DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.11.038
头部参数对高速列车明线交会气动性能的影响
杜健1, 2，杜俊涛1, 2，田爱琴2，田洪雷2，刘堂红1
(1. 中南大学 交通运输工程学院，轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙，410075；
2. 中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛，266111)
摘要：采用三维、可压N-S方程、
双方程湍流模型和滑移网格技术，对不同的流线型长度、头部型线列车明线交会压力波及气动力的关系进行计算分析。研究结果表明：交会压力波头波幅值数值计算结果与实车试验结果较吻合，两者相对误差为4.9%；当列车流线型长度从8 m增大至12 m时，交会压力波、侧向力、侧滚力矩幅值分别减小27.0%，39.2%和36.2%；头部主型线中，水平剖面型线对交会气动性能的影响最大，当水平剖面型线斜率由0.076增大到0.184时，交会压力波、侧向力、侧滚力矩幅值分别增大12.1%，7.3%和8.5%；纵剖面型线对列车交会气动性能的影响较小，当斜率从0.505增大到0.713时，交会压力波、侧向力和侧滚力矩幅值分别增大1.90%，0.65%和0.89%；当横截面型线斜率从0.194增大到0.235时，交会压力波、侧向力和侧滚力矩幅值分别增大4.1%，3.1%和4.0%。
关键词：高速列车；头部参数；明线交会；气动性能
中图分类号：U270.2 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2017)11-3132-09
Effects of shape parameters on aerodynamic performance of high speed trains passing each other in open air
DU Jian1, 2, DU Juntao1, 2, TIAN Aiqin2, TIAN Honglei2, LIU Tanghong1
(1. Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education, School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;
2. CRRC Qingdao Sifang Co. Ltd., Qingdao 266111, China)
Abstract: Pressure wave and aerodynamic forces induced by two trains with different streamlined lengths and section lines passing each other in open air were investigated using the three-dimensional, compressible N-S equations, turbulence model and slip grid method. The results show that the peak-to-peak value of head wave from the present numerical method is in good agreement with that of the full-scale experiment, and the relative error is 4.9%. The peak-to-peak values of pressure waves, lateral forces and rolling moments are reduced by 27.0%, 39.2% and 36.2%, respectively, as the streamlined length increases from 8 m to 12 m. For the main profiles of the train head, the horizontal section profile contributes most to the aerodynamic performance when two trains passes. When the slope of horizontal section profile increases from 0.076 to 0.184, the peak-to-peak values of pressure wave, lateral forces, rolling moments are severally increased by 12.1%, 7.3% and 8.5%,respectively. The influence of longitudinal profile on the train aerodynamic performance is relatively small. As the slope of longitudinal profile increases from 0.505 to 0.713, these peak-to-peak values are increased by 1.90%, 0.65% and 0.89%, respectively. When the slope of cross section profile increases from 0.194 to 0.235, these peak-to-peak values are increased by 4.1%, 3.1% and 4.0%, respectively.
Key words: high-speed train; nose parameters; trains passing each other in open air; aerodynamic performance
随着列车运行速度的不断提高，列车明线交会时产生强烈的交会压力波，使得列车受到瞬态压力冲击[1-2]；此外，列车交会产生的侧向力和侧滚力矩也会使列车产生横向摆动，影响旅客的舒适性与列车运行平稳性[3-4]：因此，对于列车明线交会气动性能的研究，是列车空气动力学研究的重要内容之一[5-6]。许多学者对高速列车的明线交会气动性能进行了研究，如TIAN等[7]研究了列车运行速度、线间距、车体宽度、列车外形等参数对列车交会压力波的影响规律；刘堂红等[8]对不同外形磁浮列车气动性能进行了数值模拟，得到了磁浮列车以430 km/h运行时的交会压力波幅值；ZHAO等[9]提出了一种简化方法，计算了2列列车等速交会时的列车表面压力变化；梁习锋等[10]采用三维、可压、非定常方程，用动网格技术实现列车与地面、环境风与列车之间的相对运动，对不同风速、风向环境风作用下磁浮列车交会时的横向气动性能进行了数值分析；董亚男[11]以CRH2型高速列车为例，对不同车速下的列车交会压力波进行了数值模拟，得到了列车等速、不等速情况下列车交会压力波与车速的关系；谭宝来等[12]采用三维、非定常、可压缩湍流模型，基于重叠网格法对时速300 km高速列车明线交会的压力波进行了研究；李永乐等[13]对大风环境下列车交会的气动性能进行了分析；戚振宕[14]分析了不同线间距下列车以不同速度按照单车静止交会、等速交会和不等速交会的压力波和气动力，得到了交会压力波和气动作用力与列车交会速度、线间距和车间距的关系；李人宪等[15]通过数值仿真，分析了不同线间距、不同速度等级下的会车过程，获得了会车压力波幅系数与线路间距及列车交会速度间的变化规律。可见：影响列车交会气动性能的因素很多，主要包括列车头部外形参数、交会速度、线间距、车体宽度、环境风速等[16]。其中，设计性能良好的列车头部外形是减小列车交会压力波的重要因素。由于列车头部外形的复杂性，很难用量化指标表示，因此，以往的研究大部分是定性描述，缺少定量关系分析，并且研究内容主要关注交会压力波幅值而缺少对交会气动力的分析。为此，本文作者主要采用数值模拟计算方法，以列车外形谱系化研究为背景，在初始原型车的基础上，分析不同流线型长度、列车头部型线的变化与列车交会压力波幅值、侧向力、侧滚力矩的关系，得到列车明线交会气动性能与列车头型参数的定量关系，以便为高速列车外形设计和优化提供依据。
1 计算模型
1.1 几何模型
本文主要基于9 m流线型长度初始列车头部模型，研究以下4个方面的外形参数分别对列车交会气动性能的影响：列车流线型头部长度、列车纵剖面型线、列车水平剖面型线和列车横截面型线。
设计的不同外形参数列车模型如图1所示。流线型头部长度分别为8，9，10，11和12 m；不同纵剖面型线对应的编号为A-3，A-2，A-1，A+1，A+2和A+3，代表在原型车A0的基础上纵剖面型线经过不同变化得到的列车外形。其中：“-”表示纵剖面型线往下凹；“+”表示纵剖面型线往上凸；“1”，“2”和“3”表示下凹或上凸的程度，数字越大，表示下凹或上凸的程度越大。不同水平剖面型线对应的列车外形分别为B-3，B-2，B-1，B+1，B+2和B+3，不同横截面型线对应的列车外形分别为C-3，C-2，C-1，C+1，C+2和C+3，其数值和符号的含义与纵剖面型线的含义相同。为了使上述3个主型线能用定量化参数表示，采用图中O1和O2这2点间不同方向距离的比值(即斜率)表示主型线的改变量，纵剖面型线斜率采用图1(b)中ZO1O2/XO1O2(即KA)表示，斜率越大，表示纵剖面型线越凸；水平剖面型线斜率采用图1(c)中YO1O2/XO1O2(即KB)表示，斜率越大，表示水平剖面型线越往外鼓；横截面型线斜率采用图1(d)中YO1O2/ZO1O2 (即KC)表示，斜率越大，表示车体横截面越往外鼓。由此得到原型车纵剖面型线斜率、水平剖面型线斜率和横截面型线斜率分别为0.599，0.141和0.218。不同外形参数列车模型斜率如表1所示。
由于列车头部外形曲面形状复杂，涉及的参数较多，耦合分析多个参数变化对气动性能的影响时很难得到定量化结论，因此，本文主要分析变化单一参数对列车交会气动性能的影响规律，即变化1种参数时保持其他参数不变，而不考虑不同参数之间的相互作用。计算时采用3车编组模型，即以头车+中间车+尾车的方式进行。
1.2 计算区域及边界条件
计算区域示意图如图2所示，其中，高度H为特征长度的20倍(特征长度取车高D=4 m)，宽度(W)为50 D；在开始计算前，2车间距(LF)为50 m，保证2列列车初始彼此的运动不影响对方流场；列车尾部距出口界面距离(LB)为40D。流域两端面(面A′B′C′D′和E′F′G′H′)采用压力出口边界，顶面(面B′F′G′C′)和侧面(面A′B′F′E′和C′D′H′G′)采用对称边界条件；地面(面A′E′H′D′)和道床设置为无滑移壁面边界；包裹列车的区域F1和区域F2设置为运动边界条件，线路纵向方向按列车运行速度分别给定，垂向、横向方向速度分量为0 m/s。为体现列车之间的相对运动，采用分区滑移网格技术，其公共滑移界面用于数据交换。计算区域采用非结构网格离散，对车体表面、线路及其附近网格进行加密处理，以提高数值计算精确度和可靠性，车体表面周围最小网格尺寸为0.05 m，总网格数约为800万，原型车头部物面网格如图3所示。
图1 不同外形参数列车模型
Fig. 1 Train models with different shape parameters
表1 列车不同主型线斜率
Table 1 Slopes of different main lines
图2 2列列车明线交会计算区域
Fig. 2 Computation domain of two trains passing by each other in open air
图3 列车头部计算物面网格图
Fig. 3 Calculation grid of train’s nose
2 计算方法及验证
在数值计算中，列车明线交会速度为300 km/h，马赫数小于0.3，但由于列车交会侧车体表面的空气受到强烈挤压，空气密度的变化引起的流场变化已经不能忽略，此时，不可压缩方程已经不再适应，必须求解非定常可压缩N-S方程。同时，列车周围流场雷诺数一般大于106，流场处于湍流状态，因此，整个流场采用瞬态、黏性、可压缩N-S方程和
两方程湍流模型描述，其控制方程可参见文献[16]。为验证数值计算方法的可靠性，选择原型车250 km/h和4.4 m线间距交会工况的实车试验结果进行验证。实车试验对象为8车编组，数值计算对象为3车编组，对比数据均选取第2节车中部测点结果，压力波形如图4所示，从图4可以看出：头波重合性较好，实车试验交会压力波头波幅值为919 Pa，数值计算头波幅值为874 Pa，两者相对误差为4.9%。由于试验和计算列车编组长度不一样，尾波出现的时间相差很大，幅值相差也较大。这也说明列车编组长度对列车交会压力波，尤其是对尾波的影响是比较大的，因此，对列车运行安全性的评价最好采用实际列车编组长度进行计算。图中实车试验测试曲线中T1和T9分别为对方列车头部和尾部通过测点引起压力变化对应的时刻，T2~T8分别为对方列车第2~8节车风挡位置通过测点引起压力变化对应的时刻。从图4可以看出：交会列车风挡通过测点也产生了较大波动，靠近头尾部风挡通过时引起的压力变化较大(图4中T2，T3，T7和T8)，而中部车辆风挡通过时引起的压力变化较小(图中T4~T6)。在数值计算中，由于对风挡进行了简化，曲线比较光滑。
图4 计算与实车试验交会压力波对比曲线
Fig. 4 Comparison curves of calculation result and real-scale vehicle result
3 计算结果及分析
3.1 流线型长度对列车交会气动性能的影响
不同流线型长度列车以300 km/h速度交会过程中，列车车体表面压力分布变化情况如图5所示。从图5可见：不同流线型长度列车交会时，头车鼻锥端(N1)为驻点，压力最大；经过该点后，气流速度加快，压力下降；在前窗位置(N2)压力出现上升后再迅速下降变化趋势，到达头部与车顶过渡处(N3)负压降至最大值。这是由于过渡弧面曲率变化很大，空气绕流速度加快，从而使这一区域的压力急剧降低，至车体顶面压力再次回升成平稳的负压。对于沿水平剖面的流动情况，则是在车肩处(N4)负压达到最大值，至车体侧墙再回升成平稳负压。对于流线型长度不同的列车，N1处正压范围随流线型长度增大而缩小；N3处与N4处负压范围随流线型长度增大而缩小，其最大值也随流线型长度增大而减小。
图5 不同流线型长度列车交会压力
Fig. 5 Counter of streamline trains with different lengths
由于头部流线型部分每个模型都在变化，头部监测点的坐标各模型不完全相同，所以，主要监测靠近车体中部测点的压力变化。列车车体表面交会压力波测点布置如图6所示。
通过计算发现各车型基本是靠近车体底部的6号测点交会压力波幅值最大，下面主要以该点结果进行对比分析。不同流线型长度列车300 km/h交会6号测点压力变化波形如图7所示。图7中，Length8表示流线型长度为8 m，其他流线型长度的表示方法依此类推。从图7可以看出：不同流线型长度列车交会压力波变化曲线规律基本相同，头波先正后负，尾波先负后正；由于头部流线型长度不同，交会压力波幅值差异较大，且时间同步性上也存在一定时间差；流线型越长，压力变化上升或下降时间越长，交会压力波幅值越小。表2所示为不同流线型长度列车以300 km/h交会时交会压力波；图8所示为交会压力波幅值与流线型长度的拟合关系曲线，其拟合关系为
。从图8可见：当流线型长度从8 m增大到12 m时，最大交会压力波幅值由1 283 Pa减小到936 Pa，减幅为27.0%。可见流线型长度对列车交会压力波的影响非常大，增大列车流线型头部长度对降低交会压力波非常有效。
为避免流线型头部变化导致车辆受力面积变化对车辆气动力的影响，选择中间车受到的气动力进行分析。图9所示为列车交会中间车侧向力变化曲线。从图9可以看出：侧向力变化曲线与压力波变化曲线基本相同，开始受到头波先正后负的冲击，然后受到尾波先负后正的冲击；不同流线型长度列车的侧向力变化幅值和时间同步性均存在一定差异，随着流线型长度增大，侧向力逐渐减小。图10所示为侧向力、侧滚力矩与流线型长度对数拟合曲线，其拟合关系分别为
，
；当列车流线型长度从8 m增大到12 m时，侧向力幅值由35.51 kN减小到21.58 kN，减幅为39.2%；侧滚力矩由73.14 kN·m减小到46.63 kN·m，减幅为36.2%。可见：流线型长度的变化对交会车辆气动力的影响也非常大，车辆侧向力和侧滚力矩均随流线型头部长度的增大而呈对数减小。
图6 列车车体表面测点布置示意图
Fig. 6 Arrangement of measuring points in train surface
图7 不同流线型长度列车300 km/h交会压力变化曲线
Fig. 7 Pressure curves of trains with different lengths passing by each other at speed of 300 km/h
图8 列车交会压力波幅值与流线型长度的关系
Fig. 8 Relationship between pressure magnitude and streamline lengths
表2 不同流线型长度列车以300 km/h交会的压力计算结果
Table 2 Results of different streamline heads passing by each other at speed of 300 km/h Pa
图9 不同流线型长度列车交会侧向力的变化
Fig. 9 Lateral forces of different streamlines trains passing by each other
图10 列车气动力与流线型长度的关系
Fig. 10 Relationship between aerodynamic loads and streamline lengths
3.2 头部型线对列车交会气动性能的影响
3.2.1 纵剖面型线对列车交会气动性能的影响
为了分析纵剖面型线对列车交会压力波的影响，选取中间车中部6号测点结果进行分析。不同纵剖面型线列车以300 km/h交会时，列车交会压力波幅值与纵剖面型线斜率拟合曲线如图11所示，其拟合关系为
。从图11可以看出：随着纵剖面型线上拱，列车交会压力波幅值整体呈现增大的趋势；纵剖面型线斜率从0.505(即列车外形A-3)增大到0.713(即列车外形A+3)，交会压力波幅值由1 216 Pa增大到1 239 Pa，增幅为1.9%，可见纵剖面型线对列车交会压力波的影响较小。
中间车受到的侧向力、侧滚力矩幅值与纵剖面型线斜率对数拟合曲线如图12所示，其拟合关系分别 为
，
。从图12可以看出：随着纵剖面型线斜率从0.505(即列车外形A-3)增大到0.713(即列车外形A+3)，侧向力和侧滚力矩慢慢增大，侧向力幅值由26.03 kN增大到26.20 kN，增幅为0.65%；侧滚力矩由56.09 kN·m增大到56.59 kN·m，增幅为0.89%。可见：纵剖面型线的变化对交会中车辆气动力的影响也较小，与交会压力波幅值变化的规律相同。
图11 列车交会压力波幅值与纵剖面斜率的关系
Fig. 11 Relationship between pressure magnitude and slope of longitudinal section
图12 列车气动力与纵剖面斜率的关系
Fig. 12 Relationship between aerodynamic loads and slope of longitudinal section
3.2.2 水平剖面型线对列车交会气动性能的影响
不同水平剖面型线列车以300 km/h交会时，6号测点压力波幅值与水平剖面型线斜率拟合曲线如图13所示，其拟合关系为
。从图13可以看出：随着水平剖面型线加宽，列车交会压力波幅值整体呈现增大趋势；水平剖面型线斜率从0.076(即列车外形B-3)增大到0.184(即列车外形B+3)，最大交会压力波幅值由1 130 Pa增大到1267 Pa，增幅为12.1%。可见：水平剖面型线对列车交会压力波的影响较大。
中间车受到的侧向力、侧滚力矩幅值与水平剖面型线斜率对数拟合曲线如图14所示，其拟合关系分别为
，
。从图14可看出：水平剖面型线斜率从0.076(即列车外形B-3)增大到0.184(即列车外形B+3)，侧向力和侧滚力矩慢慢增大，侧向力幅值由24.94 kN增大到26.76 kN，增幅为7.3%；侧滚力矩由53.64 kN·m增大到58.22 kN·m，增幅为8.5%。可见：水平剖面型线的变化对交会车辆气动力的影响也较大，与交会压力波幅值变化规律相同。
图13 列车交会压力波幅值与水平剖面斜率的关系
Fig. 13 Relationship between pressure magnitude and slope of horizontal section
图14 列车气动力与水平剖面斜率的关系
Fig. 14 Relationship between aerodynamic loads and slope of horizontal section
3.2.3 横截面型线对列车交会气动性能的影响
为了尽可能地保持头部流线型不变，在变化车体横截面型线时，只改变横截面型线的局部参数而保证横截面整体未发生大的变化，所以，交会压力波幅值最大点出现的位置并不固定，最大点大部分出现在6号点，但随着车体横截面的加宽，部分出现在5号点。不同横截面型线列车以300 km/h交会时，6号点列车交会压力波幅值与横截面型线斜率拟合曲线如图15所示，其拟合关系为
。从图15可以看出：随着横截面加宽，列车交会压力波幅值呈现慢慢增大的趋势；横截面型线斜率从0.194(即列车外形C-3)增大到0.235(即列车外形C+3)，交会压力波幅值由1 229 Pa增大到1 243 Pa，增幅为1.1%；而5号测点交会压力波幅值由1 122 Pa增大到1168 Pa，增幅为4.1%；4号测点交会压力波幅值由947 Pa增大到957 Pa，增幅为1.1%。可见：横截面型线变化对车体中心高度测点交会压力波的影响较大，而对偏离中心高度测点交会压力波的影响较小。
不同横截面型线列车300 km/h交会时，中间车侧向力和侧滚力矩幅值与横截面型线斜率的对数拟合曲线如图16所示，其拟合关系分别为
，
。从图16可见：横截面型线斜率从0.194(即列车外形C-3)增大到0.235(即列车外形C+3)，侧向力和侧滚力矩慢慢增大，侧向力幅值由25.76 kN增大到26.57 kN，增幅为3.1%；侧滚力矩由55.44 kN·m增大到57.67 kN·m，增幅为4.0%。可见：横截面型线的变化对交会中车辆气动力的影响较大，与对车体中心高度5号测点交会压力波的影响相当。
图15 列车交会压力波幅值与横截面斜率的关系
Fig. 15 Relationship between pressure magnitude and slope of cross section
图16 列车气动力与横截面型线斜率的关系
Fig. 16 Relationship between aerodynamic loads and slope of cross section
4 结论
1) 列车流线型长度越长，列车交会压力波和气动力幅值均显著减小；当流线型长度由8 m增大到12 m时，交会压力波、侧向力和侧滚力矩分别减小27.0%，39.2%和36.2%。
2) 随着列车头部纵剖面型线上拱，列车交会压力波和气动力幅值呈现增大趋势，但影响较小；当纵剖面型线斜率从下凹的0.505增大到上凸的0.713时，交会压力波、侧向力和侧滚力矩分别增大1.90%，0.65%和0.89%。
3) 随着列车头部水平剖面型线外鼓，列车交会压力波和气动力幅值呈现增大趋势，且影响较大，水平剖面斜率从内收的0.076变化到外鼓的0.184，交会压力波、侧向力和侧滚力矩分别增大12.1%，7.3%和8.5%。
4) 随着列车头部横截面型线加宽，列车交会压力波和气动力幅值呈现增大趋势；当横截面型线斜率从较窄的0.194增大到较宽的0.235时，交会压力波、侧向力和侧滚力矩分别增大4.1%，3.1%和4.0%。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2016-12-13；修回日期：2017-03-10
基金项目(Foundation item)：国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2012AA112001)；中车青岛四方项目(SF/JS-马字-2015-516) (Project(2012AA112001) supported by the National High-Tech Research and Development Program (863 Program) of China; Project (SF/JS-Ma-2015-516) supported by CRRC Qingdao Sifang Co.Ltd.)
通信作者：杜健，博士研究生，高级工程师，从事高速列车车体结构设计与空气动力学研究；E-mail: dujian@cqsf.com
