强风中高速列车空气动力学性能

６８交通运输工程学报２００９举

称结构，所以头车纛尾

车形状相同。图１为

本文建立的计算模型，

表ｌ为计算模型尺寸。

１．３计算工况图１计算模型

对于横风作用下Ｆｉｇ．１Ｃｏｍｐｕｔａ￡ｉｏｎｆｎｏｄｅｌ

列率外部流场的分析，疆前国内外比较通用的是合

成风（％。）法［２ａ］，即将列车视为静止，将外界自然风

速发（ｋ制）朔刭车运行遮度的反向速度（一坟幽）进

行矢量合成。各分量之闻的关系觅图２。图２中宣

然风和列车纵向的夹角定义为风向角垂，合成风与

列车纵向的爽角定义势德髋角（ＹａｗＡｎｇｌｅ）熬

衰ｌ模型尺寸

Ｔａｂ．１ＭｏｄｅＩｓｉｚ髑

部位长／ｍ宽／ｍ离／ｍ

头车、尾车２５．７３．３８３．７０

中间车２５．Ｏ３．３８３．７０

墨２风向不惹

Ｆｉｇ．２Ｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｗｉｎｄ８

本文计算了５种工况，车速为２００ｋｍ・ｈ一，自

然风速秀２凄．４ｌ【ｍ・ｈ～，风向惫釜秀０。、２２．５。、

６７．５。、４５．Ｏ。和９０．ｏ。，对应偏航角口为Ｏ。、６．８。、

１３．３。、１９．２。和２３．７０。

ｌ。霹计算区域与计算网格

计算区域见图３。

由乎ＣＲＨ一２动车组车

头郝分馥面比较复杂，

因此，采用非结构网

格，见图４。计算过程中采用网格自适应技术，对网格密度不断调整，保证了计算精度。

２计算结果分析

列车的外漉场结构和气动力会随合成风偏航角的不同而改变。在合成鼹ｌ与襄车纵向存在一定的夹角的情况下，列车外流场豹结稳会变褥不对穆，

（ａ）俯视图

喜［二＝五］

（ｂ）正视图。

弱３诗算区域

Ｆｉｇ．３（：ｏｍｐｕｔ８ｔｉｏｎ黼ｎｅ

图４计算网格

Ｆｉｇ．４Ｃｏｍｐｕｌａｔｉｏｎｍ髂ｈｅ３

气动力也会发生变化。

２．１流场结构分析

列车的外流场结构是极其复杂的，研究外流场

结梅对了解歹Ｉｌ车外部空气流动状况，设计巅车外形

和研究列车空气动力学有很大意义。本文分别对列

车的迎风西区域、背风面区域、顶部区域、底部区域

和尾部区域进行了观察，发现不同区域流场结构麓

别很大，而且受到偏航

角的影响也不同。列

车迎风筒区域、底部区

域和顶部区域的流场

结构比较筒单，流体变

化不剧烈，觅图５。但

图５列车三维流场

是，在列车的背风面区

Ｆｉｇ．５３Ｄｎ。。ｆｉｅｌｄ。ｆｔ。ｉ。

域、尾部区域的结构就

变得复杂得多。

２．１．１背风面流场

列车背风面的流场结构会随镳靛角的变化露变

化，本文计算了５个工况，偏航角的范围为ｏ。～

２３．７。，列车背风面的流场结构基本相同。

垂Ｓ展示了岔为２３．？。的情况下，从列车尾部穰

列车上方观察到的列车整体流场结构。从图５可以

清楚地观察到列车的背风面产生了４个涡（Ａ、Ｂ、Ｃ、

Ｄ），逗部骞１个浜（嚣）。事实上尾部会产生２个漏，

但由于另一个涡很小，无法在图５中显示，后面将详

细对尾涡进行分析。

为了弄清每个涡产生的其俸位萋泼及与列奄

表面脱离的情况，本文分别从不同的横截面观察、

分析其二维流线，见图６，其中矗为横截面到车头

的距离。

分析发现：涡Ａ在列车横截面右下方４．Ｏｍ处

产生，４．Ｏ～８．ｏｍ褥到发展，其中６。ｏｍ处最为明

显，ｌｏ．０ｍ处基本消失；瀛转在列车横截匠右上方

１０．Ｏｍ处产生，１２．Ｏｍ处已经非常明显，１２．０～

４０。４ｍ得到充分发展，４３．４ｍ处已经完全与列举

表面脱懑，此后，这个禚越来越远离剜牵表面；涡Ｃ

在列车横截面右下方１７．Ｏｍ处产生，１７．Ｏ～

６２．４ｍ褥到充分发晨，６４．４ｍ处基本与列车表面脱

离，在６８。４ｍ开始逐渐减弱，最后消失；涡Ｄ在列

车横截画右上方４３．４ｍ处产生，４３．４～６８．４ｍ得

到充分发震，７６，２ｍ处完全与捌车表霹脱离，此震，

这个涡越来越远离列车表面。可以推断增加列车模

型的长度，会观察到更多的涡有规律地产生且与列

车表瑟脱离的过程。

第２期李雪冰，等：强风中高速列车空气动力学性能６９

图６背风面横截面二维流线

Ｆｉｇ．６２Ｄ８ｔｒｅａｍｌｉｎｅｓｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｓｏｆｌｅｅｗａｒｄ２．１．２尾部流场

与列车背风面的流场结构相比，列车的尾涡结构比较简单。偏航角也会影响尾涡的形成和发展，

观察不同偏航角时不同横截面的二维流线，可以发现胗ｏ。时两尾涡的变化规律基本相同。图７从左到右所示的依次是舟为０。、６．８。和１９．２。的尾部不同横截面二维流线图，可以看出不同偏航角尾涡随Ｄ的变化情况。从图７中可以看出，随着横截面到车头距离的增大，左边的涡缓慢地向右移动，右边的涡向右移动较快而且很快消失。口＝０。时２个涡随着Ｄ的增加不断发展变大，中心位置距离逐渐变大，且不断上移。

在Ｋｈｉｅｒ的研究中［１叫，列车的背风侧出现了３个涡，而且３个涡形式和本文背风的前３个涡的形式是一样的，但是由于他的计算模型比较短，所以没有观察到背风侧区靠近列车顶部的涡不断产生和与列车脱离，以及靠近列车底面的涡不断产生和消失的规律性现象。此外，他也没有对列车的尾部区域的涡进行详细研究。

图７尾邵横截面二维漉线

Ｆｉｇ．７２Ｄｓｔｒ隐ＩＩｌｌｉｎｅｓｆｏｒｄｉｆｆｅｆｅｎｔｃｒｏｓｓ

ｓｅｃｔｉｏ∞ｏｆｔａｉｌ２．２压力分布

列车表面的压力是气动力的重要组成部分，压力的分布情况直接影响列车各个部分气动力的大小。图８是５种工况下列车表面的压力（单位为Ｐａ）分布情况（每组图中从上到下依次为列车的迎风面、背风面、顶面、底面，列车向右运行）。

（１）ｐ为０。时，只有车头的顶点处很小一部分正压较大，车尾顶点处一小部分负压绝对值较大，其余部分离车头和车尾越远，压力越小且均为负值；顶面和底面绝大部分区域处于负压状态，车头部分顶面负压绝对值比底面负压的绝对值小，中间两者基本相同，车尾部分的压力分布情况与车头部分相反。由于来流跟列车纵向一致，因此，列车压力云图关于列车的纵向中心面对称。

（２）ｏ。＜口＜２３．７。时，列车的迎风侧出现正压区，而且随着偏航角的增大，这部分区域逐渐向车尾扩大；列车的背风面压力始终处于负压状态，尾部背风面的负压绝对值要小于迎风面的负压绝对值，这一部分区域随偏航角增加而减小ｌ列车顶面和底面仍然处于负压状态，但顶面的负压绝对值明显大于底面负压的绝对值，而且偏航角越大这种现象越明显。图９从左向右列出了ｐ为ｏ。、１３．３。和２３．７。情

况下不同横截面的压力（单位为Ｐａ）云图，可以从局