洪琪琛,楊明智

(1.中國航發(fā)湖南動力機械研究所,湖南 株洲 412000；2.中南大學 交通運輸工程學院,湖南 長沙 410075)

列車運行速度的提高,會導致空氣阻力及能耗劇增,在其高速交會或通過隧道時出現一系列危及行車安全、降低旅客乘坐舒適度的空氣動力學問題[1-3]。列車外形的優(yōu)化及其氣動方面的研究對列車的提速和發(fā)展具有重要的意義,基于此,國內外專家對高速列車頭部外形優(yōu)化展開了大量研究,得到了一系列關于頭部外形對列車氣動性能的影響規(guī)律[4-7]。有別于高速列車,我國既有機車車頭外形大多為鈍頭型,機車運行時車頭迎風面正對來流方向,對空氣的壓縮作用十分明顯,行車時機車周圍空氣流場難以平滑過渡,造成較大的空氣阻力。既有機車頭車整體外形為非流線型,整體優(yōu)化存在一定的限制和難度,從而對機車頭車局部結構的外形優(yōu)化成為實現減阻的重要研究方向。

機車在運行過程中,軌道上的任何雜物均有可能損傷列車,如飛濺的道砟擊碎車窗引發(fā)安全事故,故在機車頭車下方需設置排障器清理障礙物。鑒于排障器對列車運行安全的重要性,國內學者對此作了部分研究。余以正等[8]利用風洞試驗及CFD方法,發(fā)現不同形式排障器導流罩對整車的阻力性能的影響最大可以到4%左右,并在大側風環(huán)境下明顯影響尾車升力性能。胡坤鏡等[9]利用ANSYS 軟件對 200 km/h 客運機車排障器進行強度分析,得出排障器原結構的薄弱位置,提出了設計改進方案,為排障器結構設計提供參考。趙志強等[10]針對排障器的高度進行了分析論證,指出現行調整方法之不足,提出了改進措施。趙洪倫等[11]提出采用新型吸能結構和填充材料的排障器設計方案,提出一種具有良好吸能及緩沖碰撞的優(yōu)選方案。姜翠香[12]通過對引進的200 km/h動車組前頭排障器裝置結構的分析,將之與SS7型排障器進行了對比。

國內外學者的研究大多集中于排障器工程高度、吸能結構，以及材料強度等方面,而關于排障器的外形結構變化對列車運行時氣動性能影響的研究目前甚少,基于此,本文主要研究不同外形排障器對機車氣動性能的影響并具體分析其周圍流場,提出多種有效的減阻方案,為機車排障器外形結構的合理設計提供思路。

1 模型計算

1.1 數學模型及計算方法

描述列車周圍空氣流動的控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程和湍流模型方程等6個方程[13-14]。選用基于Realizablek-ε方程的湍流模型,該方法可以更加準確地計算含有旋流、逆壓梯度邊界層以及分離流的流場；采用SIMPLEC算法對機車明線運行時阻力特性進行模擬,其中擴散項使用二階中心差分格式,對流項采用二階迎風格式進行離散。模擬列車運行時最大速度為160 km/h,計算得到馬赫數為0.13,馬赫數小于0.3可認為空氣密度保持不變,按不可壓縮流動問題進行處理。因此,整個流場采用穩(wěn)態(tài)、黏性、不可壓縮的Navier-Stokes方程和k-ε兩方程湍流模型求解整個流場。

1.2 物理模型及邊界條件

由于列車中部截面保持不變,縮短的模型不改變列車流場結構的基本特征[13],采用三節(jié)車編組形式,即韶山8型電力機車+兩節(jié)25型客車(依次為車1、車2、車3),為敘述方便,將機車前方排障器定義為排障器1,后方排障器定義為排障器2。真實的機車表面有很多凸起物,其中包括門把手、車燈以及受電弓等,為了計算方便,在建立模型時去掉車身表面的凸起物,直接將列車表面簡化成光滑曲線,保留風擋以及轉向架等重要結構。三車總長為70 m,機車寬度為2.91 m,高度為4.21 m。根據排障器底端面距離軌道面的高度將各排障器分別定義為100 mm排障器、200 mm排障器和300 mm排障器,各排障器橫截面長度為2 970 mm且上端面距軌道面的垂直高度均為800 mm,具體見圖1。

圖1 不同外形排障器模型(單位：mm)

按照國外相關標準EN 14067-6對計算區(qū)域的要求:來流上游至少為8H,下游為16H,其中H為特征高度,取車身高度作為特征長度,車高為4.21 m,本次計算區(qū)域上游為23.5H,下游為33H,完全滿足標準要求。計算區(qū)域尺寸(長×寬×高)約為305 m×60 m×60 m,列車車輪底面距離地面垂直高度為0.2 m。

數值計算中,以前端吹風的方式模擬列車和環(huán)境風之間的相對運動,底部網格采用移動壁面的形式,速度與前端吹風風速保持一致。計算域尾端為壓力出口,靜壓為0,頂部為對稱面,計算區(qū)域及邊界條件見圖2。為了更好地模擬列車近壁面流動,在列車表面設置20層附面層,第一層的網格厚度為1 mm。由于流場速度變化主要集中在列車表面周圍,因此對列車附近進行了網格加密處理。車體采用結構網格,轉向架部分采用非結構網格,網格單元總數約為2 500萬,附面層網格圖見圖3。

圖2 計算域及邊界條件

圖3 附面層網格

2 數值計算方法可靠性驗證

中國鐵道科學研究院某環(huán)型實驗基地,曾對韶山8型電力機車阻力試驗的數據進行分析[16-17]。為了驗證數值模擬計算方法的準確性,針對同種試驗情況進行了計算分析,數值模擬結果和試驗結果見表1。從表1可以看出,數值模擬結果和試驗結果基本吻合,這說明本文采用的方法正確,且滿足工程需求。

表1 數值模擬與試驗結果及對比

注:各機車截面積統(tǒng)一按照參考面積11.4 m2計算。

3 氣動阻力分析

機車在明線運行狀態(tài)時,車體周圍的流場遵循物理守恒定律,在本文中可以通過質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程來體現。為方便比較,對計算得到的數值進行無量綱化,阻力系數Cd為

Cd=D/(0.5ρv2S)

(1)

式中:ρ為來流密度,取1.225 kg/m3；v為來流速度，m/s；S為車輛橫截面積,取11.4 m2;D為阻力,N。

為了使問題簡化,研究列車空氣阻力基本規(guī)律,選擇在周圍空曠無建筑物的無風環(huán)境、非交會工況等特定環(huán)境下單向穩(wěn)態(tài)行駛的列車為研究對象,研究包括非定常流動狀態(tài)在內其他導致空氣阻力增大的因素。

由表2可知,列車所受阻力絕大部分為空氣壓差阻力,四種不同車速均約占總阻力的98%,壓差阻力由各組成列車的車輛前后部壓力差引起,該阻力主要產生于車體底部結構及其他外凸物等前后。排障器氣動阻力絕大部分由壓差阻力組成,壓差阻力約占其總阻力99%,原因為地面與排障器沿車場方向的截面積很小,此處空氣的流速很大,當氣流到達排障器的前段,速度又迅速降低,形成高壓區(qū)域,當空氣流過排障器,氣流又開始加速,在排障器附近形成較大壓差,導致排障器區(qū)域壓差阻力很大。

表2 不同運行速度下,壓差阻力占總阻力比值

%

車速/(km·h-1)車1車2車3排障器1排障器210097.69 83.67 79.52 98.89 99.87 12097.77 84.00 79.28 98.90 99.89 14097.85 84.26 79.38 98.92 99.92 16097.9 84.48 79.58 98.94 99.95

表3為列車運行速度在100 km/h時,列車不同部位的阻力系數。由表3可知,各工況下車1受到的阻力均為最大,安裝排障器工況下頭車阻力系數均在0.66左右,中間車的阻力系數均在0.20～0.24,頭車的阻力系數大小約為中間車阻力系數的3.1倍。

表3 列車不同部位阻力系數

各不同高度排障器氣動阻力占頭車氣動阻力的比例見圖4。由圖4可知,頭車排障器即排障器1的氣動阻力占機車頭車氣動總阻力的比例較大,100 mm排障器1區(qū)域氣動阻力占頭車氣動阻力的31.82%；當排障器高度距地面為300 mm時,該占比為26.09%,可見排障器面積的變化對排障器阻力占頭車總阻力的比值影響比較大。圖5為機車橫截面圖,當排障器底面距地面為100、200、300 mm時,排障器前端面面積占該機車總橫截面面積的比例分別為17.63%、15.50%、13.47%；該頭車為鈍型,排障器橫截面積較大,正對來流空氣時會對其產生較大的壓縮作用,故由其產生的氣動阻力較大。

圖4 排障器1的氣動阻力占頭車氣動總阻力的比例

圖5 機車橫截面圖

由于頭車的迎風面積比較大,對來流的壓縮作用十分明顯。從圖6中可以看出,在列車穩(wěn)態(tài)運行的過程中,由于頭車部位正對來流方向,迎面靜止氣流向外排開,在鼻尖點處出現了在頭車前端氣流出現了明顯的分流情況,氣流在經過鼻錐處后被分流至車頂和車底兩個方向。鼻尖點區(qū)域因其氣流被滯止,導致氣流的速度接近于零,在此處成為整個流場中的壓力最大區(qū)。圖6(a)為無排障器工況,由于車體下部沒有排障器對氣流的阻滯作用,頭車下部縱向區(qū)域較之其他工況要大,氣流以較大的速度涌入下方,經過轉向架區(qū)域后,氣流猛烈撞擊轉向架而導致該區(qū)域出現復雜的湍流,大小不同,強度各異的旋渦在此處快速的生成和脫落,從而會導致轉向架產生很大的氣動阻力。圖6(b)、圖6(c)、圖6(d)的排障器由于正對來流方向,對氣流存在一定的阻滯作用,且隨著排障器高度的不斷增加,排障器正對來流面積的隨之增加,流向車體下方的氣流大幅度減少。

圖6 不同排障器車體縱向壓力云圖及氣流速度矢量圖

由圖7可以看出,流向下方的氣流在排障器附近速度迅速降低,最終在排障器處再次滯止為零,形成駐點,相對應地在此形成一個高壓區(qū),且出現較大的壓力梯度。從圖7(a)中可以看出在沒有排障器的情況下,氣流掠過車頭下方往轉向架區(qū)域快速流去,當氣流到達第一個轉向架前端時,速度開始降低接近于2 m/s,流過轉向架后,氣流又迅速的開始加速,氣流速度達到30 m/s左右,從而導致第一個轉向架區(qū)域形成比較大的壓差阻力。安裝排障器后,由于排障器的阻擋作用,第一個轉向架的前后兩端的氣流速度差異變小,均在3 m/s左右,由此可見排障器的存在可以較大幅度地降低第一個轉向架區(qū)域的壓差阻力,從而對減少整車氣動阻力有所貢獻。

流向車頂的氣流由于運動區(qū)域的擴大,氣流沿車體表面逐漸加速。從圖6和圖7可以看出,頭車與車身過度處存在較大的弧度,由于不是平穩(wěn)的過渡,氣流高速繞過該位置,速度達到40 m/s,在車體表面形成一個負壓區(qū),在該位置負壓達到最大值。

圖7 不同排障器車體流場速度等值面(單位：m/s)

4 排障器外形優(yōu)化

通過以上分析,可知排障器的外形變化對頭車周圍流場影響較大,從而影響其氣動阻力,故針對排障器提出六種不同結構方案,因機車實際采用的排障器底部距軌面(110±10)mm,故選取的排障器模型為100 mm排障器作為原型,見圖8。方案一至方案三為豎向開孔方案,方案四至方案六為橫向開孔方案,為驗證開孔方向對減阻效果的影響,橫向小孔和豎向小孔的面積保持一致,小孔尺寸均為200 mm×400 mm。由于列車運行工況為明線運行,為了便于分析列車流場,兩組方案開孔方向均呈左右對稱分布。

圖8 不同方案排障器示意圖

圖9 不同方案排障器壓力云圖(單位：Pa)

車體表面的最大正壓和最大負壓處均位于車體頭部,列車在向前運行時,迎面靜止的氣流會向外兩側排開,氣流壓縮,在列車頭部附近形成正壓區(qū),見圖9。從圖9中可以看出,機車區(qū)域1正對空氣來流方向,此區(qū)域壓力最大,在600 Pa左右,此處空氣運動速度最低,形成駐點。機車區(qū)域2與來流空氣方向存在一定傾斜角,此處空氣壓縮作用較區(qū)域1減弱,氣流在此處速度降低,形成車頭位置的次高壓區(qū)域。氣流經過司機室前窗時加速,在車頂曲率的最大處即非流線型部位與流線型部位過渡區(qū)域,此時氣流達到最大值,產生一個較弱的低壓區(qū)域。由于排障器區(qū)域進行了開孔處理,排障器迎風面積減少,此處氣流可以繞過小孔繼續(xù)向前發(fā)展,不再被機車前端滯止。

圖10為不同排障器流場的流線圖,從圖中可以看出各不同方案排障器流場流線均呈左右對稱分布,流場結構較平穩(wěn),未形成明顯的漩渦。豎向開孔方案中由于孔口垂直方向距離較大,氣流在此處出現了明顯的分流情況,流向下方的氣流比流向上方的氣流要多；在豎向三孔方案中,由于在中軸線處存在孔口,上部氣流掠向下方時受到一定阻礙作用,從而減阻作用稍降低。橫向開孔方案中流場結構總體較豎向開孔方案更為簡單,從圖中可以看出,流線從中軸線往左右兩邊發(fā)展,形成的氣流流場較為平順,故減阻作用較佳。

圖10 不同方案排障器流線圖

各不同開孔方案的全車阻力大小見表4。由表4可以看出,各方案頭車的氣動阻力均有效減小,其中方案一減阻作用最差,為116 N；方案六減阻作用最為明顯,達到383 N；方案一和方案二的排障器分別減阻40、66 N,占原型方案排障器阻力的比例為2.13%和3.52%；開四個孔的排障器方案減阻作用明顯,方案三和方案六的排障器分別減阻188 、201 N,占原型方案排障器阻力的比例為10.03%和10.73%。

表4 不同方案阻力比較 N

圖11為各方案排障器相對于原型排障器的減阻比例,由該圖可以看出,六種優(yōu)化后的排障器阻力均有不同程度的減小,其中開兩個孔和開三個孔減阻作用差別較小,開四個孔時減阻作用明顯,減小的氣動阻力為前者的兩倍左右,但由于開孔數量增多,對排障器材料及承壓性能等要求提高,故在實際應用中可以折中地選取開兩個孔以達到減阻目的。另外,橫向開孔的方案四、五、六的減阻作用比豎向開孔的方案一、二、三的減阻作用要高,這是由于豎向開孔時更容易引起氣流經過排障器時出現繞流的情況從而導致氣動阻力稍大。

圖11 不同方案排障器的減阻比例

5 結論

(1)列車在明線環(huán)境下運行時,頭車受到的氣動阻力最大,頭車前端排障器的氣動阻力較大。當安裝100、200、300 mm排障器后,機車運行時排障器受到的氣動阻力占頭車總阻力的比例分別為31.82%、28.51%、26.09%。這說明排障器底部離軌面距離越小,排障器正對來流面積越大,故機車受到的氣動阻力越大。

(2)當列車前端無排障器時,列車在實際運行時,氣流會以較大的速度涌入下方,猛烈撞擊轉向架,出現較為復雜的湍流；加裝排障器后,排障器正對來流方向,對氣流存在一定阻滯作用,可以大大降低第一個轉向架區(qū)域的壓差阻力。

(3)六種不同開孔處理方案均能實現減少在列車運行時排障器受到的氣動阻力,且開兩個孔與開三個孔時減阻作用差別較小；開孔面積一致時,橫向開孔方案比豎向開孔方案排障器受到的氣動阻力要??；基于此,建議實際應用選擇優(yōu)化方案五,即橫向開孔且數量為兩個,此時排障器既能達到減阻目的,又能保證排障器一定的承壓強度。