CRH3动车组模型侧风下明线运行的空气动力特性分析

魏雅洁，张群，刘新桥

(英特工程仿真技术(大连)有限公司，辽宁 大连 116023)

0 引 言

随着列车运行速度的提高，列车与空气的相互作用变得十分强烈。在实际车辆开发过程中，如何有效地利用空气动力学特性变得越来越重要。在强侧风的作用下，列车空气动力性能恶化，列车空气阻力、升力、横向力迅速增加，影响列车的横向稳定性。若车体受到正向升力，则会使动力车轮与钢轨之间的黏着力减小，降低列车牵引力，但过大的正向升力还有可能导致列车爬轨和跳轨，加上侧风产生的侧向力，很容易导致列车倾覆。当车体受到负向升力时，列车动态轴重增加，轮轨之间的接触力增大，加剧列车对钢轨的动力冲击，加速车轮踏面和钢轨的磨损。为使列车安全通过风区，应开展不同侧风环境下的列车空气动力特性研究。成楠等利用大涡模拟湍流模型计算侧风影响下的高速列车环流，发现列车在定常侧风下所受的空气动力学特性存在非定常性。谢红太基于三维定常不可压黏性流场，分析强侧风对高速列车头车气动性能的影响，发现随风向角的增大，空气阻力系数先增大后减小。

本文应用流体分析软件FLUENT对3车编组的CRH3动车组在侧风下运行的空气流场进行数值计算，研究侧风下风向角的变化对车体周围空气流场的影响，为动车组侧风环境下安全运行指标的确定提供技术支持。

1 研究方法

受计算能力的限制，采用简化后的CRH3列车模型进行分析。对CRH3列车模型的简化包括以下几个方面：(1)为缩短列车长度，列车模型取3车连挂的头车+中车+尾车模式；(2)简化列车表面，去除诸如门把手、受电弓、车灯等突出物；(3)简化车体转向架结构。3车编组的CRH3动车组计算模型见图1。

图1 CRH3动车组整车模型

计算区域的选择以不影响车体附近流体的流动为原则，为使计算结果尽可能接近真实状况，车前和车后区域均取足够长，并将车体周围区域划分为3层。整个计算区域长368 m、宽280 m、高90 m，车头到速度入口的距离为100 m，尾车到压力出口的距离为192 m。主要考虑侧风的影响，因此扩大流域两侧宽度，列车侧面到流场侧面边缘的距离为138 m，列车距地面0.3 m，车辆运行的流体计算域见图2。

图2 车辆运行的流体计算域，m

采用HyperMesh 19.0进行几何清理、流体域生成和网格划分。流体域和车体剖面的网格划分结果见图3，网格总数约为1 400万个。有侧风运行时，列车表面采用三角形网格划分，四周的矩形区域均采用几何适应性强的四面体非结构化网格。将车体周围划分成3层区域：外层区域为流域1，中间区域为流域2，包裹车身与转向架的区域为流域3，并对流域3和2分别进行不同程度的局部加密处理。列车头部为流线型设计，在流场中直接受到气流的影响，故将列车头部鼻尖处网格局部加密，网格最小尺寸为10 mm，以保证数据模拟的准确性。

图3 计算流体域和车体剖面的网格划分

计算流体域边界条件示意见图4，边界条件定义见表1。入口设置为速度入口，出口设置为压力出口，出口压力设为0。

表 1 边界条件定义

图4 计算流体域边界条件示意

使用FLUENT 16.0对列车外的流场进行仿真分析计算，分析类型为可压缩流体的稳态分析，求解器为基于压力法。湍流模型选择RNG-两方程模型，壁面方程为标准壁面函数，流体介质为气体。求解格式为SIMPLE，空间离散梯度选择Least Squares Cell Based，收敛残差设置为10。

2 结果分析

列车模型以风洞试验的方式给定边界条件，入口风速采用合成风。在不同风向角下，相同车速和风速的合成速度不相同，即车辆受到的气动力不仅与列车运行速度和环境风速度有关，还与环境风的风向角有关。列车侧风风向角定义示意见图5。假设列车运行速度为，运行方向为从右向左(即负方向)。根据列车与周围空气的相对运动，假定列车相对地面为静止，车辆前方的空气以速度从左向右流动。设定列车前进方向右侧风的风向角为负、左侧风的风向角为正。设定车速为60 m/s，对侧风风向角为0°、±3°、±6°、±9°、±12°、±15°、±18°、±21°和±24°等17个工况进行数值模拟。

图5 列车侧风风向角定义示意

2.1 车体表面压力分布

风向角分别为±9°、±18°和±24°时的列车表面压力分布云图分别见图6～11，车体关注部位的表面压力见表2。无侧风时鼻尖前缘点压力为2 199 Pa，风向角为24°时鼻尖前缘处压力值为1 097 Pa，最大压力值为2 205 Pa；随着风向角的增大，列车头部的压力驻点不位于列车前缘鼻端，而位于车头鼻尖迎风侧处，且最大压力随风向角的减小逐渐减小。

图6 风向角为9°时列车表面压力分布,Pa

图7 风向角为-9°时列车表面压力分布,Pa

图8 风向角为18°时列车表面压力分布,Pa

图9 风向角为-18°时列车表面压力分布,Pa

图10 风向角为24°时列车表面压力分布,Pa

图11 风向角为-24°时列车表面压力分布,Pa

表 2 车体关注部位的表面压力

此外，列车顶面基本为负压，而且随着风向角的增大，从列车侧面到顶面的过渡圆弧面上正压迅速减小，并在车头向车身过渡处产生负压，列车尾部也呈现较大的负压。

在侧风作用下，列车底部压力分布不同于车身侧面和顶面，但基本为负压。列车车身迎风面的表面压力值随风向角的增大而增大，背风面的表面压力值随风向角的增大而减小，且由于出现一系列涡流分离区，故背风面的表面压力值基本为负压。

2.2 车体各部位的速度矢量分布

风向角分别为9°和24°时，在距地面1.8 m的水平横断面上，列车头部和尾部的速度矢量分布见图12～17，图中流线的颜色代表速度矢量的大小，列车表面为压力云图。

图12 风向角9°时列车头部周围速度分布

图13 风向角24°时列车头部周围速度分布

图14 风向角9°时列车尾部周围速度分布

随着风向角的增大，列车表面压力和速度分布的不对称现象更加明显。当气流经过鼻端沿车体流动时，由于头部流线造型较好，车体表面的气流速度明显提升，车身表面的压力逐渐下降，最大处为迎风侧速度来流处。当列车在侧风环境下运行时，随着风向角的增大，尾部速度分布的不对称性增加。

图15 风向角24°时列车尾部周围速度分布

图16 风向角9°时列车尾部横剖面外轮廓周围速度分布,m/s

图17 风向角24°时列车尾部横剖面外轮廓周围速度分布,m/s

在列车背风侧，空气因气流分离而产生旋涡，故迎风侧空气速度明显大于背风侧速度。随着侧风风向角的增大，迎风侧速度增加，而背风侧涡流集中在车体表面，故速度急剧减小。风向角为9°时，列车周围流场最大速度为85.86 m/s，风向角为24°时列车周围流场最大速度为114.11 m/s。转向架与车体之间存在着较大的空间，车体两侧来流以及车底气流流经转向架区域时，空间忽然开阔，气流方向发生变化，部分气流灌入转向架区域内。由于转向架区域周围相对封闭，气体灌入后冲击在转向架及转向架周围的车体端墙上无法及时导出，因此在转向架周围形成绕流，气流速度较小。

2.3 侧风下列车的气动力分析

当列车运行时，车辆表面压力和切应力沿垂直向上方向形成合力，称为车辆空气升力，即沿垂直方向的车辆表面空气黏性升力与压差升力之和。当车辆两侧外部流场不对称时，车辆两侧表面压力分布出现较大差异，形成车辆空气压差侧向力。同时，由于车辆表面存在黏性切应力，从而形成车辆空气黏性侧向力。车辆表面压力与切应力沿横向形成的合力，称为车辆空气侧向力，即横向的车辆表面空气压差侧向力与黏性侧向力之和。

在侧风作用下，CRH3动车组车辆空气升力系数随风向角的变化见图18。列车在侧风下运行时，随着风向角的增大，整车空气升力也相应增大；在无侧风环境下，升力系数最小为-0.000 25，列车几乎不受升力的影响；升力系数以=0°为轴对称分布，风向角从0增加到24°时，升力系数从-0.000 25增加到0.261 87，风向角从-24°减小到0时，升力系数从0.255 58减小到-0.000 25。

图18 车辆空气升力系数随风向角变化曲线

在侧风作用下，CRH3动车组车辆空气侧向力系数随风向角的变化见图19。随着风向角的增大，整车的空气侧向力系数逐渐增大，在正风向角方向侧向力系数随风向角增大而增大，在负风向角方向侧向力系数随风向角绝对值增大而增大；最大侧向力系数出现在风向角为-24°时，其值为0.123 51，无侧风环境下侧向力系数绝对值最小，其值为0.000 21。

图19 车辆空气侧向力系数随风向角变化曲线

3 结 论

对CRH3动车组3车编组模型在侧风工况下运行时的外部空气流场进行数值计算，结果显示：在侧风环境下，列车头部的鼻尖不再为驻点，但仍为较大的正压，列车头部的压力驻点出现在正对迎风方向的位置；由车体表面压力分布可知，侧面的迎风面近乎于自由滞止流，此处形成正压，而背风面出现一系列涡流分离区，形成负压，迎风面和背风面的压力叠加使车体侧面受到非常大的压差；由车体各部位的速度矢量分布可见，在列车背风面一侧，空气流动产生旋涡，迎风侧空气速度明显大于背风侧速度；对比不同风向角的模拟结果发现，列车表面最大压力值和车体周围的速度随风向角的增大而增大。