1. 引言

鐵路高速化是目前世界的總趨勢，列車的提速不但給人們帶來了方便，而且取得了重大的經(jīng)濟收益。但是隨著列車速度的不斷提高，列車空氣動力學(xué)特性對列車、人員及配套設(shè)施的影響越來越顯著。氣動噪聲會隨著速度的提升變得更加顯著；機車車輛在高速運行時對強度和密封性也提出更高的要求；鐵路周邊建筑和設(shè)施的抗風(fēng)標準要提高，路邊作業(yè)人員和站臺上旅客距列車的安全距離要加大，機車的動力性能要增強，這些問題都與列車高速運行時的空氣動力學(xué)現(xiàn)象有關(guān)。因此研究列車高速運行時氣動性能具有十分重要的意義。

 

國內(nèi)外研究學(xué)者通過線路試驗，水洞和風(fēng)洞模擬試驗，理論分析和各種數(shù)值計算對高速列車的外部流場特征及其他氣動性能有了一些初步的了解。但線路試驗，風(fēng)洞、水洞試驗成本較高且操作繁瑣、復(fù)雜，因此數(shù)值模擬以其簡單方便經(jīng)濟性好的優(yōu)點成為目前空氣動力學(xué)研究的主要途徑，并且隨著計算機性能的提升，數(shù)值模擬的應(yīng)用更加廣泛。眾多學(xué)者也為提高數(shù)值模擬的精度、速度做了大量工作，給出了在進行數(shù)值模擬計算時如何選擇準確的湍流模型、計算方法；對比了RANS 模型與 Detached Eddy Simulation（DES）模型的計算精度，并給出了計算的合理化建議等。但以上研究都需要經(jīng)過網(wǎng)格劃分，并且網(wǎng)格質(zhì)量對計算精度的影響較大，本文采用新型的無網(wǎng)格數(shù)值模擬方法對高速列車進行數(shù)值模擬，并對列車表面壓力、周圍流場進行分析，對以后空氣動力學(xué)數(shù)值模擬計算具有借鑒意義。

 

2. 計算模型

2.1 幾何模型

本文列車計算模型采用三車模型，即頭車、一節(jié)中間車和尾車，為簡化計算，忽略受電弓、門把手、車燈等車體表面凸出物，保留轉(zhuǎn)向架、風(fēng)擋等結(jié)構(gòu)。列車計算模型如圖 1所示，其中，列車長度 L=78.08m，列車特征高度 H=3.728m。

 

 

圖 1 列車幾何模型

 

2.2 計算域及邊界條件

理論上列車周圍流場的計算區(qū)域應(yīng)無限大，但實際數(shù)值模擬中只能采用有限的空間，因此為充分考慮列車周圍的繞流情況，計算區(qū)域的尺寸取值應(yīng)當足夠大，即車體距離計算區(qū)域的邊界要足夠遠，尤其是列車尾部，計算區(qū)域的邊界不能影響尾渦的發(fā)展，但過大的計算區(qū)域又會降低計算效率。根據(jù)歐洲標準 EN 14067-6（2010，EN14067-6）和國內(nèi)標準TB/T 3503.4（2018，TB/T 3503.4）的規(guī)定：計算區(qū)域高度方向至少應(yīng)為 8 倍特征高度，長度方向上游至少應(yīng)為 8 倍特征高度，下游方向至少應(yīng)為 16 倍特征高度。為綜合考慮計算速度與計算精度的均衡，選取的計算區(qū)域如圖 2 所示，長度方向上游為 12H，長度方向下游為 24H，高度為 12H，寬度為 24H。

 

 

圖 2 計算區(qū)域

 

采用 XFLOW 軟件中的 Internal 模擬方法，計算區(qū)域入口“Inlet”邊界條件設(shè)置為速度入口，速度大小為 83.3333m/s，計算區(qū)域出口“Outlet”設(shè)置為速度出口，大小、方向與入口相同，列車壁面及計算區(qū)域的其他壁面設(shè)置為 Wall，壁面模型為自動。每秒計算 160 個時間步，總計算時間為 2s。

 

3. 數(shù)值模擬計算結(jié)果

對高速列車氣動性能的分析，主要從列車的表面壓力分布、近壁面速度分布以及周圍的流場特征進行，列車周圍流場采用壓力、速度與渦量三個物理量表征。

 

3.1 列車周圍壓力速度分布

圖 3 給出了列車繞流數(shù)值模擬過程中不同時刻列車周圍速度分布，由圖中可以看出，不同時刻頭車及中間車附近速度分布變化較小，但列車尾部速度分布在 t=1s 之前差異較大，在 t=1.25s 以后流場基本穩(wěn)定。圖 4 給出了頭車附近壓力分布情況，與圖 3 速度分布規(guī)律一致的是，在 t=1s 之前，頭車鼻尖位置的高壓區(qū)存在波動，在 t=1.25s 以后高壓區(qū)基本穩(wěn)定，因此數(shù)值模擬計算結(jié)果在 t=1s 與 t=1.25s 之間基本實現(xiàn)收斂。

 

 

圖 3 不同時刻列車周圍速度分布

 

由圖 3 速度分布可看出，在頭車鼻尖附近，越靠近鼻尖位置，空氣流速越低，直至鼻尖位置形成滯止區(qū)，因此在圖 4 壓力分布圖中鼻尖位置出現(xiàn)高壓區(qū)。在鼻尖位置空氣流速基本為零，動能幾乎全部轉(zhuǎn)化為壓力能，即流體的動壓轉(zhuǎn)化為靜壓，因此鼻尖位置的壓力最大。在高速列車在頭車前端與排障器下的車底空間出現(xiàn)不連續(xù)速度分布區(qū)域，這是由排障器尖點擾動及車體地面擠壓效應(yīng)綜合作用而形成。

 

 

圖 4 不同時刻頭車周圍壓力分布

 

3.2 列車表面壓力及近壁面速度分布

由前面的研究結(jié)論可知，數(shù)值模擬在 t=1.25s 后已經(jīng)收斂，因此取 t=1.5s 時的列車表面壓力、速度分布云圖，如圖 5 所示。由近壁面速度分布可看出，在頭車鼻尖位置的速度最低，向后延伸速度逐漸增大，到達車窗附近，遭遇車窗的突起速度有所減小，由車窗向后速度繼續(xù)增大，在車窗的中后部速度達到最大，而后速度逐漸減小。

 

 

圖 5 t=1.25s 列車表面壓力、近壁面速度分布

 

在圖5(b)壓力分布圖中與速度分布規(guī)律相對應(yīng)，頭車鼻尖位置出現(xiàn)高壓區(qū)，排障器區(qū)域次之，在車窗突起位置也出現(xiàn)較低的高壓區(qū)。數(shù)值模擬得到的列車鼻尖位置的最高壓力為5050.86Pa，利用公式C,=P/0.5pu(其中p=1.225kg/m'，u=83.3333m/s)計算可得鼻尖駐點壓力系數(shù)為1.18，與理論值1比較接近。

 

3.3 渦量分布

圖 6 給出了 t=1.25s 列車中截面渦量分布及列車周圍渦量分布情況。

 

 

（a）列車中截面渦量分布

 

 

（b）列車周圍渦量分布

圖 5 t=1.25s 渦量分布

 

由圖（a）列車中截面渦量分布可看出，列車的轉(zhuǎn)向架區(qū)域、車底區(qū)域與尾流區(qū)為強渦量區(qū)域。由圖（b）列車周圍渦量分布可看出車體底部的渦流從排障器附近開始發(fā)展；頂部區(qū)域的渦流從頭車車窗后列車頂部開始發(fā)展，至中間車中部靠后位置發(fā)展成為較大的帶狀渦。尾車周圍及尾流區(qū)的強渦量區(qū)外形也均以帶狀渦占主導(dǎo)，并且各強渦量中間夾雜著散布的弱渦量區(qū)。車體左右兩側(cè)的渦量及尾流區(qū)域的脫落渦基本呈對稱分布。

 

4. 結(jié)論

利用 XFlow 對高速列車進行數(shù)值模擬計算，對列車表面壓力及周圍流場分析，主要得到以下結(jié)論：

（1）數(shù)值模擬計算在 t=1s 與 t=1.25s 約 180 個實現(xiàn)收斂，收斂后的鼻尖駐點壓力系數(shù)為 1.18。

（2）頭車鼻尖位置的速度最低，向后延伸速度逐漸增大，車窗突起位置速度有所減小，車窗的中后部速度最大。與之對應(yīng)，頭車鼻尖位置壓力最大，排障器區(qū)域次之，車窗突起位置有較小高壓區(qū)。

（3）列車的轉(zhuǎn)向架區(qū)域、車底區(qū)域與尾流區(qū)為強渦量區(qū)域，列車周圍的渦主要為帶狀渦，且車體左右兩側(cè)的渦量及尾流區(qū)域的脫落渦基本呈對稱分布。

 

資料來源：達索官方