出口的距離為192 m。主要考慮側風的影響，因此擴大流域兩側寬度，列車側面到流場側面邊緣的距離為138 m，列車距地面0.3 m，車輛運行的流體計算域見圖2。

圖2 車輛運行的流體計算域，m

采用HyperMesh 19.0進行幾何清理、流體域生成和網格劃分。流體域和車體剖面的網格劃分結果見圖3，網格總數約為1 400萬個。有側風運行時，列車表面采用三角形網格劃分，四周的矩形區域均采用幾何適應性強的四面體非結構化網格。將車體周圍劃分成3層區域：外層區域為流域1，中間區域為流域2，包裹車身與轉向架的區域為流域3，并對流域3和2分別進行不同程度的局部加密處理。列車頭部為流線型設計，在流場中直接受到氣流的影響，故將列車頭部鼻尖處網格局部加密，網格最小尺寸為10 mm，以保證數據模擬的準確性。

圖3 計算流體域和車體剖面的網格劃分

計算流體域邊界條件示意見圖4，邊界條件定義見表1。入口設置為速度入口，出口設置為壓力出口，出口壓力設為0。

表 1 邊界條件定義

圖4 計算流體域邊界條件示意

使用FLUENT 16.0對列車外的流場進行仿真分析計算，分析類型為可壓縮流體的穩態分析，求解器為基于壓力法。湍流模型選擇RNG-兩方程模型，壁面方程為標準壁面函數，流體介質為氣體。求解格式為SIMPLE，空間離散梯度選擇Least Squares Cell Based，收斂殘差設置為10。

2 結果分析

列車模型以風洞試驗的方式給定邊界條件，入口風速采用合成風。在不同風向角下，相同車速和風速的合成速度不相同，即車輛受到的氣動力不僅與列車運行速度和環境風速度有關，還與環境風的風向角有關。列車側風風向角定義示意見圖5。假設列車運行速度為，運行方向為從右向左(即負方向)。根據列車與周圍空氣的相對運動，假定列車相對地面為靜止，車輛前方的空氣以速度從左向右流動。設定列車前進方向右側風的風向角為負、左側風的風向角為正。設定車速為60 m/s，對側風風向角為0°、±3°、±6°、±9°、±12°、±15°、±18°、±21°和±24°等17個工況進行數值模擬。

圖5 列車側風風向角定義示意

2.1 車體表面壓力分布

風向角分別為±9°、±18°和±24°時的列車表面壓力分布云圖分別見圖6～11，車體關注部位的表面壓力見表2。無側風時鼻尖前緣點壓力為2 199 Pa，風向角為24°時鼻尖前緣處壓力值為1 097 Pa，最大壓力值為2 205 Pa；隨著風向角的增大，列車頭部的壓力駐點不位于列車前緣鼻端，而位于車頭鼻尖迎風側處，且最大壓力隨風向角的減小逐漸減小。

圖6 風向角為9°時列車表面壓力分布,Pa

圖7 風向角為-9°時列車表面壓力分布,Pa

圖8 風向角為18°時列車表面壓力分布,Pa

圖9 風向角為-18°時列車表面壓力分布,Pa

圖10 風向角為24°時列車表面壓力分布,Pa

圖11 風向角為-24°時列車表面壓力分布,Pa

表 2 車體關注部位的表面壓力

此外，列車頂面基本為負壓，而且隨著風向角的增大，從列車側面到頂面的過渡圓弧面上正壓迅速減小，并在車頭向車身過渡處產生負壓，列車尾部也呈現較大的負壓。

在側風作用下，列車底部壓力分布不同于車身側面和頂面，但基本為負壓。列車車身迎風面的表面壓力值隨風向角的增大而增大，背風面的表面壓力值隨風向角的增大而減小，且由于出現一系列渦流分離區，故背風面的表面壓力值基本為負壓。

2.2 車體各部位的速度矢量分布

風向角分別為9°和24°時，在距地面1.8 m的水平橫斷面上，列車頭部和尾部的速度矢量分布見圖12～17，圖中流線的顏色代表速度矢量的大小，列車表面為壓力云圖。

圖12 風向角9°時列車頭部周圍速度分布

圖13 風向角24°時列車頭部周圍速度分布

圖14 風向角9°時列車尾部周圍速度分布

隨著風向角的增大，列車表面壓力和速度分布的不對稱現象更加明顯。當氣流經過鼻端沿車體流動時，由于頭部流線造型較好，車體表面的氣流速度明顯提升，車身表面的壓力逐漸下降，最大處為迎風側速度來流處。當列車在側風環境下運行時，隨著風向角的增大，尾部速度分布的不對稱性增加。

圖15 風向角24°時列車尾部周圍速度分布

圖16 風向角9°時列車尾部橫剖面外輪廓周圍速度分布,m/s

圖17 風向角24°時列車尾部橫剖面外輪廓周圍速度分布,m/s

在列車背風側，空氣因氣流分離而產生旋渦，故迎風側空氣速度明顯大于背風側速度。隨著側風風向角的增大，迎風側速度增加，而背風側渦流集中在車體表面，故速度急劇減小。風向角為9°時，列車周圍流場最大速度為85.86 m/s，風向角為24°時列車周圍流場最大速度為114.11 m/s。轉向架與車體之間存在著較大的空間，車體兩側來流以及車底氣流流經轉向架區域時，空間忽然開闊，氣流方向發生變化，部分氣流灌入轉向架區域內。由于轉向架區域周圍相對封閉，氣體灌入后沖擊在轉向架及轉向架周圍的車體端墻上無法及時導出，因此在轉向架周圍形成繞流，氣流速度較小。

2.3 側風下列車的氣動力分析

當列車運行時，車輛表面壓力和切應力沿垂直向上方向形成合力，稱為車輛空氣升力，即沿垂直方向的車輛表面空氣黏性升力與壓差升力之和。當車輛兩側外部流場不對稱時，車輛兩側表面壓力分布出現較大差異，形成車輛空氣壓差側向力。同時，由于車輛表面存在黏性切應力，從而形成車輛空氣黏性側向力。車輛表面壓力與切應力沿橫向形成的合力，稱為車輛空氣側向力，即橫向的車輛表面空氣壓差側向力與黏性側向力之和。

在側風作用下，CRH3動車組車輛空氣升力系數隨風向角的變化見圖18。列車在側風下運行時，隨著風向角的增大，整車空氣升力也相應增大；在無側風環境下，升力系數最小為-0.000 25，列車幾乎不受升力的影響；升力系數以=0°為軸對稱分布，風向角從0增加到24°時，升力系數從-0.000 25增加到0.261 87，風向角從-24°減小到0時，升力系數從0.255 58減小到-0.000 25。

圖18 車輛空氣升力系數隨風向角變化曲線

在側風作用下，CRH3動車組車輛空氣側向力系數隨風向角的變化見圖19。隨著風向角的增大，整車的空氣側向力系數逐漸增大，在正風向角方向側向力系數隨風向角增大而增大，在負風向角方向側向力系數隨風向角絕對值增大而增大；最大側向力系數出現在風向角為-24°時，其值為0.123 51，無側風環境下側向力系數絕對值最小，其值為0.000 21。

圖19 車輛空氣側向力系數隨風向角變化曲線

3 結 論

對CRH3動車組3車編組模型在側風工況下運行時的外部空氣流場進行數值計算，結果顯示：在側風環境下，列車頭部的鼻尖不再為駐點，但仍為較大的正壓，列車頭部的壓力駐點出現在正對迎風方向的位置；由車體表面壓力分布可知，側面的迎風面近乎于自由滯止流，此處形成正壓，而背風面出現一系列渦流分離區，形成負壓，迎風面和背風面的壓力疊加使車體側面受到非常大的壓差；由車體各部位的速度矢量分布可見，在列車背風面一側，空氣流動產生旋渦，迎風側空氣速度明顯大于背風側速度；對比不同風向角的模擬結果發現，列車表面最大壓力值和車體周圍的速度隨風向角的增大而增大。