高速列车气动阻力分布特性研究_姚拴宝

第 ３４ 卷 第 ７ 期 ２ ０ １ ２ 年 ７ 月
铁 道 学 报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＨＥ ＣＨＩＮＡ ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＯＣ１２
文 章 编 号 ：１００１－８３６０（２０１２）０７－００１８－０６
高速列车气动阻力分布特性研究
姚 拴 宝１， 郭 迪 龙１， 杨 国 伟１， 李 明 高２
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＣＲＨ３ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｅａｄ ＋ ｓｉｘ ｃａｒｒｉａｇｅｓ＋ｔａｉｌ ｔｒａｉｎ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｒｕｎｎｉｎｇ ａｔ ３５０ｋｍ／ｈ ｉｎ ｔｈｅ ｏｐｅｎ ａｉｒ，ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｗａｓ ｍａｓｓｉｖｅｌｙ ｐａｒａｌｌｅｌ－ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｗｉｔｈ １６０ ｍｉｌｌｉｏｎ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｇｒｉｄｓ．Ｔｈｅ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｄｒａｇ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｄｒａｇ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｔｒａｉｎ ｄｒａｇ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｈｅｌｐｆｕｌ ｔｏ ｌｏｃａｌ ｄｒａｇ－ｒｅｄｕｃｅｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｔｒａｉｎ；ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｈａｐｅ；ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｄｒａｇ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
图１。 该 动 车 组 由 ４ 辆 动 车 与 ４ 辆 拖 车 组 成，从 头 车 到 尾 车 的 编 号 依 次 为 头 车 、中 间 车 １、中 间 车 ２、中 间 车 ３、中间车 ４、中 间 车 ５、中 间 车 ６、尾 车。 其 中 头 车、中 间 车 ２、５ 和 尾 车 为 动 车 ，其 余 为 拖 车 ，受 电 弓 安 装 在 中 间车１和６上。 １．２ 计 算 区 域 及 网 格 划 分
（１．中国科学院 力学研究所，北京１００１９０；２．中国北车唐山轨道客车责任有限公司 产品研发中心，河北 唐山 ０６３０００）
摘 要：针对由８辆车组成的 ＣＲＨ３ 型动车组的实际外形，生 成 约 １．６ 亿 个 计 算 网 格，采 用 大 规 模 并 行 计 算，模 拟单列高速列车在明线轨道上以３５０ｋｍ／ｈ速 度 运 行 时 的 气 流 流 场，并 对 列 车 各 组 成 部 分 的 气 动 阻 力 特 性 进 行 统 计 和 归 类 ，给 出 各 部 件 气 动 阻 力 对 列 车 总 气 动 阻 力 的 贡 献 ，为 高 速 列 车 局 部 减 阻 优 化 设 计 提 供 参 考 。 关 键 词 ：高 速 列 车 ；复 杂 外 形 ；气 动 阻 力 ；数 值 模 拟 中图分类号：Ｕ２３８ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－８３６０．２０１２．０７．００３
图 ３ 为 列 车 切 片 阻 力 系 数 分 布。将 整 列 车 每 隔 ０．５ｍ 分割为 一 段，通 过 对 每 一 段 的 阻 力 系 数 进 行 积 分 ，得 到 各 段 的 总 阻 力 系 数 ，最 后 将 各 段 总 阻 力 系 数 值 进行曲线拟合，即 可 得 到 列 车 切 片 阻 力 系 数 分 布。 从 图 ３ 可 见 ，在 头 车 、尾 车 、车 厢 连 接 处 、受 电 弓 和 空 调 整 流 罩 及 限 压 电 阻 区 域 ，整 体 流 场 分 布 不 均 匀 ，导 致 压 力 波 动 很 大 ，列 车 阻 力 增 加 。 因 此 ，在 列 车 的 减 阻 优 化 过 程 中 ，应 减 小 车 身 表 面 的 凹 凸 ，使 车 身 尽 量 光 滑 。
列 车 贴 近 地 面 运 行 ，长 径 比 远 大 于 其 他 交 通 工 具 ， 其运行速度 也 已 达 到 ３００ｋｍ／ｈ 以 上，空 气 阻 力 分 布 特性与汽 车、卡 车 或 飞 机 相 比 更 为 复 杂 。 ［１－１０］ 列 车 的
空气阻力特性关系到列车的提速和列车的节能环保能 力，是高速列车空 气 动 力 特 性 研 究 中 的 重 要 部 分。 对 于 列 车 阻 力 的 研 究 ，一 直 以 来 人 们 都 沿 用 １９２６ 年 发 表 的 Ｄａｖｉｓ公式 及 ［１］ 后来的修正 形 式。这 些 公 式 的 统 一 形式为
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高速列车气动阻力分布特性研究
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对速度 为 ３５０ｋｍ／ｈ、由 ８ 辆 车 组 成、实 车 大 小 及 外 形 的动车组模型进行数 值 模 拟，并 分 析 各 部 分 的 气 动 阻 力分布及其在列车总气动阻力中所占的比例。
１ 计 算 模 型 与 网 格 划 分
１．１ 计 算 模 型 计算模型为由８ 辆 ＣＲＨ３ 型 车 组 成 的 动 车 组，见
由于 列 车 的 头 车、中 间 车、尾 车 以 及 在 空 调 整 流 罩、受电弓、车厢连接 处、转 向 架 等 部 位 的 气 动 阻 力 不 同 ，因 此 通 过 对 列 车 各 部 分 气 动 阻 力 的 分 解 ，可 为 找 到 减 阻 途 径 提 供 帮 助 ，以 达 到 降 低 列 车 总 气 动 阻 力 、减 少 能耗、提 高 列 车 运 行 速 度 的 目 的。 目 前 国 内 外 文 献 大 ［１－３，１１－１４］ 都是针 对 由 ３ 辆 车 组 成 的 简 化 外 形 的 动 车 组 （即 不 考 虑 空 调 装 置 、受 电 弓 、车 厢 连 接 处 、转 向 架 等）进行的列车空 气 动 力 特 性 研 究。 高 速 列 车 作 为 一 种大长径比交通工具 在 地 面 高 速 运 行 时，其 长 度 及 主 要组成部件对列车的 气 动 阻 力 有 很 大 影 响，对 短 编 组 简化外形进行研究，很 难 得 到 满 足 工 程 要 求 精 度 的 阻 力分布情 况。 为 此，本 文 以 ＣＲＨ３ 型 动 车 组 为 样 板，
总阻力 的 ４０％；头 部 长 度 稍 大 于 ５ ｍ 的 流 线 型 动 车 组，当其速度为３００ｋｍ／ｈ时，空 气 阻 力 可 以 达 到 总 阻 力的８５％；头部长度 在 １０ ｍ 左 右 且 流 线 型 程 度 非 常 高的动车组，当其速度 为 ３００ｋｍ／ｈ 时，空 气 阻 力 占 总 阻力的７５％ 。 ［６］ 由此可见，高 速 列 车 气 动 阻 力 分 布 的 研究对有效进行气动减阻起着至关重要的作用。本文 将以此为出发点，着 重 探 讨 列 车 及 其 各 主 要 部 件 的 气 动 阻 力 分 布 特 性 ，为 高 速 列 车 的 减 阻 设 计 提 供 参 考 。
边界条件：由于高 速 列 车 运 行 速 度 处 于 亚 音 速 范 围 ，此 时 ，远 场 边 界 一 般 通 过 引 入 与 边 界 垂 直 的 一 维 无 黏流动的 Ｒｉｅｍａｎｎ不变量来处理［１７］，即无反射边界条 件。因此，本文计算 时，进 口、出 口 及 外 场 均 设 置 为 远 场无反射边界条件，车 体 为 无 滑 移 固 壁 边 界 条 件。 同 时 ，计 算 过 程 中 包 含 了 对 地 面 效 应 的 模 拟 ，设 地 面 为 移 动 壁 面 ，移 动 速 度 与 来 流 速 度 相 等 。 受 网 格 量 的 限 制 ， 本文未考虑路基对高 速 列 车 气 动 阻 力 的 影 响，将 地 面 模型假设为光滑水平地面。
Ｒ ＝ Ａ ＋ （Ｂ１ ＋Ｂ２）Ｖ ＋ＣＶ２ 式中：Ｒ 为列车运动总阻力；Ｖ 为列车相对于静止空气 的速度；Ａ 为滚动机 械 阻 力；Ｂ１为 其 他 机 械 阻 力，包 括 传递损耗和 制 动 阻 力；Ｂ２ 为 空 气 动 量 阻 力；公 式 的 最
后一项为列车所受的外部气动阻力，系数 Ｃ＝２ρＳ１ＣＤ ， 其中：ρ 为 空 气 密 度，Ｓ 为 列 车 的 迎 风 面 积，ＣＤ 为 阻 力 系数。
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尾流区引起的非对称 的 涡 脱 落，从 而 导 致 列 车 阻 力 系 数无法收敛到一个稳定的定常解。当迭代次数达到一 定值时，阻力系数在 一 个 较 小 范 围 内 呈 现 出 准 周 期 性 的振荡。本文所论述的阻力系数均为其在呈现准周期 性振荡时若干周期的平均值。
当 传 统 列 车 速 度 为 １２０ｋｍ／ｈ 时 ，空 气 阻 力 约 占
收 稿 日 期 ：２０１１－０４－２１；修 回 日 期 ：２０１１－０８－０５ 基 金 项 目 ：国 家 科 技 支 撑 计 划 （２００９ＢＡＧ１２Ａ００） 作 者 简 介 ：姚 拴 宝 （１９８６— ），男 ，河 南 濮 阳 人 ，硕 士 研 究 生 。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｓｂａｏ５６６＠１６３．ｃｏｍ
３ 结 果 与 分 析
３．１ 车 辆 的 气 动 阻 力 分 析 本文所选用列车运行工况为列车的稳态运行。列
车稳态运行，是指列 车 在 平 直 轨 道、明 线、非 会 车 工 况 下及静止风环境、周 围 空 旷 等 特 定 条 件 下 单 向 匀 速 行 驶 。 ［６］ 由于列车为 细 长 体，在 稳 态 行 驶 时 各 辆 车 的 流 场 有 很 大 不 同 ，所 受 阻 力 差 异 也 很 大 ，通 过 计 算 各 辆 车 气动阻力分布，可 为 列 车 局 部 减 阻 优 化 提 供 依 据。 虽 是 稳 态 运 行 ，列 车 周 围 流 场 仍 表 现 出 很 强 的 非 定 常 性 。 由 于 网 格 量 巨 大 ，计 算 时 间 受 到 限 制 ，本 文 未 考 虑 列 车 流 场 的 非 定 常 性 ，但 即 便 使 用 定 常 算 法 ，仍 可 模 拟 列 车 表 面 非 连 续 区 域 （如 转 向 架 、受 电 弓 、车 厢 连 接 处 等 ）及
Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ Ｔｒａｉｎ Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ Ｄｒａｇ
ＹＡＯ Ｓｈｕａｎ－ｂａｏ１， ＧＵＯ Ｄｉ－ｌｏｎｇ１， ＹＡＮＧ Ｇｕｏ－ｗｅｉ １， ＬＩ Ｍｉｎｇ－ｇａｏ２
（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９０，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｐｒｏｄｕｃｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｔａｎｇｓｈａｎ Ｒａｉｌｗａｙ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｔａｎｇｓｈａｎ ０６３０００，Ｃｈｉｎａ）