高速列車氣動阻力分布特性研究

1、第34卷第7期鐵道學報V o l.34N o.72012年7月J O U R N A LO FT H EC H I N AR A I L WA YS O C I E T YJ u l y2012文章編號:1001-8360(201207-0018-06高速列車氣動阻力分布特性研究姚拴寶1,郭迪龍1,楊國偉1,李明高2(1.中國科學院力學研究所,北京100190;2.中國北車唐山軌道客車責任有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心,河北唐山063000摘要:針對由8輛車組成的C R H3型動車組的實際外形,生成約1.6億個計算網(wǎng)格,采用大規(guī)模并行計算,模擬單列高速列車在明線軌道上以350k m/h速度運行時的氣流流

2、場,并對列車各組成部分的氣動阻力特性進行統(tǒng)計和歸類,給出各部件氣動阻力對列車總氣動阻力的貢獻,為高速列車局部減阻優(yōu)化設(shè)計提供參考。關(guān)鍵詞:高速列車;復(fù)雜外形;氣動阻力;數(shù)值模擬中圖分類號:U238文獻標志碼:Ad o i:10.3969/j.i s s n.1001-8360.2012.07.003D i s t r i b u t i o no fH i g h-s p e e dT r a i nA e r o d y n a m i cD r a gY A OS h u a n-b a o1,G U OD i-l o n g1,Y A N GG u o-w e i1,L IM i n g

3、-g a o2(1.I n s t i t u t eo fM e c h a n i c s,C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s,B e i j i n g100190,C h i n a;2.P r o d u c tR e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n tC e n t e r,T a n g s h a nR a i l w a yV e h i c l eC o.,L t d,T a n g s h a n063000,C h i n aA b s t r a c t:F o rt h e

4、r e a lc o n f i g u r a t i o no fC R H3w i t ht h eh e a d+s i xc a r r i a g e s+t a i lt r a i nc o m b i n a t i o nr u n n i n ga t 350k m/hi nt h eo p e na i r,t h ef l o wf i e l dw a sm a s s i v e l yp a r a l l e l-s i m u l a t e dw i t h160m i l l i o no fc o m p u t a t i o n a l g r i

5、 d s.T h ea e r o d y n a m i cd r a go fv a r i o u sc o m p o n e n t sw a sc a l c u l a t e da n dt h ec o m p o n e n td r a gc o n t r i b u t i o nt ot h e t o t a lt r a i nd r a gw a sa n a l y z e d.T h er e s u l t sa r eh e l p f u lt ol o c a ld r a g-r e d u c e do p t i m i z a t i o

6、n.K e yw o r d s:h i g h-s p e e dt r a i n;c o m p l e xs h a p e;a e r o d y n a m i cd r a g;n u m e r i c a ls i m u l a t i o n列車貼近地面運行,長徑比遠大于其他交通工具,其運行速度也已達到300k m/h以上,空氣阻力分布特性與汽車、卡車或飛機相比更為復(fù)雜1-10。列車的空氣阻力特性關(guān)系到列車的提速和列車的節(jié)能環(huán)保能力,是高速列車空氣動力特性研究中的重要部分。對于列車阻力的研究,一直以來人們都沿用1926年發(fā)表的D a v i s公式1及后來的修正形式。這些

7、公式的統(tǒng)一形式為R=A+(B1+B2V+C V2式中:R為列車運動總阻力;V為列車相對于靜止空氣的速度;A為滾動機械阻力;B1為其他機械阻力,包括傳遞損耗和制動阻力;B2為空氣動量阻力;公式的最后一項為列車所受的外部氣動阻力,系數(shù)C=12S C D,其中:為空氣密度,S為列車的迎風面積,C D為阻力系數(shù)。當傳統(tǒng)列車速度為120k m/h時,空氣阻力約占收稿日期:2011-04-21;修回日期:2011-08-05基金項目:國家科技支撐計劃(2009B A G12A00作者簡介:姚拴寶(1986,男,河南濮陽人,碩士研究生。E-m a i l:y s b a o566163.c o m 總阻力的

8、40%;頭部長度稍大于5m的流線型動車組,當其速度為300k m/h時,空氣阻力可以達到總阻力的85%;頭部長度在10m左右且流線型程度非常高的動車組,當其速度為300k m/h時,空氣阻力占總阻力的75%6。由此可見,高速列車氣動阻力分布的研究對有效進行氣動減阻起著至關(guān)重要的作用。本文將以此為出發(fā)點,著重探討列車及其各主要部件的氣動阻力分布特性,為高速列車的減阻設(shè)計提供參考。由于列車的頭車、中間車、尾車以及在空調(diào)整流罩、受電弓、車廂連接處、轉(zhuǎn)向架等部位的氣動阻力不同,因此通過對列車各部分氣動阻力的分解,可為找到減阻途徑提供幫助,以達到降低列車總氣動阻力、減少能耗、提高列車運行速度的目的。目前

9、國內(nèi)外文獻1-3,11-14大都是針對由3輛車組成的簡化外形的動車組(即不考慮空調(diào)裝置、受電弓、車廂連接處、轉(zhuǎn)向架等進行的列車空氣動力特性研究。高速列車作為一種大長徑比交通工具在地面高速運行時,其長度及主要組成部件對列車的氣動阻力有很大影響,對短編組簡化外形進行研究,很難得到滿足工程要求精度的阻力分布情況。為此,本文以C R H3型動車組為樣板,對速度為350k m /h 、由8輛車組成、實車大小及外形的動車組模型進行數(shù)值模擬,并分析各部分的氣動阻力分布及其在列車總氣動阻力中所占的比例。1計算模型與網(wǎng)格劃分1.1計算模型計算模型為由8輛C R H 3型車組成的動車組,見圖1。該動車組由4輛動車

10、與4輛拖車組成,從頭車到尾車的編號依次為頭車、中間車1、中間車2、中間車3、中間車4、中間車5、中間車6、尾車。其中頭車、中間車2、5和尾車為動車,其余為拖車,受電弓安裝在中間車1和6上。1.2計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分計算區(qū)域:以列車高度h 為特征長度, 車頭前30h 、車尾后30h 、高度30h 及左右各30h 的范圍為計算區(qū)域。為了更準確地計算車體表面摩擦阻力,在車體、轉(zhuǎn)向架表面以及地面生成邊界層網(wǎng)格。由于網(wǎng)格數(shù)量太大,為保證網(wǎng)格質(zhì)量并提高網(wǎng)格劃分的效率,采用分區(qū)域劃分網(wǎng)格的方法,每輛車為一個區(qū)域,網(wǎng)格量約為2000萬個,各區(qū)域通過交接面進行連接?？紤]到車身附近流場對車體氣動力影響較大,故對車體

11、周圍進行網(wǎng)格加密,為更為準確地模擬各部件的流場特征,對列車轉(zhuǎn)向架、受電弓和車體的尾流區(qū)進行單獨加密,計算總網(wǎng)格數(shù)約1.6億個單元,列車網(wǎng)格、頭車和轉(zhuǎn)向架局部網(wǎng)格分布示意圖如圖2。依托中國科學院力學研究所的計算力學平臺進行計算,使用256個C P U ,計算用時約150h 。2計算方法本文使用S T A R -C C M+流體計算軟件進行流場計算?？刂品匠虨槿S定常可壓縮N -S 方程;離散方法采用基于格心格式的有限體積法;空間離散格式采用R o e 格式,時間離散采用L U -S G S 隱式離散方法15;湍流模型為k -S S T 模型;為控制邊界層的網(wǎng)格數(shù)量并保證計算精度,在壁面處使用了標

12、準壁面函數(shù)16。計算參數(shù)為:列車運行速度為350k m /h ,遠場壓力取101325P a ,參考溫度為288K ,列車橫斷面參考面積為10.8m2。邊界條件:由于高速列車運行速度處于亞音速范圍,此時,遠場邊界一般通過引入與邊界垂直的一維無黏流動的R i e m a n n 不變量來處理17,即無反射邊界條件。因此,本文計算時,進口、出口及外場均設(shè)置為遠場無反射邊界條件,車體為無滑移固壁邊界條件。同時,計算過程中包含了對地面效應(yīng)的模擬,設(shè)地面為移動壁面,移動速度與來流速度相等。受網(wǎng)格量的限制,本文未考慮路基對高速列車氣動阻力的影響,將地面模型假設(shè)為光滑水平地面。3結(jié)果與分析3.1車輛的氣動阻

13、力分析本文所選用列車運行工況為列車的穩(wěn)態(tài)運行。列車穩(wěn)態(tài)運行,是指列車在平直軌道、明線、非會車工況下及靜止風環(huán)境、周圍空曠等特定條件下單向勻速行駛6。由于列車為細長體,在穩(wěn)態(tài)行駛時各輛車的流場有很大不同,所受阻力差異也很大,通過計算各輛車氣動阻力分布,可為列車局部減阻優(yōu)化提供依據(jù)。雖是穩(wěn)態(tài)運行,列車周圍流場仍表現(xiàn)出很強的非定常性。由于網(wǎng)格量巨大,計算時間受到限制,本文未考慮列車流場的非定常性,但即便使用定常算法,仍可模擬列車表面非連續(xù)區(qū)域(如轉(zhuǎn)向架、受電弓、車廂連接處等及91第7期高速列車氣動阻力分布特性研究尾流區(qū)引起的非對稱的渦脫落,從而導(dǎo)致列車阻力系數(shù)無法收斂到一個穩(wěn)定的定常解。當?shù)螖?shù)達

14、到一定值時,阻力系數(shù)在一個較小范圍內(nèi)呈現(xiàn)出準周期性的振蕩。本文所論述的阻力系數(shù)均為其在呈現(xiàn)準周期性振蕩時若干周期的平均值。圖3為列車切片阻力系數(shù)分布。將整列車每隔0.5m分割為一段,通過對每一段的阻力系數(shù)進行積分,得到各段的總阻力系數(shù),最后將各段總阻力系數(shù)值進行曲線擬合,即可得到列車切片阻力系數(shù)分布。從圖3可見,在頭車、尾車、車廂連接處、受電弓和空調(diào)整流罩及限壓電阻區(qū)域,整體流場分布不均勻,導(dǎo)致壓力波動很大,列車阻力增加。因此,在列車的減阻優(yōu)化過程中,應(yīng)減小車身表面的凹凸,使車身盡量光滑 。將8輛車組成的C R H3型動車組的總氣動阻力系數(shù)歸一化為1,氣動阻力的計算式為F=(F p f+F s

15、 f·n f(1式中:F pf 、F sf分別為列車表面網(wǎng)格單元f所受的空氣壓力矢量和剪切力矢量;nf=100,表示氣動阻力與列車運行速度方向相反。列車總氣動阻力F是由摩擦阻力F s h e a r和壓差阻力Fp r e s s u r e所組成的。F s h e a r=F s f·n f=-(T f·a f·n f(2式中:Tf 為列車表面網(wǎng)格單元的剪切應(yīng)力張量;af為列車表面網(wǎng)格單元的面積矢量。F p r e s s u r e=F p f·n f=(-p f+p r e f·a f·n f(3式中:pf為列車表面網(wǎng)格

16、單元受到的壓力;p r e f為流場計算時的參考壓力。對于整列車,摩擦阻力占列車總氣動阻力的24.7%,壓差阻力占列車總氣動阻力的75.3%。各車輛氣動阻力系數(shù)分別占列車總氣動阻力系數(shù)的百分比如圖4所示。中間車2、3、4、5的氣動阻力系數(shù)明顯小于其他車輛。中間車1和中間車6帶有受電弓裝置,使其壓差阻力增大,中間車1受電弓系統(tǒng)氣動阻力占列車總氣動阻力的6.4%,中間車6受電弓系統(tǒng)氣動阻力占列車總氣動阻力的5.6%。中間車1的受電弓系統(tǒng)氣動阻力貢獻更大:一方面是因為中間車1受電弓與中間車6受電弓相向安裝,致使兩個受電弓的尾流場明顯不同,中間車1受電弓誘發(fā)的尾渦強度更大,導(dǎo)致其所受的壓差阻力更大;另

17、一方面是因為中間車1表面邊界層厚度遠小于中間車6的表面邊界層厚度,中間車6的受電弓完全浸沒在邊界層內(nèi),導(dǎo)致中間車1的受電弓引起的壓差阻力大于中間車6的受電弓引起的壓差阻力。從圖4可見,頭車和尾車氣動阻力對列車總的氣動阻力貢獻很大,占列車總氣動阻力的31.5%,主要表現(xiàn)為壓差阻力。因此,頭型減阻設(shè)計是高速列車氣動設(shè)計的主要問題之一。頭車由于其迎風面積大,對來流壓縮得最厲害,從圖5看出,氣流在流經(jīng)鼻錐后被分流至車頂和車底兩個方向,在接近列車鼻錐時速度急劇減小, 在鼻錐前端滯止為零,從而在列車鼻錐處形成駐點,產(chǎn)生強高壓區(qū)。流向鼻錐下方的氣流經(jīng)過斷面收縮而加速后,在排障器附近速度又迅速降低,最終在排障

18、器處再次滯止為零,形成第二駐點和對應(yīng)的高壓區(qū)。流向鼻錐上方的氣流沿車體上表面逐漸加速,由于司機室前窗與2鐵道學報第34卷車體存在傾角,氣流在前窗與車體交角處速度降低,形成車頭位置的次高壓區(qū)。氣流在經(jīng)過司機室前窗時再次加速,在車頂曲率最大處達到最高值,產(chǎn)生一個較弱的低壓區(qū)。這種流動特性直接導(dǎo)致頭車的壓差阻力明顯大于中間各輛車,而通過優(yōu)化頭車流線型外形,進而改變頭車流場特性,成為高速列車頭型氣動減阻設(shè)計的主要思路。從圖6可看出,與頭車鼻錐的流場不同,尾車鼻錐附近流場受上下左右氣流的作用和地面效應(yīng)的影 響下,在尾流區(qū)形成強度不一的旋渦,其中列車底部的氣流影響尤為明顯。由于尾車鼻錐附近尾渦的快速生成、

19、脫落和破裂,致使尾錐附近流場極為復(fù)雜,壓力顯著降低,形成一個低壓區(qū),不僅導(dǎo)致尾車擺動更加劇烈,且導(dǎo)致其氣動阻力明顯增大。因此,可考慮改變尾車外形,從而改變尾流區(qū)的流動特性,減小尾渦的影響,降低尾車壓差阻力,實現(xiàn)列車氣動減阻。3.2關(guān)鍵車輛部件的氣動阻力分析3.2.1轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)氣動阻力分析由于車輛走行裝置結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜,又有地面效應(yīng)的影響,因此,車輛走行裝置的外形會對列車的氣動性能產(chǎn)生很大影響。本文所采用的計算模型為車體裙板結(jié)構(gòu),即在兩轉(zhuǎn)向架之間安裝中裙板,在轉(zhuǎn)向架兩側(cè)安裝短裙板。本文所定義的轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)向架和轉(zhuǎn)向架區(qū)域,見圖7(b;圖7(a則給出頭車第一個轉(zhuǎn)向架的表面空氣壓力云圖。從圖7(a

20、可見,轉(zhuǎn)向架表面空氣壓力分布極不均勻,在迎風面的傳動齒輪箱和牽引電機位置存在高壓區(qū),且轉(zhuǎn)向架許多細部結(jié)構(gòu)附近也存在高壓區(qū)。從圖8可見,轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場極為復(fù)雜,氣流經(jīng)過鼻錐處的壓縮,速度迅速增大,經(jīng)過導(dǎo)流板的二次壓縮,氣流以極高的速度流向轉(zhuǎn)向架區(qū)域, 氣流猛烈沖擊轉(zhuǎn)向架而導(dǎo)致該區(qū)域產(chǎn)生復(fù)雜的湍流。大小不同、強度各異的旋渦會快速生成和脫落,從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生很大的氣動阻力。通過對列車各轉(zhuǎn)向架氣動阻力的研究,可為轉(zhuǎn)向架的氣動減阻優(yōu)化提供相應(yīng)的依據(jù)。圖9給出計算模型中16個轉(zhuǎn)向架區(qū)域的氣動阻力分布。從圖9可知,轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)氣動阻力占列車總氣動阻力的27.4%,且第一個轉(zhuǎn)向架的氣動阻力遠大于其他轉(zhuǎn)向架。轉(zhuǎn)

21、向架氣動阻力主要由壓差阻力引起,壓差阻力占轉(zhuǎn)向架氣動總阻力的97.9%。原因是:地面與車輛底架間沿車長方向的截面積很小,空氣流動速度很大,當氣流到達轉(zhuǎn)向架前端,速度迅速減小,形成高壓區(qū),流過轉(zhuǎn)向架后,氣流又開始加速,最終在各轉(zhuǎn)向架附近形成較大的壓差,導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架壓差阻力很大。因此,通過采取適當?shù)拇胧D(zhuǎn)向架區(qū)域進12第7期高速列車氣動阻力分布特性研究行優(yōu)化,改善轉(zhuǎn)向架附近的流場結(jié)構(gòu),可實現(xiàn)對轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的氣動減阻。3.2.2車體連接處氣動阻力分析車廂與車廂的連接部件不同的設(shè)計方式會直接影響到列車整體的氣動性能。本文所采用的車廂連接區(qū)域如圖10。從頭車到尾車之間車體連接處的編號依次為:連接處1、連接

22、處2、連接處3、連接處4、連接處5、連接處6、連接處7。圖11給出了 各車體連接處氣動阻力占列車總氣動阻力的百分比。從圖11可見,各連接處氣動阻力之和占列車總氣動阻力的19.1%。車廂連接處前半部分的氣動阻力系數(shù)遠小于后半部分的氣動阻力系數(shù),且前半部分的氣動阻力系數(shù)均為負值,即為推力。原因是:在不安裝外風擋的情況下,車廂與車廂連接處縫隙中會產(chǎn)生回流,形成凹腔流動,導(dǎo)致連接處前后兩部分的壓力分布明顯不同。如圖12所示,連接處前半部分氣動阻力為負值,后半部分氣動阻力為正值,且大于前半部分氣動阻力的絕對值,使連接處整體氣動阻力為正值。車廂連接處2阻力系數(shù)之所以很大,是因為該連接處緊鄰中間車1的受電弓

23、系統(tǒng),受到強氣流干擾,致使該處的壓差阻力明顯大于其他車廂連接處前半部分的壓差阻力。3.2.3附屬部件氣動阻力分析列車的附屬部件主要包括受電弓系統(tǒng)、空調(diào)整流罩和限壓電阻,其中受電弓系統(tǒng)包括受電弓、 絕緣子和受電弓導(dǎo)流罩。本文計算的受電弓系統(tǒng)包括中間車1和中間車6兩個受電弓區(qū)域,本文分別稱為受電弓區(qū)域1和受電弓區(qū)域2。車體附屬部件的致使車體表面光滑度遭到破壞,在附屬部件附近,流場會發(fā)生顯著變化。實車試驗和數(shù)值模擬表明,附屬部件對列車整體氣動性能有很大影響。計算結(jié)果表明:空調(diào)整流罩氣動阻力占列車總氣動阻力的7.6%;限壓電阻區(qū)域所受氣動阻力占列車總氣動阻力的3.3%;受電弓系統(tǒng)22鐵道學報第34卷第

24、期 高速列車氣動阻力分布特性研究 總氣動阻力占列車總氣動阻力的 ， 中 受 電 弓 其 區(qū)域 、 氣動阻力分別占列車總氣動 阻 力 的 和 絕緣子 和 受 電 弓 導(dǎo) 流 罩 氣 動 阻 力 分 別 ； 受電弓、 占列車總氣動阻力的 、 和 。 從 圖 可見， 由于受電弓系統(tǒng)的外形極為復(fù)雜， 氣流在受電弓 形 區(qū)域受到嚴重干擾， 成 高 壓 區(qū)。 受 電 弓 系 統(tǒng) 的 氣 動 阻 力 主 要 由 壓 差 阻 力 引 起， 受 電 弓 總 氣 動 阻 力 的 占 因此可考慮通 過 受 電 弓 及 受 電 弓 導(dǎo) 流 罩 的 優(yōu) ， 化設(shè)計改善此處的流 場 分 布， 到 減 小 壓 差 阻 力 的 目 達 的。 ， ， ， ， ， ： （ ） 田 紅 旗 列 車 空 氣 動 力 學 北 京： 國 鐵 道 出 版 社， 中 ： （ ） ， ： ， （ ） ， ， ， （ ） ， ： ， ， ， ， （ ） ： ， ， （） ： 肖友剛 高速列車空氣動力學性能計算 鐵道 陳燕榮， 車輛， ， ： （ ） ， ， ： ， （ ） 曾慶元， 向俊， 高速列車不同頭部形 狀 的 氣 動 等 陳銳林， ， 性能研究 湖 南 科