魏雅潔，張群，劉新橋

(英特工程仿真技術(shù)(大連)有限公司，遼寧 大連 116023)

0 引 言

隨著列車運(yùn)行速度的提高，列車與空氣的相互作用變得十分強(qiáng)烈。在實(shí)際車輛開(kāi)發(fā)過(guò)程中，如何有效地利用空氣動(dòng)力學(xué)特性變得越來(lái)越重要。在強(qiáng)側(cè)風(fēng)的作用下，列車空氣動(dòng)力性能惡化，列車空氣阻力、升力、橫向力迅速增加，影響列車的橫向穩(wěn)定性。若車體受到正向升力，則會(huì)使動(dòng)力車輪與鋼軌之間的黏著力減小，降低列車牽引力，但過(guò)大的正向升力還有可能導(dǎo)致列車爬軌和跳軌，加上側(cè)風(fēng)產(chǎn)生的側(cè)向力，很容易導(dǎo)致列車傾覆。當(dāng)車體受到負(fù)向升力時(shí)，列車動(dòng)態(tài)軸重增加，輪軌之間的接觸力增大，加劇列車對(duì)鋼軌的動(dòng)力沖擊，加速車輪踏面和鋼軌的磨損。為使列車安全通過(guò)風(fēng)區(qū)，應(yīng)開(kāi)展不同側(cè)風(fēng)環(huán)境下的列車空氣動(dòng)力特性研究。成楠等利用大渦模擬湍流模型計(jì)算側(cè)風(fēng)影響下的高速列車環(huán)流，發(fā)現(xiàn)列車在定常側(cè)風(fēng)下所受的空氣動(dòng)力學(xué)特性存在非定常性。謝紅太基于三維定常不可壓黏性流場(chǎng)，分析強(qiáng)側(cè)風(fēng)對(duì)高速列車頭車氣動(dòng)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨風(fēng)向角的增大，空氣阻力系數(shù)先增大后減小。

本文應(yīng)用流體分析軟件FLUENT對(duì)3車編組的CRH3動(dòng)車組在側(cè)風(fēng)下運(yùn)行的空氣流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究側(cè)風(fēng)下風(fēng)向角的變化對(duì)車體周圍空氣流場(chǎng)的影響，為動(dòng)車組側(cè)風(fēng)環(huán)境下安全運(yùn)行指標(biāo)的確定提供技術(shù)支持。

1 研究方法

受計(jì)算能力的限制，采用簡(jiǎn)化后的CRH3列車模型進(jìn)行分析。對(duì)CRH3列車模型的簡(jiǎn)化包括以下幾個(gè)方面：(1)為縮短列車長(zhǎng)度，列車模型取3車連掛的頭車+中車+尾車模式；(2)簡(jiǎn)化列車表面，去除諸如門(mén)把手、受電弓、車燈等突出物；(3)簡(jiǎn)化車體轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)。3車編組的CRH3動(dòng)車組計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

圖1 CRH3動(dòng)車組整車模型

計(jì)算區(qū)域的選擇以不影響車體附近流體的流動(dòng)為原則，為使計(jì)算結(jié)果盡可能接近真實(shí)狀況，車前和車后區(qū)域均取足夠長(zhǎng)，并將車體周圍區(qū)域劃分為3層。整個(gè)計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)368 m、寬280 m、高90 m，車頭到速度入口的距離為100 m，尾車到壓力出口的距離為192 m。主要考慮側(cè)風(fēng)的影響，因此擴(kuò)大流域兩側(cè)寬度，列車側(cè)面到流場(chǎng)側(cè)面邊緣的距離為138 m，列車距地面0.3 m，車輛運(yùn)行的流體計(jì)算域見(jiàn)圖2。

圖2 車輛運(yùn)行的流體計(jì)算域，m

采用HyperMesh 19.0進(jìn)行幾何清理、流體域生成和網(wǎng)格劃分。流體域和車體剖面的網(wǎng)格劃分結(jié)果見(jiàn)圖3，網(wǎng)格總數(shù)約為1 400萬(wàn)個(gè)。有側(cè)風(fēng)運(yùn)行時(shí)，列車表面采用三角形網(wǎng)格劃分，四周的矩形區(qū)域均采用幾何適應(yīng)性強(qiáng)的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。將車體周圍劃分成3層區(qū)域：外層區(qū)域?yàn)榱饔?，中間區(qū)域?yàn)榱饔?，包裹車身與轉(zhuǎn)向架的區(qū)域?yàn)榱饔?，并對(duì)流域3和2分別進(jìn)行不同程度的局部加密處理。列車頭部為流線型設(shè)計(jì)，在流場(chǎng)中直接受到氣流的影響，故將列車頭部鼻尖處網(wǎng)格局部加密，網(wǎng)格最小尺寸為10 mm，以保證數(shù)據(jù)模擬的準(zhǔn)確性。

圖3 計(jì)算流體域和車體剖面的網(wǎng)格劃分

計(jì)算流體域邊界條件示意見(jiàn)圖4，邊界條件定義見(jiàn)表1。入口設(shè)置為速度入口，出口設(shè)置為壓力出口，出口壓力設(shè)為0。

表 1 邊界條件定義

圖4 計(jì)算流體域邊界條件示意

使用FLUENT 16.0對(duì)列車外的流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析計(jì)算，分析類型為可壓縮流體的穩(wěn)態(tài)分析，求解器為基于壓力法。湍流模型選擇RNG-兩方程模型，壁面方程為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，流體介質(zhì)為氣體。求解格式為SIMPLE，空間離散梯度選擇Least Squares Cell Based，收斂殘差設(shè)置為10。

2 結(jié)果分析

列車模型以風(fēng)洞試驗(yàn)的方式給定邊界條件，入口風(fēng)速采用合成風(fēng)。在不同風(fēng)向角下，相同車速和風(fēng)速的合成速度不相同，即車輛受到的氣動(dòng)力不僅與列車運(yùn)行速度和環(huán)境風(fēng)速度有關(guān)，還與環(huán)境風(fēng)的風(fēng)向角有關(guān)。列車側(cè)風(fēng)風(fēng)向角定義示意見(jiàn)圖5。假設(shè)列車運(yùn)行速度為，運(yùn)行方向?yàn)閺挠蚁蜃?即負(fù)方向)。根據(jù)列車與周圍空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，假定列車相對(duì)地面為靜止，車輛前方的空氣以速度從左向右流動(dòng)。設(shè)定列車前進(jìn)方向右側(cè)風(fēng)的風(fēng)向角為負(fù)、左側(cè)風(fēng)的風(fēng)向角為正。設(shè)定車速為60 m/s，對(duì)側(cè)風(fēng)風(fēng)向角為0°、±3°、±6°、±9°、±12°、±15°、±18°、±21°和±24°等17個(gè)工況進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖5 列車側(cè)風(fēng)風(fēng)向角定義示意

2.1 車體表面壓力分布

風(fēng)向角分別為±9°、±18°和±24°時(shí)的列車表面壓力分布云圖分別見(jiàn)圖6～11，車體關(guān)注部位的表面壓力見(jiàn)表2。無(wú)側(cè)風(fēng)時(shí)鼻尖前緣點(diǎn)壓力為2 199 Pa，風(fēng)向角為24°時(shí)鼻尖前緣處壓力值為1 097 Pa，最大壓力值為2 205 Pa；隨著風(fēng)向角的增大，列車頭部的壓力駐點(diǎn)不位于列車前緣鼻端，而位于車頭鼻尖迎風(fēng)側(cè)處，且最大壓力隨風(fēng)向角的減小逐漸減小。

圖6 風(fēng)向角為9°時(shí)列車表面壓力分布,Pa

圖7 風(fēng)向角為-9°時(shí)列車表面壓力分布,Pa

圖8 風(fēng)向角為18°時(shí)列車表面壓力分布,Pa

圖9 風(fēng)向角為-18°時(shí)列車表面壓力分布,Pa

圖10 風(fēng)向角為24°時(shí)列車表面壓力分布,Pa

圖11 風(fēng)向角為-24°時(shí)列車表面壓力分布,Pa

表 2 車體關(guān)注部位的表面壓力

此外，列車頂面基本為負(fù)壓，而且隨著風(fēng)向角的增大，從列車側(cè)面到頂面的過(guò)渡圓弧面上正壓迅速減小，并在車頭向車身過(guò)渡處產(chǎn)生負(fù)壓，列車尾部也呈現(xiàn)較大的負(fù)壓。

在側(cè)風(fēng)作用下，列車底部壓力分布不同于車身側(cè)面和頂面，但基本為負(fù)壓。列車車身迎風(fēng)面的表面壓力值隨風(fēng)向角的增大而增大，背風(fēng)面的表面壓力值隨風(fēng)向角的增大而減小，且由于出現(xiàn)一系列渦流分離區(qū)，故背風(fēng)面的表面壓力值基本為負(fù)壓。

2.2 車體各部位的速度矢量分布

風(fēng)向角分別為9°和24°時(shí)，在距地面1.8 m的水平橫斷面上，列車頭部和尾部的速度矢量分布見(jiàn)圖12～17，圖中流線的顏色代表速度矢量的大小，列車表面為壓力云圖。

圖12 風(fēng)向角9°時(shí)列車頭部周圍速度分布

圖13 風(fēng)向角24°時(shí)列車頭部周圍速度分布

圖14 風(fēng)向角9°時(shí)列車尾部周圍速度分布

隨著風(fēng)向角的增大，列車表面壓力和速度分布的不對(duì)稱現(xiàn)象更加明顯。當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)鼻端沿車體流動(dòng)時(shí)，由于頭部流線造型較好，車體表面的氣流速度明顯提升，車身表面的壓力逐漸下降，最大處為迎風(fēng)側(cè)速度來(lái)流處。當(dāng)列車在側(cè)風(fēng)環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，隨著風(fēng)向角的增大，尾部速度分布的不對(duì)稱性增加。

圖15 風(fēng)向角24°時(shí)列車尾部周圍速度分布

圖16 風(fēng)向角9°時(shí)列車尾部橫剖面外輪廓周圍速度分布,m/s

圖17 風(fēng)向角24°時(shí)列車尾部橫剖面外輪廓周圍速度分布,m/s

在列車背風(fēng)側(cè)，空氣因氣流分離而產(chǎn)生旋渦，故迎風(fēng)側(cè)空氣速度明顯大于背風(fēng)側(cè)速度。隨著側(cè)風(fēng)風(fēng)向角的增大，迎風(fēng)側(cè)速度增加，而背風(fēng)側(cè)渦流集中在車體表面，故速度急劇減小。風(fēng)向角為9°時(shí)，列車周圍流場(chǎng)最大速度為85.86 m/s，風(fēng)向角為24°時(shí)列車周圍流場(chǎng)最大速度為114.11 m/s。轉(zhuǎn)向架與車體之間存在著較大的空間，車體兩側(cè)來(lái)流以及車底氣流流經(jīng)轉(zhuǎn)向架區(qū)域時(shí)，空間忽然開(kāi)闊，氣流方向發(fā)生變化，部分氣流灌入轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)。由于轉(zhuǎn)向架區(qū)域周圍相對(duì)封閉，氣體灌入后沖擊在轉(zhuǎn)向架及轉(zhuǎn)向架周圍的車體端墻上無(wú)法及時(shí)導(dǎo)出，因此在轉(zhuǎn)向架周圍形成繞流，氣流速度較小。

2.3 側(cè)風(fēng)下列車的氣動(dòng)力分析

當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)，車輛表面壓力和切應(yīng)力沿垂直向上方向形成合力，稱為車輛空氣升力，即沿垂直方向的車輛表面空氣黏性升力與壓差升力之和。當(dāng)車輛兩側(cè)外部流場(chǎng)不對(duì)稱時(shí)，車輛兩側(cè)表面壓力分布出現(xiàn)較大差異，形成車輛空氣壓差側(cè)向力。同時(shí)，由于車輛表面存在黏性切應(yīng)力，從而形成車輛空氣黏性側(cè)向力。車輛表面壓力與切應(yīng)力沿橫向形成的合力，稱為車輛空氣側(cè)向力，即橫向的車輛表面空氣壓差側(cè)向力與黏性側(cè)向力之和。

在側(cè)風(fēng)作用下，CRH3動(dòng)車組車輛空氣升力系數(shù)隨風(fēng)向角的變化見(jiàn)圖18。列車在側(cè)風(fēng)下運(yùn)行時(shí)，隨著風(fēng)向角的增大，整車空氣升力也相應(yīng)增大；在無(wú)側(cè)風(fēng)環(huán)境下，升力系數(shù)最小為-0.000 25，列車幾乎不受升力的影響；升力系數(shù)以=0°為軸對(duì)稱分布，風(fēng)向角從0增加到24°時(shí)，升力系數(shù)從-0.000 25增加到0.261 87，風(fēng)向角從-24°減小到0時(shí)，升力系數(shù)從0.255 58減小到-0.000 25。

圖18 車輛空氣升力系數(shù)隨風(fēng)向角變化曲線

在側(cè)風(fēng)作用下，CRH3動(dòng)車組車輛空氣側(cè)向力系數(shù)隨風(fēng)向角的變化見(jiàn)圖19。隨著風(fēng)向角的增大，整車的空氣側(cè)向力系數(shù)逐漸增大，在正風(fēng)向角方向側(cè)向力系數(shù)隨風(fēng)向角增大而增大，在負(fù)風(fēng)向角方向側(cè)向力系數(shù)隨風(fēng)向角絕對(duì)值增大而增大；最大側(cè)向力系數(shù)出現(xiàn)在風(fēng)向角為-24°時(shí)，其值為0.123 51，無(wú)側(cè)風(fēng)環(huán)境下側(cè)向力系數(shù)絕對(duì)值最小，其值為0.000 21。

圖19 車輛空氣側(cè)向力系數(shù)隨風(fēng)向角變化曲線

3 結(jié) 論

對(duì)CRH3動(dòng)車組3車編組模型在側(cè)風(fēng)工況下運(yùn)行時(shí)的外部空氣流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)果顯示：在側(cè)風(fēng)環(huán)境下，列車頭部的鼻尖不再為駐點(diǎn)，但仍為較大的正壓，列車頭部的壓力駐點(diǎn)出現(xiàn)在正對(duì)迎風(fēng)方向的位置；由車體表面壓力分布可知，側(cè)面的迎風(fēng)面近乎于自由滯止流，此處形成正壓，而背風(fēng)面出現(xiàn)一系列渦流分離區(qū)，形成負(fù)壓，迎風(fēng)面和背風(fēng)面的壓力疊加使車體側(cè)面受到非常大的壓差；由車體各部位的速度矢量分布可見(jiàn)，在列車背風(fēng)面一側(cè)，空氣流動(dòng)產(chǎn)生旋渦，迎風(fēng)側(cè)空氣速度明顯大于背風(fēng)側(cè)速度；對(duì)比不同風(fēng)向角的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，列車表面最大壓力值和車體周圍的速度隨風(fēng)向角的增大而增大。