于淼，劉明楊，耿亞彬，苗秀娟

城市軌道列車氣動性能優(yōu)化研究

于淼1，劉明楊3，耿亞彬2，苗秀娟4

(1. 中車唐山機車車輛有限公司 技術研究中心，河北 唐山 063000；2. 中車唐山機車車輛有限公司 產品研發(fā)中心，河北 唐山 063000；3. 中南大學 軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南 長沙 410075；4. 工程車輛安全設計與可靠性技術湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410075)

為研究城市軌道列車氣動特性以及底部部件對列車氣動特性的影響，針對三節(jié)車模型進行簡化，保有底部部件較高完整性，采用Realizable?湍流模型預測列車周圍流場。數(shù)值計算結果表明：列車氣動阻力分布呈現(xiàn)出尾車阻力最大，占三節(jié)車總阻力的48%；中間車阻力最小，占總阻力的14%。其中轉向架分別占頭車、中間車和尾車總阻力的15.1%，56.4%和23.0%。車底設備分別占頭車、中間車和尾車總阻力10.5%，10.3%和8.6%。因此對于頭車、尾車采取減阻方案首先是采用流線型頭型的方式減少流動分離現(xiàn)象。對于中間車減阻方法則要首先針對底部部件，采取密封艙的方式減少其產生的壓差阻力。通過優(yōu)化列車頭型發(fā)現(xiàn)列車氣動特性得到明顯的改善，其中列車頭車、中間車和尾車阻力分別為原始情況下的61.4%，70.1%和58.3%。在流線型外形基礎上進一步穩(wěn)定列車底部區(qū)域流場也有效改善了底部區(qū)域部件氣動特性。

列車空氣動力學；城市軌道列車；氣動優(yōu)化；轉向架

隨著中國軌道交通的快速發(fā)展，城市軌道列車在多地多線路多班次的運營。城市軌道列車比較于公路交通具有高安全性、高舒適性和大載客量等優(yōu)勢[1]。城市軌道列車的運行速度介于地鐵列車與高速列車之間，當城市軌道列車運行速度達160 km/h時，氣動阻力將在列車運行總阻力中占主導地位，達50%以上[2]。降低城市軌道列車運行時所受的氣動阻力將會有效節(jié)約能源。因此對城市軌道列車氣動性能分析必不可少，這將對列車氣動優(yōu)化提供基礎。目前，國外內針對列車氣動特性的研究主要以高速列車為主，并且分為數(shù)值仿真與風洞試驗2種主要方式。Raghunathan等[3]通過多種手段闡述了高速列車空氣動力學問題并提供了相關的方案改良列車氣動性能。Rezvani等[4]通過數(shù)值模擬的方法研究高速列車在橫風條件下的穩(wěn)定性，并證明了?湍流模型在研究列車氣動問題上的可行性。Muld等[5?6]通過改進的延遲分離渦(IDDES)方法研究了高速列車流場結構的問題。采用數(shù)值仿真方法可以提高效率并且能夠觀察列車流場細微結構，從而提出改進措施。但城市軌道列車與高速列車在運行速度和結構等方面存在不同，所以高速列車的研究并不能完全適用于城市軌道列車。近年來，國內學者也初步開展了關于城市軌道列車氣動特性的研究。李文化等[6]通過數(shù)值模擬的方法對城際列車通過隧道時的阻力和噪聲進行了分析，但對城市軌道列車細化到轉向架和車底設備等部件的研究不充分。本文針對城市軌道列車，采用數(shù)值模擬方法對列車車體和底部部件進行列車氣動特性細化分析，并根據分析提出有效的氣動優(yōu)化方案。

1 數(shù)值仿真

1.1 幾何模型

由于城市軌道列車中間車具有一定的相似性，所以采用頭車、中間車和尾車的三節(jié)車編組方式能夠較為完整的顯示城市軌道列車的氣動特性，并在一定程度上簡化計算和提高計算效率[2, 7?8]。為此本文將采用三節(jié)車編組模型進行數(shù)值仿真計算，如圖1所示。

圖1 計算模型

1.2 計算區(qū)域與邊界條件

數(shù)值模擬所用計算區(qū)域如圖2所示。ABCD邊界為速度入口，入口流速根據車速44.44 m/s而定，因此給定向均勻速度44.44 m/s；EFHG邊界為壓力出口，出口壓力設置為0 Pa；數(shù)值仿真利用相對運動特性，采用列車靜止，氣流運動的方式來模擬列車運動狀態(tài)，CGHD邊界與軌道均設置為移動地面，滑移速度與列車運行速度相同；其余邊界設置為對稱平面以模擬列車運行時四周無阻礙的情況。

圖2 計算域

1.3 計算網格

在本文中，運用Open FOAM 5.0中的Snappy Hex Mesh網格離散工具以六面體網格為主的混合網格進行離散，車體物面網格長和寬均為30 mm，轉向架、車體底部設備網格長寬均為15 mm。車體、底部設備邊界層為10層，轉向架邊界層為6層。車體平均+為100，底部設備平均+為150，均處于本文使用的Realizable?湍流模型的允許范圍，保證了計算結果的準確性。整個計算網格的單元數(shù)約為1 900萬個，列車周圍網格如圖3所示。

圖3 計算網格

1.4 數(shù)值計算方法

城市軌道列車運行速度為44.44 m/s，屬于不可壓縮流動速度范圍。并且列車外形屬于細長體加上本身的復雜結構使得與列車相關的流動現(xiàn)象大都為湍流現(xiàn)象，Realizable?雙方程湍流模型能夠很好的捕捉列車周圍的流動分離現(xiàn)象以及細小流場結構，并且多位學者通過此湍流模型計算列車周圍流場并驗證了湍流模型的正確性[9?11]，因此本文采用此模型加入不可壓縮的Navier-Stokes方程求解使方程組閉合。在本文中，使用商業(yè)軟件STAR-CCM+采用二階隱式的時間離散格式，并采用二階迎風格式對空氣相進行非定常計算。數(shù)值計算所設時間步長為2×10?4s，保證99%的計算單元庫朗數(shù)小于1。

2 數(shù)值計算結果

2.1 壓力場分析

為探究城市軌道列車氣動特性，首先分析列車表面壓力分布。由于列車頭型為鈍頭型，車頭處流動分離現(xiàn)象較流線型車頭更明顯，氣流直接沖擊更為嚴重，因此車頭迎風面存在大面積的高壓區(qū)域，列車表面壓力分布如圖4所示。由于非流線型車頭沒有過渡結構使得流動分離現(xiàn)象在列車頭車處出現(xiàn)，由于明顯的流動分離現(xiàn)象會產生大的速度差而產生壓差阻力，這是阻力產生的主要原因。尾車頭部頂端迎風側存在類似臺階結構受到氣流直接沖擊導致這一區(qū)域壓力突變出現(xiàn)較大正壓區(qū)域，較大的動壓使得此區(qū)域的阻力大幅提高。

圖4 列車車體表面壓力分布

氣流在沖擊列車頭部之后，部分氣流進入列車轉向架區(qū)域。轉向架表面壓力分布如圖5所示。由于氣流剛進入轉向架區(qū)域時流速較高，流速差導致轉向架1大部分區(qū)域處于負壓區(qū)。轉向架2前端出現(xiàn)正壓區(qū)，將會增加列車阻力。轉向架2至轉向架5壓力分布相似，轉向架6對比轉向架2至轉向架5主要區(qū)別在于其前端正壓力區(qū)域幅值與面積都大于前幾臺轉向架，后端區(qū)域存于負壓狀態(tài)，因此也將產生最大的壓差，從而在轉向架中對列車貢獻最多的阻力。

車體底部設備存在氣缸、蓄電池等重要部件，頻繁的壓力波動可能導致疲勞失效情況，所以需要對車體底部設備進行壓力分布分析。設備1迎風面受較高速氣流沖擊，使得其迎風面有幅值較高的正壓區(qū)域，列車底部設備表面壓力如圖6所示，這就將導致設備1出現(xiàn)較大的壓差不利于列車的減阻目的，減少迎風面積與流動分離現(xiàn)象避免背風面的渦流現(xiàn)象的產生將是優(yōu)化氣動性能的首選方案。設備2區(qū)域總體流速較頭車尾車降低，因此產生較小的壓差，這一區(qū)域氣動優(yōu)化優(yōu)先級最低。設備3處同設備1相似，這一區(qū)域流速加快，使得正負壓力幅值提高，將會產生較大的壓差阻力，采用的優(yōu)化方案也同設備1處相同。

圖5 轉向架表面壓力分布

圖6 列車底部設備表面壓力

2.2 速度場分析

本小節(jié)主要討論分析列車周圍流場結構以及速度云圖，以此討論列車氣動特性。圖7～9顯示了列車中間線截面列車周圍流場結構以及速度云圖，其中time?averageinf,time-average為列車周圍時均流速，其中時均流速是在流場收斂穩(wěn)定后的時刻到計算結束時刻做流速各分量的時間平均，inf為速度入口速度幅值。

頭車周圍流場如圖7所示。頭部頂端速度較高，越過頂端后出現(xiàn)臺階結構產生渦流，嚴重惡化列車氣動性能。底部區(qū)域由于車頭與轉向架1之間存在較大間隙，氣流在越過車頭后在轉向架1區(qū)域出現(xiàn)較大的低速渦流區(qū)。底部設備之間以及底部設備與車體之間也存在較大間隙，氣流運動到間隙時出現(xiàn)紊亂現(xiàn)象，這些紊亂現(xiàn)象將會惡化列車氣動性能。

圖7 頭車周圍流場

圖8 中間車周圍流場

圖9 尾車周圍流場

中間頂部流場平順，車底部流速總體低于頭車處，中間車周圍流場如圖8所示。轉向架3和轉向架4區(qū)域表現(xiàn)出轉向架前端上部區(qū)域有較高速氣流，這一區(qū)域會產生較大速度差，可在此區(qū)域前端引導氣流向下運動以此改善轉向架的氣動特性。

圖9顯示尾車頂部流場也較為平順，氣流至尾車頭部時受頭型影響發(fā)生嚴重的分離，使整個頭部區(qū)域處于低速區(qū)并有大量渦流出現(xiàn)，惡化列車氣動特性。緩解流動分離現(xiàn)象可有效改善此情況。尾車底部區(qū)域流速加快，底部部件將受到高速氣流影響，氣動特性較中間車比也會更差。底部設備區(qū)域明顯出現(xiàn)大渦流區(qū)域，而轉向架區(qū)域大渦流區(qū)域不明顯。

2.3 阻力分析

中間車阻力最小，占據列車總阻力的14%，阻力系數(shù)為0.129。中間車車體過渡光滑因此其所產生的阻力也就較小。中間車底部設備所受阻力占總阻力的10%。轉向架3與轉向架4占據中間車總阻力的56.4%，并且后端轉向架(轉向架4)產生阻力大于前端轉向架(轉向架3)，因此改善轉向架氣動特性在中間車中優(yōu)先級較高。

尾車阻力占據列車總阻力的48%，為3車之中最大，阻力系數(shù)為0.451；尾車阻力分布趨勢與頭車阻力分布相似，并呈現(xiàn)尾車較頭車來說阻力總體更大。對于尾車底部設備，尾車中轉向架產生的阻力大于底部設備所產生的阻力，2個轉向架占據了尾車總阻力的23.0%。并且車體底部設備阻力也是3車之中底部設備最大值。尾車阻力即表現(xiàn)出各項阻力均為3車之中最大，因此針對尾車的氣動特性優(yōu)化優(yōu)先級最高。

表1 列車阻力分布

表2 列車阻力系數(shù)

3 氣動外形優(yōu)化方案及分析

針對鈍頭型車頭阻力過大，流動分離現(xiàn)象明顯以及列車底部設備周圍空隙過大較易產生渦流現(xiàn)象增加列車所受阻力等問題，本節(jié)提出2種列車氣動特性優(yōu)化方案。首先對鈍頭車型進行優(yōu)化改進為流線型方案，如圖10(a)所示，基于流線型車頭方案上再提出針對列車底部區(qū)域的優(yōu)化方案，如圖10(b)所示。

(a) 流線型頭型優(yōu)化方案(方案1)；(b) 底部區(qū)域優(yōu)化方案(方案2)

表3 列車阻力分布對比

采用相同的數(shù)值方法對優(yōu)化方案進行數(shù)值計算。通過將列車頭型改進為流線型，能夠很大程度上減少列車車體所產生的阻力，計算結果如表3所示。優(yōu)化方案1下的頭車、尾車車體分別為原始方案的58.2%，75.4%。頭車與尾車因為直接受改進流線型的影響，緩解了列車頭部的流動分離現(xiàn)象從而阻力大幅下降。采用流線型頭型后對列車底部設備阻力影響不一，這是由于底部復雜流場所導致的。呈現(xiàn)出頭車轉向架阻力變化不大，其余設備阻力均有減小。

在現(xiàn)有優(yōu)化流線型頭型的基礎上對底部區(qū)域進行優(yōu)化，結果表明底部設備由原來的產生阻力在氣動優(yōu)化后能夠產生負向的阻力即提供“動力”。相比較于優(yōu)化方案1，頭車和中間車轉向架呈現(xiàn)阻力增加的趨勢這是由于底部設備優(yōu)化后列車底部流場流速加快導致的。優(yōu)化方案2對于列車車體的阻力產生的影響不大。優(yōu)化方案2下，頭車、中間車和尾車底部區(qū)域部件產生阻力分別為原始方案的61.4%，70.1%和58.3%。優(yōu)化方案2在優(yōu)化方案1的基礎上改進了列車底部區(qū)域的氣動特性并且保有了優(yōu)化方案1對列車車體氣動特性改進的優(yōu)勢。

4 結論

1) 對于城市軌道列車，由于列車頭部直接受氣流沖擊并且流動分離現(xiàn)象明顯，產生較大壓差阻力。中間車受氣流直接沖擊較少，正負壓區(qū)域幅值不大，產生阻力較??；尾車頭部出現(xiàn)明顯流動分離現(xiàn)象，并且頭部迎風面受氣流直接沖擊，造成尾車是3車之中貢獻阻力最大者。

2) 氣流經過列車頭部產生流動分離后車體底部區(qū)域流速下降，由于底部部件之間存在較大間隙使得部件與部件之間出現(xiàn)較多低速渦流影響列車氣動特性。整體呈現(xiàn)出頭尾車底部區(qū)域流速較快，中間車底部區(qū)域流速較慢，因此頭車尾車更易出現(xiàn)較大壓差阻力。

3) 通過優(yōu)化列車頭部外形，使列車阻力相比較于原始情況得到改善。其中頭車阻力、中間車阻力和尾車阻力分別為原來的61.4%，70.1%和58.3%。在流線型車頭基礎上進一步優(yōu)化使得頭車、中間車和尾車底部區(qū)域部件產生阻力為優(yōu)化流線型后的78.0%，81.3%和67.9%。

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A study of aerodynamic optimization of city rail train

YU Miao1, LIU Mingyang3, GENG Yabin2, MIAO Xiujuan4

(1. Technology Research Center, CRRC Tangshan Railway Vehicle Co., Ltd., Tangshan 063000, China;2. Product Development Center, CRRC Tangshan Railway Vehicle Co., Ltd., Tangshan 063000, China;3. Key Laboratory of Traffic Safety on Track (Central South University), Ministry of Education, Changsha 410075, China;4. Hunan Province Key Laboratory of Safety Design and Reliability Technology for Engineering Vehicle, Changsha 410075, China)

In order to study the aerodynamic characteristics of city rail trains and the influence of bottom components on the aerodynamic characteristics of trains, the three-car model was simplified with high integrity of the bottom components. The Realizable?turbulence model was applied to predict the flow field around train. The numerical results show that the tail car has the maximum aerodynamic drag, accounting for 48% of the total drag of the three cars. The middle car has minimum aerodynamic drag, accounting for 14% of the total drag. The aerodynamic drag of bogies account for 15.1%, 56.4% and 23.0% of the aerodynamic drag of head, middle and tail car, respectively. The aerodynamic drag of the components at the bottom account for 10.5%, 10.3% and 8.6% of the aerodynamic drag of head, middle and tail car, respectively. Hence, the streamlined train should be selected to be the plan of anti-drag to restrain flow separation. For the way of anti-drag for middle car, the bottom components should be considered firstly. The application of sealed cavity could reduce the pressure differential drag of components. The train aerodynamic characteristics have been significantly improved after optimizing the shape of train. The aerodynamic drag of head, middle and tail car are 61.4%, 70.1%, and 58.3% of the original situation, respectively. Stabling the flow field of bottom region of train could improve the aerodynamic characteristics of bottom components based on the optimization of train.

train aerodynamics; city rail train; aerodynamic optimization; bogie

U270.11

A

1672 ? 7029(2021)01 ? 0220 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200315

2020?04?16

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2016YFB200404，2017YFB1201304)

苗秀娟(1995?)，女，河北秦皇島人，副教授，博士，從事列車空氣動力學研究；E?mail：mxj77@126.com

(編輯 涂鵬)