高速列车底部结构的空气动力学模型研究邱英政 徐宇工 王艳丽（北京交通大学机械与电子控制学院，北京，100044）摘 要：本文提出了简化的高速列车底部结构模型，并利用国际上通用的流体力学计算软件FLUENT作为研究工具，对不同工况下的列车外部流场、列车所受气动力等进行了数值模拟计算分析，最后将计算结果与风洞实验结果及无底部结构空气动力学模型的数值模拟计算结果进行比较分析。
结果证明，本文所提出模型不但可行，而且还具有简单、有效、适用范围广等优点。
关键词：高速列车空气动力学模型底部结构数值模拟计算1．前言随着高速铁路的出现，列车行驶速度的不断提高，列车的空气动力学问题也变得日益突出。
空气动力学研究对于降低列车的气动阻力、提高它的气动性能、节省动力能源、降低运输成本都具有极其重要的作用[2]。
随着计算机技术和计算方法的发展，数值模拟计算以试验研究所不具备的各种优势，逐渐得到了广泛地应用，数值模拟技术成为了现代工程学形成和发展的重要动力之一。
目前，在国内外很多科研单位都已经开展了高速列车气动性能数值模拟研究，但在对列车底部复杂结构的简化处理过程中，目1前的做法基本上都是采取的直接去掉底部结构，降低列车底部缝隙高度来获得与实验研究所测等效阻力、升浮力的方法，这种方法在列车受到强侧风作用时，其升浮力的计算值与试验值差异很大[1]。
因此有必要研究出一种更为有效的高速列车底部结构的空气动力学模型，以获得更准确的数值模拟计算结果。
2．高速列车模型选取及底部结构简化2.1．模型的选取本文采用中南大学设计的270km/h高速列车双拱流线型车体外形为计算对象，该车车头形状参见图1，车身断面参见图2所示，其外形设计满足《高速列车空气动力外形设计、计算及试验暂行技术条 件》[3]。
高速列车的外形复杂且长细比大，受计算机处理能力限制，对列车模型进行如下简化：列车长度缩短为两动一拖；去掉列车外部突出物；去掉底部结构，添加底部结构空气动力学模型。
作者简介：邱英政（1983-），男，湖南常德人，硕士生图1 270km/h 高速列车车头形状图[3] 图2 270km/h 高速列车车身断面图[3]2.2底部结构空气动力学模型的构想本文所构想的底部结构模型为，去掉底部转向架等复杂结构，保持车厢底部与轨面的实际高度。
在列车模型底面与轨道面之间沿列车长度方向在轨道线上方创建多个面单元，列车头尾部底部空间建立沿列车宽度方向也建立多个面单元（如图3所示）， 在模拟计算时可以通过调整这些面单元（挡块）的属性，即壁面或者内部虚面来改变横风和列车风在列车底部的流通面积，来模拟列车运行时底部结构所造成的阻力，不同的流通面积对应于不同型号的列车或不同型号的转向架。
图3 高速列车底部结构物理模型示意图3．控制方程及应用软件当列车高速运行时，其周围空气流动通常为湍流。
高速列车湍流流场内流体性质为粘性、不可压缩、定常、绝热。
对应流场的时均方程组包括：连续性方程、动量方程（x、y、z 三个方向）、k 方程、ε方程共六个方程组成。
本文运用的是成熟的商业计算流体软件FLUENT 进行研究工作。
采用非结构网格与结构化网格相结合的混合网格和有限体积法分别对区域和方程进行离散，流场采用非耦合求解器进行求解。
其计算精度和稳定性都优于传统编程中使用的有限差分法[1]。
4．计算区域、边界条件及网格划分4.1 计算区域在本文的计算中，流场计算模型参照同类计算，如图所示，选取长度为420m，宽度为60m，高度为35m 的一个大空间，列车头部鼻尖处离计算域前端边界距离取100m，尾部离计算域后端边界距离取250m，左右对称布置。
4.2边界条件入口边界：列车风和侧风速度入口；出口边界：为根据连续方程得到的与入口边界对应的出口边界；列车表面：壁面边界；地面边界：滑移边界；底部结构：壁面边界。
4.3 计算网格采用非结构网格对列车头尾部区域及外部流场进行离散，表面为三角形网格，空间为四面体网格，车身部分采用结构化网格，车体表面添加边界层。
最终情况为：节点数883013个，体网格数1998416个，网格之间通过节点连接，如图4、5所示：图4 列车头部的网格划分 图5 远离列车区域的网格划分5．计算结果及对比分析中南大学于2001年1、2月份在中国空气动力研究与发展中心低速所8mX6m风洞进行了270km/h 电动车组模型试验[3]；北京交通大学硕士研究生王璐雷于2004-2005年进行了强侧风作用下的高速列车数值模拟研究[1]。
本文在车速为270km/h,横风速度分别为0和15m/s时，根据前文所建立底部结构物理模型，调整不同的方案，对整车进行外流场进行分析，然后将模拟计算结果与风洞实验结果及不考虑底部结构的数值模拟计算结果进行对比分析，最终选择了一种最为恰当的底部面单元组合（图6）作为本次研究的最终模型，从而得到高速列车底部结构的空气动力学模型。
图6 高速列车底部结构空气动力学模型物理模型示意图由于列车所受其动力主要是由于列车各表面所受压力差引起，改变底部结构主要影响了底部压力场，而对列车前后和侧面压力影响很小，故本文主要对列车所受升浮力进行分析。
如下为计算结果及比较分析情况：表1：风洞试验与有、无底部结构空气动力学模型数值模拟计算升浮力（KN）比较横风速度为0 横风速度为15m/s 数据来源头车拖车尾车整车头车拖车 尾车 整车风洞试验 -2.93-1.328.72 4.4720.9028.23 24.33 73.46无底部结构数值模拟计算 -9.170.5113.38 4.72-19.4118.10 25.80 24.49本文模拟计算 -3.210.9010.718.4016.2433.47 36.30 86.01由表1中数据可以看出：添加底部结构空气动力学模型后，对于升浮力的影响非常显著，虽然对于整车仍然有一定的差距，但对于每一节车厢受力情况都已经基本接近，尤其是对于头车，在受到侧风作用时，真实地反映了列车的受力情况，对于高速列车的数值模拟计算教务底部结构空气动力学模型起到了改进作用。
从对不同模型计算后选择情况来看，本文所的研究结果与实际列车的组成结构接近，具有真实性。
（如图6所示）。
本文所的高速列车底部结构空气动力学模型为将列车底部缝隙高度调节至与实际列车底板离地高度相等，在列车每节车厢转向架位置建立一个上下封闭的面单元，该面单元为不透风壁面，相当于一块挡板，宽度与转向架长度接近，为单节车厢长度的1/4，左右对称，前后对称，壁面表面粗糙度为0.01。
6．结论通过前文的说明可知：对高速列车进行空气动力学问题研究必须考虑其底部结构。
对于不同型号、不同结构的任何满足设计要求的高速列车底部结构空气动力学模型有以下构建办法： （1）去掉底部复杂结构；（2）调整底部缝隙高度：根据实际的高速列车地板与地面距离选择适当的缝隙高度，以得到与真实列车等效受力情况；（3）调整底部侧面挡板的面积：通过改变该面积可以改变列车的气动力受力情况；（4）调整底部侧面挡板的位置：挡板位置的不同也可以从很大程度上改变列车的受力情况。
为了与实际情况接近，应该做到左右对称、前后对称。
综合以上几个方面的考虑，在对高速列车空气动力学进行数值模拟研究时，可以进行预先调整、试算，选择合适的底部结构空气动力学模型，为后续计算打下良好的基础。
参考文献1.王璐雷. 高速列车在强侧风作用下的气动性能数值模拟研究[硕士论文].北京交通大学,20052.王懋勋. 我国高速列车气动力研究进展. 第四届全国风工程及工业空气动力学学术会议论文集3.梁习锋、许平、田红旗等. 高速列车气动性能与外形技术设计说明书. 中南大学. 2001.An aerodynamic model of bottom structuresof high-speed trainsQIU Yingzheng XU Yugong WANG Yanli(School of MECE, Beijing Jiaotong University, Beijing, 100044)Abstract: This paper simplifies the bottom structures of the high-speed trains, analyzes flow field and aerodynamic force around the train in different working conditions by using FLUENT which is the popular software of the computational fluid dynamics (CFD). This paper also compared the result of this numerical simulation experiment and the numerical simulation experiment without aerodynamic model bottom structures and the wind tunnel experiments. The ideal model is worked out and generally promoted to other different trains using the result of this paper. It is believed that the result of the research laid a good foundation for the research of the aerodynamic analysis on the high speed-trains in the future.Key words: high speed train aerodynamics model bottom structures numerical simulation。