楊 敏

（青海民族大學(xué) 繼續(xù)教育（職業(yè)技術(shù)）學(xué)院，青海 西寧810007）

常規(guī)鈍頭列車在明線以120km／h的速度運(yùn)行時(shí)，氣動(dòng)阻力占總阻力40%。當(dāng)提高列車運(yùn)行速度時(shí)，氣動(dòng)阻力也隨之大幅增加。通過加裝改造車體結(jié)構(gòu)，減小氣動(dòng)阻力，可以節(jié)省機(jī)車功率，減少能耗。本文采用計(jì)算流體力學(xué)方法，應(yīng)用Solid－Works2009／Flow Simulation構(gòu)建數(shù)值風(fēng)洞，對(duì)鈍頭列車就打開車輛門窗、車輛間加裝風(fēng)擋、車體加裝底罩、車頭前部加裝圓頂結(jié)構(gòu)等模型，在不同運(yùn)行速度下的氣動(dòng)阻力進(jìn)行模擬計(jì)算，分析了列車運(yùn)行中開窗的利弊及鈍頭列車車頭圓頂、車體底罩、車間風(fēng)擋結(jié)構(gòu)的減阻效果。

1 建立數(shù)值計(jì)算模型

列車一般由兩節(jié)及以上車輛組成，當(dāng)氣流流過車頭部一定距離后，繞流邊界層的結(jié)構(gòu)和車輛氣動(dòng)力變化已基本趨向穩(wěn)定。因此，為節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，同時(shí)受計(jì)算機(jī)硬件條件限制，計(jì)算模型以列車兩節(jié)廂為研究對(duì)象，尺寸大小為21m×1.6m×2.4 m（見圖1（a），細(xì)小結(jié)構(gòu)未忽略）。圖1（b）為打開車輛的部分車窗車門模型，圖1（c）為關(guān)閉門窗的參考模型，圖1（d）為圖1（c）基礎(chǔ)上車輛之間加裝風(fēng)擋模型，圖1（e）為圖1（d）基礎(chǔ)上加裝底罩模型，圖1（f）為圖1（e）基礎(chǔ)上車頭前部加裝圓頂模型。

相關(guān)研究表明，列車外流場(chǎng)屬于典型的鈍體繞流，基于列車平均長(zhǎng)度和最高速度的流場(chǎng)雷諾數(shù)變化范圍為105～108，流場(chǎng)中的慣性力比粘性力大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此列車外流場(chǎng)流動(dòng)為湍流狀態(tài)。Flow Simulation是嵌入SolidWorks的流體動(dòng)力學(xué)分析軟件，應(yīng)用Flow Simulation軟件能夠模擬和研究湍流。

圖1 列車模型

2 數(shù)值計(jì)算及分析

2.1 數(shù)值計(jì)算

2.1.1 計(jì)算區(qū)域

綜合相關(guān)文獻(xiàn)資料及試算經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算區(qū)域選擇長(zhǎng)、寬、高分別取10倍車長(zhǎng)（車前3倍車長(zhǎng)、車后6倍車長(zhǎng)）、6倍車寬、5倍車高，即250m×20m×20 m。車速范圍取80～160km／h。

2.1.2 項(xiàng)目構(gòu)建

借助流體工程向?qū)?，指定流體為空氣，流動(dòng)類型為湍流，計(jì)算區(qū)域的基礎(chǔ)網(wǎng)格和列車局部網(wǎng)格精度均為5級(jí)（通過試算，計(jì)算圖1（e）、圖1（f）加裝底罩模型時(shí)精度取3級(jí)），最小特征尺寸取0.2m（圖1（e）、圖1（f）中車底與軌面間距）。入口邊界條件取風(fēng)速（反向車速）并選中完全發(fā)展的湍流項(xiàng)，出口邊界條件為默認(rèn)靜壓（1atm），壁面邊界條件按無滑移、絕熱壁給定，求解目標(biāo)選氣動(dòng)阻力平均值。

2.1.3 計(jì)算結(jié)果

如圖1（c）模型，V列車＝150km／h的氣動(dòng)阻力f1（c）＝23 707.0N，原始計(jì)算結(jié)果見表1。

圖1中各模型在不同車速下的氣動(dòng)阻力計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 列車氣動(dòng)阻力計(jì)算結(jié)果N

表2 列車氣動(dòng)阻力計(jì)算結(jié)果

2.2 結(jié)果分析

1）車速?gòu)?0km／h增至160km／h，氣動(dòng)阻力增加為原來的3.3～3.6倍（見表2），符合Davis公式；加裝風(fēng)擋及底罩后，列車速度的增大程度較加裝前有所減弱。

2）加改后列車氣動(dòng)阻力變化隨車速變化見圖2，其中開窗增阻（閉窗減阻）fΔ1＝f1（b）－f1（c），風(fēng)擋減阻fΔ2＝f1（c）－f1（d），底罩減阻fΔ3＝f1（d）－f1（e），圓頭減阻fΔ4＝f1（e）－f1（f），底罩加圓頭減阻fΔ5＝fΔ3＋fΔ4。

圖2 列車減阻效果圖

由圖2可見:①列車開門窗運(yùn)行時(shí)氣動(dòng)阻力輕微增加，說明非空調(diào)列車夏天運(yùn)行時(shí)，可打開少數(shù)車窗降溫。②車輛間加裝風(fēng)擋、車底部加裝底罩、車頭部加裝圓頂結(jié)構(gòu)均有利于列車減阻，車體底部加裝底罩的效果尤為明顯（V列車＞110km／h），故減少列車氣動(dòng)阻力的重點(diǎn)部位在車體底部。③加裝底罩后，存在氣動(dòng)阻力增加區(qū)段（fΔ3＜0，這與車底附面層性質(zhì)及未考慮移動(dòng)地板條件有關(guān)），氣動(dòng)阻力增減的速度分界點(diǎn)在110km／h附近，車頭部加裝圓頂結(jié)構(gòu)、車輛間加裝風(fēng)擋后曲線fΔ5上移，該分界速度減小約為100km／h?？梢?，列車加裝底罩后，氣動(dòng)阻力增減的分界速度值與減少氣動(dòng)阻力的加改措施直接相關(guān)。

3 結(jié) 論

鈍頭提速列車采用加裝車體底罩、車頭圓頂（或盡可能簡(jiǎn)單并接近流線型）、車間風(fēng)擋等措施可有效減少空氣阻力，降低能耗；加裝底罩的減阻效果最佳，V列車＞110km／h時(shí)，速度越高則效果越明顯，V列車＜110km／h時(shí)，存在著氣動(dòng)阻力反而略有增加的負(fù)面效果；若在加裝底罩的基礎(chǔ)上，再加裝車頭前部圓頂及車輛間風(fēng)擋等減阻結(jié)構(gòu)，則氣動(dòng)阻力增與減的速度分界點(diǎn)左移至約100km／h。

［1］田紅旗.列車空氣動(dòng)力學(xué)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2007:239－243.

［2］楊敏.青藏線列車的空氣阻力及減阻措施［J］.鐵道技術(shù)監(jiān)督，2008，36（7）:42－43.

［3］周衛(wèi)兵，張健.降低通勤型動(dòng)車組的空氣阻力問題試驗(yàn)研究［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2009，32（4）:33－36.

［4］梁習(xí)鋒，舒信偉.列車風(fēng)擋對(duì)空氣阻力影響的數(shù)值模擬研究 ［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2003（1）:34－37.

［5］梁習(xí)鋒，田紅旗，鄒建軍.動(dòng)力車縱向氣動(dòng)力風(fēng)洞試驗(yàn)及數(shù)值模擬［J］.國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2003（6）:101－105.

［6］喻亮，茹紅強(qiáng)，鐘磊，等.飛行器流場(chǎng)的數(shù)值模擬［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，28（5）:676－679.

［7］楊敏.強(qiáng)橫風(fēng)下青藏線列車的兩點(diǎn)氣動(dòng)特性［J］.內(nèi)燃機(jī)車，2011（5）:4－6，17.

［8］張英朝，李杰，張喆.轎車開窗行駛時(shí)的氣動(dòng)阻力分析［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，31（6）:651－655.