1. 引言

铁路高速化是目前世界的总趋势，列车的提速不但给人们带来了方便，而且取得了重大的经济收益。但是随着列车速度的不断提高，列车空气动力学特性对列车、人员及配套设施的影响越来越显著。气动噪声会随着速度的提升变得更加显著；机车车辆在高速运行时对强度和密封性也提出更高的要求；铁路周边建筑和设施的抗风标准要提高，路边作业人员和站台上旅客距列车的安全距离要加大，机车的动力性能要增强，这些问题都与列车高速运行时的空气动力学现象有关。因此研究列车高速运行时气动性能具有十分重要的意义。

 

国内外研究学者通过线路试验，水洞和风洞模拟试验，理论分析和各种数值计算对高速列车的外部流场特征及其他气动性能有了一些初步的了解。但线路试验，风洞、水洞试验成本较高且操作繁琐、复杂，因此数值模拟以其简单方便经济性好的优点成为目前空气动力学研究的主要途径，并且随着计算机性能的提升，数值模拟的应用更加广泛。众多学者也为提高数值模拟的精度、速度做了大量工作，给出了在进行数值模拟计算时如何选择准确的湍流模型、计算方法；对比了RANS 模型与 Detached Eddy Simulation（DES）模型的计算精度，并给出了计算的合理化建议等。但以上研究都需要经过网格划分，并且网格质量对计算精度的影响较大，本文采用新型的无网格数值模拟方法对高速列车进行数值模拟，并对列车表面压力、周围流场进行分析，对以后空气动力学数值模拟计算具有借鉴意义。

 

2. 计算模型

2.1 几何模型

本文列车计算模型采用三车模型，即头车、一节中间车和尾车，为简化计算，忽略受电弓、门把手、车灯等车体表面凸出物，保留转向架、风挡等结构。列车计算模型如图 1所示，其中，列车长度 L=78.08m，列车特征高度 H=3.728m。

 

 

图 1 列车几何模型

 

2.2 计算域及边界条件

理论上列车周围流场的计算区域应无限大，但实际数值模拟中只能采用有限的空间，因此为充分考虑列车周围的绕流情况，计算区域的尺寸取值应当足够大，即车体距离计算区域的边界要足够远，尤其是列车尾部，计算区域的边界不能影响尾涡的发展，但过大的计算区域又会降低计算效率。根据欧洲标准 EN 14067-6（2010，EN14067-6）和国内标准TB/T 3503.4（2018，TB/T 3503.4）的规定：计算区域高度方向至少应为 8 倍特征高度，长度方向上游至少应为 8 倍特征高度，下游方向至少应为 16 倍特征高度。为综合考虑计算速度与计算精度的均衡，选取的计算区域如图 2 所示，长度方向上游为 12H，长度方向下游为 24H，高度为 12H，宽度为 24H。

 

 

图 2 计算区域

 

采用 XFLOW 软件中的 Internal 模拟方法，计算区域入口“Inlet”边界条件设置为速度入口，速度大小为 83.3333m/s，计算区域出口“Outlet”设置为速度出口，大小、方向与入口相同，列车壁面及计算区域的其他壁面设置为 Wall，壁面模型为自动。每秒计算 160 个时间步，总计算时间为 2s。

 

3. 数值模拟计算结果

对高速列车气动性能的分析，主要从列车的表面压力分布、近壁面速度分布以及周围的流场特征进行，列车周围流场采用压力、速度与涡量三个物理量表征。

 

3.1 列车周围压力速度分布

图 3 给出了列车绕流数值模拟过程中不同时刻列车周围速度分布，由图中可以看出，不同时刻头车及中间车附近速度分布变化较小，但列车尾部速度分布在 t=1s 之前差异较大，在 t=1.25s 以后流场基本稳定。图 4 给出了头车附近压力分布情况，与图 3 速度分布规律一致的是，在 t=1s 之前，头车鼻尖位置的高压区存在波动，在 t=1.25s 以后高压区基本稳定，因此数值模拟计算结果在 t=1s 与 t=1.25s 之间基本实现收敛。

 

 

图 3 不同时刻列车周围速度分布

 

由图 3 速度分布可看出，在头车鼻尖附近，越靠近鼻尖位置，空气流速越低，直至鼻尖位置形成滞止区，因此在图 4 压力分布图中鼻尖位置出现高压区。在鼻尖位置空气流速基本为零，动能几乎全部转化为压力能，即流体的动压转化为静压，因此鼻尖位置的压力最大。在高速列车在头车前端与排障器下的车底空间出现不连续速度分布区域，这是由排障器尖点扰动及车体地面挤压效应综合作用而形成。

 

 

图 4 不同时刻头车周围压力分布

 

3.2 列车表面压力及近壁面速度分布

由前面的研究结论可知，数值模拟在 t=1.25s 后已经收敛，因此取 t=1.5s 时的列车表面压力、速度分布云图，如图 5 所示。由近壁面速度分布可看出，在头车鼻尖位置的速度最低，向后延伸速度逐渐增大，到达车窗附近，遭遇车窗的突起速度有所减小，由车窗向后速度继续增大，在车窗的中后部速度达到最大，而后速度逐渐减小。

 

 

图 5 t=1.25s 列车表面压力、近壁面速度分布

 

在图5(b)压力分布图中与速度分布规律相对应，头车鼻尖位置出现高压区，排障器区域次之，在车窗突起位置也出现较低的高压区。数值模拟得到的列车鼻尖位置的最高压力为5050.86Pa，利用公式C,=P/0.5pu(其中p=1.225kg/m'，u=83.3333m/s)计算可得鼻尖驻点压力系数为1.18，与理论值1比较接近。

 

3.3 涡量分布

图 6 给出了 t=1.25s 列车中截面涡量分布及列车周围涡量分布情况。

 

 

（a）列车中截面涡量分布

 

 

（b）列车周围涡量分布

图 5 t=1.25s 涡量分布

 

由图（a）列车中截面涡量分布可看出，列车的转向架区域、车底区域与尾流区为强涡量区域。由图（b）列车周围涡量分布可看出车体底部的涡流从排障器附近开始发展；顶部区域的涡流从头车车窗后列车顶部开始发展，至中间车中部靠后位置发展成为较大的带状涡。尾车周围及尾流区的强涡量区外形也均以带状涡占主导，并且各强涡量中间夹杂着散布的弱涡量区。车体左右两侧的涡量及尾流区域的脱落涡基本呈对称分布。

 

4. 结论

利用 XFlow 对高速列车进行数值模拟计算，对列车表面压力及周围流场分析，主要得到以下结论：

（1）数值模拟计算在 t=1s 与 t=1.25s 约 180 个实现收敛，收敛后的鼻尖驻点压力系数为 1.18。

（2）头车鼻尖位置的速度最低，向后延伸速度逐渐增大，车窗突起位置速度有所减小，车窗的中后部速度最大。与之对应，头车鼻尖位置压力最大，排障器区域次之，车窗突起位置有较小高压区。

（3）列车的转向架区域、车底区域与尾流区为强涡量区域，列车周围的涡主要为带状涡，且车体左右两侧的涡量及尾流区域的脱落涡基本呈对称分布。

 

资料来源：达索官方