裙板安装对高速列车气动性能影响的数值分析

摘 要:为研究裙板安装对高速列车气动阻力及侧风安全稳定性的影响,用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法分析国外某高速列车转向架及其周边裙板结构对整车气动性能的影响. 在无侧风且列车行驶速度为350 km/h时,模拟分析不安装裙板及在不同位置安装裙板情况下列车的气动性能;在有强侧风情况下,模拟分析列车在50~350 km/h之间不同行驶速度工况时的气动性能. 结果表明,列车底部安装裙板可有效降低列车气动阻力,在头尾第1对转向架处安装裙板对列车气动阻力的降低最有效;在强侧风下,列车底部安装裙板会造成列车的侧向力和侧翻力矩加大,降低列车行驶安全性.

关键词:高速列车; 转向架; 裙板; 气动性能; 侧风

中图分类号:U270.2; TB115; O35 文献标志码:A

Numerical analysis on influence on aerodynamic

performance of high,speed train caused by

installation of skirt plates

YANG Zhigang, GAO Zhe, CHEN Yu, WANG Yigang

(Shanghai Automotive Wind Tunnel Center, Tongji Univ., Shanghai 201804, China)

Abstract: To study the influence of installation of skirt plates on aerodynamic drag and crosswind safety and stability of high,speed train, the influence of bogie and its surrounding skirt plate structures on the aerodynamic performance of a foreign high,speed train is analyzed using Computational Fluid Dynamics (CFD) method. Under the crosswind,free condition, the aerodynamic performance of the train running at 350 km/h is simulated and analyzed in the cases of no skirt plates installed or installing skirt plates at different locations. Under the strong crosswind condition, the aerodynamic performance of the train running at speed between 50 km/h and 350 km/h is simulated and analyzed. The results indicate that the aerodynamic drag can be decreased obviously when the skirt plates are installed at the bottom of the train, while the aerodynamic drag can be decreased most effectively by installing skirt plates at the places of the first pair of bogies in the train head and the train tail. Under the strong crosswind condition, the lateral force and roll torque of the train are increased by installing skirt plates at the bottom and the driving safety is reduced.

Key words: high,speed train; bogie; skirt plate; aerodynamic performance; crosswind

0 引 言

高速列车作为我国目前大力发展的运输工具,具有运能大、速度高和清洁环保等优点,但在提高速度的同时产生气动阻力增大的问题.降低高速列车行驶阻力,对我国高速列车的发展有重要意义.

转向架和轮对是列车底部的重要结构,但其复杂的结构形式对列车行驶时的空气动力性能影响很大.[1]文献[2]给出由14节车厢组成的列车各个部分对整车阻力的贡献情况,其中,转向架部分所产生的阻力对列车总阻力的贡献最大,几乎占到一半.因此,开展减小高速列车转向架部分气动阻力的研究对提升高速列车的气动性能有重要意义.合理安装裙板是其中的重要方法之一,但裙板的安装易使列车底部电气设备的热量散失受阻.因此,探讨列车底部裙板安装位置对气动阻力的影响,对列车的气动外形优化至关重要.安装裙板是否影响高速列车在侧风下的行驶安全性同样是人们所关心的问题,因此研究高速列车底部安装裙板对列车侧风稳定性的影响也很有必要.

以往多采用试验的方法研究列车底部裙板对列车气动阻力的影响,不利于得到连续的流场信息,对流动机理的探究也不全面,且不方便优化列车底部裙板的安装位置.在列车的数值研究方面,计算模型往往将列车底部简化为平板,极少考虑转向架及其周边裙板对气动力的影响.

本文建立带转向架的高速列车模型,同时在不同的转向架处加装裙板,使用可实现的k,ε两方程和有限体积法,基于FLUENT软件,通过求解定常的N,S方程对选取的列车模型进行数值模拟.根据数值计算得到的大量详细的流场信息研究裙板及其安装位置对高速列车气动性能的影响,探究裙板对列车气动阻力影响的内在机理,为京沪高铁的运行控制提供更准确的气动数据,同时为列车的设计制造提供更丰富的数据参考.

1 研究对象

采用文献[3]中的参数化建模方法建立头部流线型原长为7.5 m的

1

∶[KG-*3]10的高速列车缩比模型[4].列车的长度缩短为3节车厢的长度,用以模拟头尾对称的3节联挂形式列车,同时忽略车厢间隙;转向架模型采用国外某高速列车的动力转向架.经简化后的转向架主要包括驱动电机、制动轮、轮轴及轮对等主要用于列车行走的功能性设备,见图1.

图 1 经简化后的转向架数值模型基本结构

为保证模型表面的网格质量,对所保留部件的外形作进一步简化:将轮对简化成高度与轨面宽度相同的圆柱体;取消轮缘,使轮对与轨道面采用面接触;为保证轮对与轨道接触位置的网格质量,修正轮对接地区域, 即在保证离地间隙的前提下, 先切掉轮对接地部分的一段劣弧, 然后将切除的边界拉伸至地面[5],见图2.

图 2 转向架两侧裙板示意图

可采用与车体等曲率圆弧的方式设计裙板,为保证所用网格需要,在缩比模型上裙板厚度取

5 mm,裙板长至盖住轮对的转轴位置.

为研究裙板安装与否及在不同安装位置对列车气动性能的影响,设计如图3所示的5种列车模型:完全不安装裙板的A模型,全部转向架安装裙板的B模型,仅头尾第1对转向架处安装裙板的C模型,仅头尾第1对转向架不安装裙板的D模型以及仅头车第1个转向架安装裙板的E模型(列车在轨道上往复运行,须保证结构前后对称,因此实际中不可能出现E模型,此模型仅用于分析各转向架旁裙板的作用).

模型安装裙板处A无B全部C(1)(6)D(2)(3)(4)(5)E(1)图 3 各模型裙板安装方式为方便讨论,可定义转向架前端的隔墙面为a面,转向架后端的隔墙面为b面,见图4.

图 4 转向架的前后隔墙面定义

2 无侧风情况下裙板安装对列车气动性能的影响2.1 计算域、网格划分、计算方法和边界条件

2.1.1 计算域和网格划分

在大计算域中划出1个小计算域,使用四面体网格对其进行离散,而在距离列车模型较远的小计算区域外使用六面体网格进行离散,充分发挥2种网格各自的优势:使用四面体网格可在包含有列车及转向架这类具有复杂表面的模型的计算域内进行快速和方便的网格划分,且在保证模型表面网格尺寸足够小的情况下整个计算域的网格数量不会太多;而在距离模型较远的计算区域使用六面体网格则可改善数值稳定性和计算的精确性.[6]对于边界层网格,在车体及转向架表面生成的第1层厚度为1 mm,增长率为1.15,共分3层边界层网格.通过计算可得车体表面y+平均值约为60.

为较真实地模拟列车底部流场周围的结构,可在计算域底部增加轨道.轨道位于列车的正下方,与图 5 计算域的基本结构,m列车轮对的最底部接触.将轨道断面简化为长方形,轨面宽度与单个车轮的宽度相同,其高度为国家标准中规定的高度.计算域的基本结构见图5.

小计算域内的非结构化网格通过商用软件

T,grid生成.整个计算域体网格数量约为600万个.

2.1.2 计算方法和边界条件

使用FLUENT,采用可实现的k,ε两方程湍流模型,利用SIMPLEC算法求解方程.先使用1阶格式,再换用2阶迎风格式进行迭代.

在边界条件的处理上,将计算域底部表面设为移动地面条件,轨道也按照移动地面处理,移动速度和方向与地面完全一致.将计算域左右及上边界设为对称面,计算域入口设为速度入口,采用均匀来流;将计算域出口设为压力出口,列车表面为非滑移壁面.将速度入口的来流速度设为97 m/s,模拟列车以350 km/h行驶时的状况.

2.2 计算结果对比分析

2.2.1 裙板安装与否对列车气动阻力的影响

由图6可知,高速列车安装裙板后气动阻力得图 6 裙板安装与否的气动阻力因数

对比到明显改善,其气动阻力因数降低0.059,占总阻力因数的12.7%.

由图7所示模型A压差阻力因数的构成可知,对于带转向架结构的高速列车模型,转向架本身的气动阻力所占比例不大,主要由转向架前后方的a面与b面的压力差起关键作用.气流进入转向架空腔时,由于转向架前端的a面处于背风侧,故形成明显负压;气流绕过转向架后,冲击在转向架后端的b面上,形成正压.a面上的正压与b面上的负压都对列车产生行驶阻力,二者的和占总气动阻力的64%.

图 7 模型A压差阻力因数的构成

由图8和9可知,在转向架两侧安装裙板能很好地阻挡车体两侧进入转向架空腔的气流.转向架前方a面上的负压减弱,且转向架后方b面上的正压也一并减弱.同时,进入转向架空腔的高速气流减少,也可减小作用在转向架上的气动阻力.这些因素的共同作用使空气阻力大大降低.图 8 模型A和B的转向架处速度云图,m/s

图 9 中间车两转向架及其a面和b面上的压力分布,Pa

2.2.2 头尾第1对转向架安装裙板对列车气动

阻力的影响由图10并通过计算分析可知,如果模型A和B气动阻力因数的变化值为100%,则中间4个转向架处安装裙板所带来的阻力减小占6处全加效果的67.8%,而仅头尾2处转向架旁加装裙板带来的阻力减小占6处全加效果的47.5%,即头尾第1对转向架旁加装裙板对列车总气动阻力的改善作用尤为明显.

图 10 不同位置安装裙板的气动阻力因数对比

模型A各转向架处速度云图见图11.由于气流进入转向架后在转向架空腔里撞击到转向架结构,形成大量涡流,造成能量耗散,使得气流经过每个转向架后的速度都降低,同时使转向架及其前后a面和b面上的气动阻力降低,即各转向架对列车的气动阻力贡献由前向后递减.

图 11 模型A各转向架处速度云图,m/s

由图12可知,头车第1转向架及其周边结构的气动阻力因数明显高于其他转向架.各转向架及其周边结构的气动阻力因数也呈由前向后递减的趋势.因此,控制头尾第1转向架附近空气阻力的作用主要集中在头车转向架上.

图 12 各转向架及其周边结构上的气动阻力因数

在模型E第1转向架旁安装裙板并进行数值试验.由图13可知,仅在第1转向架处安装裙板所带来的气动阻力因数降低占6处全加效果的

33.9%,说明头尾车第1转向架加装裙板对阻力的减小作用主要体现在头车的裙板上.列车在轨道上往复运动,其车体须前后对称,且列车运行时底部装置需对外散热,因此在列车头尾第1对转向架附近加装裙板可很好地改善列车的气动阻力并兼顾列车底部设施的散热要求.

图 13 不同位置安装裙板的气动阻力因数对比

3 侧风下裙板安装对列车气动性能的影响3.1 计算工况

本文侧风风速取30 m/s,列车行驶速度取14~97 m/s(即50~350 km/h),用以模拟列车从启动加速到最高速行驶时的各种情况.[7]各工况见表1.

表 1 计算工况表工况工况名称车速/(m/s)风速/(m/s)合成风向角/(°)1V97A179730172V83A208330203V69A236930234V56A285630285V42A364230366V28A472830477V14A65143065

3.2 计算域、网格划分、计算方法和边界条件

网格划分方式和计算方法与第2节相同.计算域及边界条件设置见图14.

图 14 计算域及边界条件,m

3.3 计算结果对比分析

由图15~18可知,侧风下列车安装裙板后在不同行驶工况下气动阻力减小,升力基本不变,气动侧向力和侧翻力矩增大,列车的侧向力和侧翻力矩提高8%左右,而高速运行时增幅约为10%.侧风下转向架本身对横向通过列车底部的气流起到一定的阻滞作用,加装裙板加强这种阻滞作用.虽然裙板面积较小,但其对列车附近流场产生一定影响,使得列车侧向力和侧翻力矩发生较大改变.

图 15 不同工况下气动阻力的变化图 16 不同工况下侧向力的变化

图 17 不同工况下升力的变化

图 18 不同工况下侧翻力矩的变化

由于列车各部分属于柔性连接,故有必要对列车各部分的气动性能分别加以分析.由图19~21可知,列车在有、无裙板的情况下,各部分的升力、侧向力、侧翻力矩变化趋势基本相同.但加装裙板后,各部分的侧向力和侧翻力矩均有所提高,头车升力变大,中间车和尾车的升力减小,列车的安全性下降.

图 19 不同工况下模型A和B各部分侧向力变化

图 20 不同工况下模型A和B各部分升力变化

图 21 不同工况下模型A和B各部分侧翻力矩变化4 结 论

(1)在无侧风的情况下,安装裙板可明显降低列车的气动阻力,且由于列车各转向架及其前后隔墙面对列车气动阻力的影响不同,在头尾第1对转向架处安装裙板可明显改善列车的气动阻力,其作用约占6处裙板全加效果的50%.

(2)在强侧风情况下,列车安装裙板后行驶阻力明显降低,列车总体及各部分的侧向力、升力以及侧翻力矩的变化趋势不变,但列车的侧向力和侧翻力矩有一定增大,列车的行驶安全性下降.

参考文献:

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[5] 马宁. 高速列车气动升阻力的数值研究[D]. 上海: 同济大学,2008.

[6] YANG Zhigang, KHALIGHI B. CFD simulation for flow over pickup trucks[C]//SAE Paper 2005,01,0547, Warrendale, USA: SAE Int, 2005.

[7] 马静,张杰,杨志刚. 风与大气环境科学进展: 大风下风向角对高速列车空气动力性能的影响[C]//刘永贵.风与大气环境科学进展. 北京: 气象出版社,2008: 122,131.