孔繁冰，李 明，韓 璐，李國(guó)清，劉 斌

（唐山軌道客車有限責(zé)任公司 產(chǎn)品技術(shù)研究中心，河北唐山063035）

速度是現(xiàn)代社會(huì)高效率的標(biāo)志，客運(yùn)高速化是當(dāng)今世界鐵路發(fā)展的必然趨向。隨著高速列車速度不斷提升，各種空氣動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象更加突出，空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題已成為高速動(dòng)車組中關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題之一。

列車提速通常有兩種手段一是提升牽引功率，二是降低列車運(yùn)行阻力。但是對(duì)于高速列車，通過(guò)優(yōu)化列車牽引系統(tǒng)，提高牽引功率是有限的，而且從節(jié)能降耗方面而言，單純靠提高牽引功率來(lái)提高運(yùn)行速度也是不科學(xué)的。因此必須對(duì)現(xiàn)有列車進(jìn)行氣動(dòng)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能保證列車速度提升的需求。

目前對(duì)高速列車空氣動(dòng)力學(xué)的研究方法可分為理論分析方法、數(shù)值模擬方法和試驗(yàn)研究方法。數(shù)值模擬方法與試驗(yàn)研究方法是高速列車氣動(dòng)性能研究中兩種最基本的方法，互補(bǔ)不足，不可替代。

CRH380BL動(dòng)車組是以CRH3動(dòng)車組為樣車進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)的，通過(guò)數(shù)值仿真分析、風(fēng)洞試驗(yàn)方法，對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行評(píng)估，提出最終的CRH380BL動(dòng)車組外形方案，并通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)對(duì)數(shù)值仿真計(jì)算、風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。

1 數(shù)值仿真分析

明線列車空氣動(dòng)力學(xué)研究高速列車在開(kāi)闊地面上運(yùn)行和通過(guò)橋梁時(shí)所誘發(fā)的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，主要包括空氣阻力、橫風(fēng)下的列車空氣動(dòng)力學(xué)特征、列車交會(huì)引起的氣動(dòng)力與會(huì)車壓力波、列車風(fēng)、氣動(dòng)噪聲等。列車外形及其部件的外部形狀或外罩（如轉(zhuǎn)向架、受電弓、車頂導(dǎo)流裝置、車門(mén)及車廂連接方式等）對(duì)上述空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題均有很大影響。

圖1 CRH3動(dòng)車組空氣阻力分布示意圖

為了進(jìn)一步了解CRH3動(dòng)車組空氣阻力狀況，找出動(dòng)車組空氣阻力分布來(lái)源，對(duì)各部位的阻力進(jìn)行了分析。圖1給出了阻力來(lái)源分布示意圖，其中橫坐標(biāo)為列車縱向長(zhǎng)度，縱坐標(biāo)為氣動(dòng)阻力系數(shù)。圖中上部曲線是車頂阻力來(lái)源分析圖，圖中下部曲線是車底阻力來(lái)源分析圖。由圖可知，CRH3動(dòng)車組空氣阻力較大部位為車頭、車頂設(shè)備導(dǎo)流罩（空調(diào)、受電弓等）、車輛間連接結(jié)構(gòu)（風(fēng)擋）、轉(zhuǎn)向架區(qū)域等。因而，為減少動(dòng)車組空氣阻力，則需降低上述部位的空氣阻力。

通過(guò)數(shù)值仿真分析方法，模擬了列車在明線上高速運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)性能，對(duì)比分析了不同部位優(yōu)化方案的效果，從而選擇最優(yōu)最符合實(shí)際的方案進(jìn)行試驗(yàn)。其優(yōu)化部位示意圖如圖2所示，其中包含了將空調(diào)導(dǎo)流罩平滑化、受電弓導(dǎo)流罩前部長(zhǎng)度增加，使其與車體之間有平滑過(guò)渡、增加半外風(fēng)擋或全外風(fēng)擋、優(yōu)化裙板的結(jié)構(gòu)和高度、轉(zhuǎn)向架區(qū)域增加斜隔墻、局部細(xì)小位置的突起和凹陷處理等。

圖2 優(yōu)化部位示意圖

1.1 模型的選擇及邊界條件的設(shè)定

本文以計(jì)算流體力學(xué)軟件STAR-CCM+為研究工具，對(duì)圖2中的優(yōu)化方案進(jìn)行數(shù)值仿真分析。計(jì)算中控制方程為可壓縮N-S方程，湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)K-ω模型+標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。邊界條件包括速度入口邊界條件、固定壁面邊界、壓力出口邊界條件，同時(shí)計(jì)算中包含了對(duì)地面效應(yīng)的模擬，采用移動(dòng)壁面邊界條件，以消除列車靜止而引起地面附面層對(duì)列車氣動(dòng)性能計(jì)算的影響。

計(jì)算區(qū)域?yàn)榍昂蟾?00m，上100m，左右各100 m，采用多面體+prism網(wǎng)格，在車體表面和地面劃邊界層網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)約1.2億單元。計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格示意圖如圖3所示。

表1 邊界條件

圖3 模型體網(wǎng)格示意圖

1.2 計(jì)算結(jié)果及分析

在仿真分析中，對(duì)8輛編組列車模型進(jìn)行了有、無(wú)側(cè)風(fēng)下的數(shù)值仿真分析，對(duì)比分析了不同部位經(jīng)過(guò)優(yōu)化后與原型車相比的減阻效果。其仿真分析的減阻效果如圖4、圖5所示。

圖中給出在無(wú)側(cè)風(fēng)條件下，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后各部件及各車阻力對(duì)比分析示意圖，由圖可知，對(duì)CRH3動(dòng)車組風(fēng)擋、車頂設(shè)備導(dǎo)流罩、轉(zhuǎn)向架區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化后其空氣阻力與原型車相比，降低了約16.6%。

圖4 無(wú)側(cè)風(fēng)下不同模型空氣阻力對(duì)比

圖5 在15m／s側(cè)風(fēng)下不同模型空氣阻力對(duì)比

由上圖可知，對(duì)CRH3動(dòng)車組風(fēng)擋、車頂設(shè)備導(dǎo)流罩、轉(zhuǎn)向架區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化后，在有側(cè)風(fēng)時(shí)，優(yōu)化模型的空氣阻力與原型車相比，降低了約16.4%。

通過(guò)上述計(jì)算可知，CRH3動(dòng)車組風(fēng)擋、空調(diào)導(dǎo)流罩、MUB導(dǎo)流罩、轉(zhuǎn)向架裙板延伸結(jié)構(gòu)和底架隔墻向轉(zhuǎn)向架平移等優(yōu)化方案能有效降低動(dòng)車組空氣阻力。由于仿真計(jì)算時(shí)未考慮車頂天線、部分絕緣子（受電弓處絕緣子已加）以及車底等處縫隙等部件，因而計(jì)算結(jié)果偏小。認(rèn)為經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，空氣阻力降低約13%。

2 風(fēng)洞試驗(yàn)

風(fēng)洞試驗(yàn)用于測(cè)定作用在列車上的空氣動(dòng)力、力矩、列車表面壓力分布、側(cè)風(fēng)影響、尾部流場(chǎng)等。它具有試驗(yàn)理論和方法成熟的優(yōu)點(diǎn)，便于深化產(chǎn)生機(jī)理認(rèn)識(shí)，得到氣動(dòng)規(guī)律，研究列車外形對(duì)空氣動(dòng)力性能影響。因此，采用試驗(yàn)方法觀察和研究列車周圍流動(dòng)現(xiàn)象，風(fēng)洞試驗(yàn)是非常重要的手段。

2.1 試驗(yàn)工況

數(shù)值仿真分析具有高效率、低成本的特點(diǎn)，所以在最初通過(guò)仿真手段進(jìn)行了多種方案的計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定各部件的2、3種方案進(jìn)行模型制作。隨后在四川綿陽(yáng)29基地的8m×6m風(fēng)洞中對(duì)3輛編組列車模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，更好的研究了CRH3動(dòng)車組外形與空氣動(dòng)力學(xué)之間的關(guān)系。本次試驗(yàn)共進(jìn)行了16種方案的測(cè)試。

試驗(yàn)是在原型車的基礎(chǔ)上，對(duì)各個(gè)部位優(yōu)化方案進(jìn)行逐一吹風(fēng)，主要是對(duì)車頂導(dǎo)流罩、裙板、轉(zhuǎn)向架區(qū)域及風(fēng)擋處進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)各個(gè)方案的吹風(fēng)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，選擇最優(yōu)方案，再進(jìn)行最優(yōu)方案阻力測(cè)試和側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性測(cè)試。試驗(yàn)中部分模型示意圖如圖6所示。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

原型車以及各種優(yōu)化方案在60m／s風(fēng)速以及不同迎風(fēng)角下，空氣阻力測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

由圖可知，原型車在無(wú)側(cè)風(fēng)條件下空氣阻力系數(shù)為0.494，各種優(yōu)化方案在不同程度上降低了列車的空氣阻力。

通過(guò)結(jié)果分析可知增加半封閉外風(fēng)擋、優(yōu)化空調(diào)導(dǎo)流罩、將頭尾車轉(zhuǎn)向架裙板向下延伸并向外圓滑過(guò)渡、在頭尾車增加底架隔墻等，可減少空氣阻力約9%。

3 實(shí)車試驗(yàn)

經(jīng)對(duì)仿真計(jì)算、風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析后，并從可行性等實(shí)際情況出發(fā)，確定了CRH380BL動(dòng)車組實(shí)車制造的最終方案。其中車端連接處采用全外風(fēng)擋結(jié)構(gòu)；優(yōu)化客室空調(diào)導(dǎo)流罩的外形，類似受電弓導(dǎo)流罩外形；增加受電弓導(dǎo)流罩前端長(zhǎng)度；下沿裙板高度；去掉車鉤導(dǎo)向桿，將車鉤導(dǎo)流罩全部封閉；將制動(dòng)閥板向車外側(cè)移動(dòng)，直至與車下裙板外表面平齊等。

2011年在京滬先導(dǎo)段線上對(duì)CRH380BL動(dòng)車組進(jìn)行了惰行阻力試驗(yàn)，得到實(shí)測(cè)阻力。并對(duì)CRH380BL動(dòng)車組的實(shí)測(cè)阻力、CRH380BL動(dòng)車組的設(shè)計(jì)阻力、CRH3動(dòng)車組的實(shí)測(cè)阻力進(jìn)行了對(duì)比分析，得到在200～380km／h速度級(jí)上，CRH380BL動(dòng)車組實(shí)測(cè)整車阻力比CRH3動(dòng)車組實(shí)測(cè)整車阻力降低8%以上，且滿足運(yùn)營(yíng)要求。

圖6 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒糠质疽鈭D

圖7 原型車和不同方案空氣阻力對(duì)比

4 結(jié)論

本文利用數(shù)值仿真分析方法和風(fēng)洞試驗(yàn)，評(píng)價(jià)了不同優(yōu)化方案對(duì)列車空氣動(dòng)力學(xué)性能的影響，并與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到以下結(jié)論：

（1）通過(guò)數(shù)值仿真分析，可以系統(tǒng)的研究阻力的來(lái)源，得到各部位形成的阻力大小，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

（2）通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)，可以驗(yàn)證數(shù)值仿真分析的結(jié)果，依據(jù)實(shí)際需求及可行性，得到最終的優(yōu)化方案，便于進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)。

（3）由于在針對(duì)各減小阻力方案的仿真計(jì)算時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域、車頂受電弓部件、前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的縫隙等部位進(jìn)行了適應(yīng)于空氣動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算的簡(jiǎn)化處理，預(yù)測(cè)阻力要比實(shí)測(cè)阻力低約2～4%，這在商業(yè)軟件計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的允許誤差范圍內(nèi)。

［1］黃志祥.CRH3動(dòng)車組風(fēng)洞試驗(yàn)報(bào)告，BG-09355［R］.四川綿陽(yáng)：中國(guó)低速空氣動(dòng)力學(xué)研究發(fā)展中心，2009.

［2］黃志祥.高速綜合檢測(cè)列車風(fēng)洞試驗(yàn)報(bào)告，BG-10093［R］.四川綿陽(yáng)：中國(guó)低速空氣動(dòng)力學(xué)研究發(fā)展中心，2010.

［3］田紅旗.列車空氣動(dòng)力學(xué)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

［4］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.