强侧风作用下客车车体气动外形优化
张洁，梁习锋，刘堂红，逯林锋
(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)
摘 要：
压N-S方程和k-ε双方程湍流模型，利用有限体积法分别对不同截面形状车体在不同风速、不同风向角以及不同车速工况下的气动性能进行模拟。研究结果表明：在不同横风风速下，车体气动力均随着横风风速的增大而增大，而气动力系数基本保持不变；在不同风向角下，车体气动力随着风向角的增加而增大；当风向角增加到75°时，气动力增长率变小，气动力系数也是随风向角的增加而增大；在不同车速下，车体的气动力随车速的增大变化不大，但气动力系数随车速的增大反而减小。
关键词：
中图分类号：U270 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)11-3578-07
Optimization research on aerodynamic shape of passenger car body with strong crosswind
ZHANG Jie, LIANG Xi-feng, LIU Tang-hong, LU Lin-feng
(Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education,
School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)
Abstract: Using three-dimensional, steady, incompressible Navier-Stokes equation and k-ε double equations turbulent model to simulate 3 cross-section shape car aerodynamic characteristics at different wind speeds, yaw angles and vehicle speeds, finite volume method was adopted to optimize the aerodynamic shape. The results show that at different wind speeds, aerodynamic forces increase with the increase of wind speed, but the coefficients are basically unchanged. The aerodynamic forces and the coefficients also become bigger with the increase of yaw angle, however, when the yaw angle reaches 75°, the growth rate is very low. At different vehicle speeds, aerodynamic forces are almost the same, while the coefficients decrease with the increase of the vehicle speed.
Key words: passenger car; strong crosswind; aerodynamic shape optimization
在强侧风作用下，列车受到了较大的气动横向力和升力，有可能导致列车脱轨倾覆，直接影响着列车的安全[1-4]。对于一些特殊的风环境如特大桥梁、高架桥、路堤等路段，列车的绕流流场改变更加突出，气动力增大，导致列车脱轨、翻车的可能性大大增加[5-7]。在我国，亚欧大陆桥重要通道的兰新线(甘肃兰州—新疆乌鲁木齐)穿越新疆大风戈壁地区，自然条件十分恶劣，其150 km风区瞬时最大风速达64 m/s，约为12级风的2倍[8]。自通车以来，屡次发生列车被吹翻的重大事故[9]。在大风季节，由于风力过大，迫使客车经常停开，大批旅客被滞留，给旅客出行带来极大不便，严重制约了西部经济的发展。为加强客车在强侧风下作用下的运行安全稳定性，优化客车车体气动外形是很有必要的[10-14]。在此，本文作者主要研究不同截面车体在不同风速、风向和车速下的气动性能，从而得到气动外形较好的截面形状车体。
1 数值计算理论基础
采用稳态、三维不可压N-S方程和工程上常用的k-ε双方程湍流模型，基于控制方程[15](质量守恒方程、动量守恒方程、湍流动能方程和湍流耗散率方程)，运用大型流体数值计算软件Fluent对强侧风作用下客车车体的气动性能进行模拟分析。
2 数值计算模型
2.1 模型的简化与假设
(1) 客车是近地运行的庞大细长物体，为了在相同条件下比较不同横断面车体气动性能，排除不同车头形状对车体的影响，客车车体长度取足够长。
(2) 在自然环境下，客车所受到的强侧风是随时间和空间变化的，但研究客车的横向稳定性时，通常只关注客车受到的最大横向力和倾覆力矩，因此，计算时，在速度入口加入均匀来流，其值为最大横风风速[10-11]。
(3) 简化车体表面结构。车灯、把手、受电弓等突出物细部结构以及转向架，这些结构所占空间相对于车体总体积来说较小。在考虑车体气动性能时，可以忽略细部结构的影响，同时将转向架与车体合并为一体。
(4) 空气为不可压缩流体。强侧风速度一般不会大于65 m/s，马赫数小于0.3，因此，空气可视为不可压缩流动。
2.2 几何模型
为了分析不同截面形状车体的气动性能，设计了多种截面进行比较。这里选用3种典型截面车体进行分析，其车体横截面形状如图1所示。
2.3 计算区域
为排除头尾车形状对车体的影响，计算时假设车体足够长。取中间1节车体进行研究，长度为25 m，计算区域如图2所示。
2.4 计算网格
对中间车体进行重点模拟分析。针对车体近壁层采用附面层网格进行网格细化，对远离研究车体的网格进行稀疏网格划分，密网格和稀疏网格之间以一定的增长因子均匀过渡，这样，既保证了计算精度，又减少了网格总数，加快了计算的收敛速度。车体表面单元为四边形网格，体单元为结构六面体网格。计算模型总网格数约为212万，车体表面网格如图3所示。
2.5 边界条件
图2中，面ABFE为速度入口边界，给定来流速度；面CDHG为压力出口边界；面AEHD和BFGC为对称边界；底面ABCD给定与车速相反的滑移边界；车体表面、域的顶面(EFGH)按光滑壁面处理，给定无滑移边界。
图1 3种横断面形状图
Fig.1 Three cross-sections
图2 计算区域
Fig.2 Calculation zone
图3 车体表面网格
Fig.3 Mesh of car surface
3 数值模拟计算结果与分析
3.1 列车气动性能参数定义
在强侧风作用下，列车的横向力、升力、倾覆力矩是评价列车气动性能的重要因素。为了分析方便，引入列车空气横向力系数Cy、升力系数Cz和倾覆力矩系数mx等无量纲参数[11]，其表达式为：
式中：q表示动压，
；vt为列车运行速度；v w为横风风速；Fy为横向力；Sy为参考面积，这里取客车侧向投影面积。
对应升力系数
(Fz为升力，Sz为客车水平投影面积)；倾覆力矩系数
(ly为风压中心参考高度，这里取2 m)。
3.2 不同横风风速下车体气动性能分析
对于不同横风风速下车体的气动性能分析，选取风向角为90°，风速分别为20.7，24.4，28.4，32.6，40.0和50.0 m/s共6种工况进行分析，列车处于静止状态。表1所示为3种不同横断面车体在不同横风风速下部分工况的横向力、升力、倾覆力矩以及其系数计算结果；图4和图5所示分别为3种不同截面车体的倾覆力矩与倾覆力矩系数随横风风速的变化曲线。分析表1可知：
(1) 在不同风速横风下，截面1的横向力最大，截面3的最小，截面2的横向力介于二者的横向力之间；截面2的升力最大，截面1与截面3的升力接近；截面2的倾覆力矩最大，截面3的最小。综合对以上3种不同横断面车体的分析，在相同风向角、不同风速工况下，截面3的气动性能较好。
表1 不同横风风速下3种横断面车体横向力、升力、倾覆力矩及其系数
Table 1 Calculation results of aerodynamic forces and coefficients under different wind speeds
图4 倾覆力矩随横风风速变化曲线
Fig.4 Variation of overturning moment acting on car with wind speed
图5 倾覆力矩系数随横风风速变化曲线
Fig.5 Variation of overturning moment coefficient acting on car with wind speed
(2) 在不同横风风速下，截面1的横向力系数比截面2和截面3的大，截面3的横向力系数最小；截面2的升力系数最大，截面1和截面3的升力系数较接近；截面1和截面2的倾覆力矩系数较接近，截面3的最小。
(3) 在不同横风风速下，3种横断面车体的横向力、升力、倾覆力矩均随着横风风速的增大而增大。而随着横风风速的变化，3种横断面车体的横向力系数、升力系数、倾覆力矩系数基本不变。
图6~8所示分别为截面3在横风风速为32.6 m/s时横剖面的压力分布、速度矢量图和流线图。从图6~8可知：在车体的迎风面产生了正压，背风侧产生了负压。车体的顶部和底部均为负压，同时在车体顶面与迎风面过渡处及底面的中间位置处分别形成了一个强负压区。车体顶面拐点处，流速明显加大。在车辆的背风侧有旋涡产生，因此，车辆受到较大的横向力。
图6 横剖面压力分布
Fig.6 Pressure distribution of cross-section
图7 横剖面速度矢量分布
Fig.7 Vector distribution of cross-section
图8 横剖面流线图
Fig.8 Stream trace of cross-section
3.3 不同风向角下车体气动性能分析
表2所示为3种横断面车体在风速为32.6 m/s、列车处于静止、不同风向角(横风风向与客车行驶反方向之间的夹角)下部分工况的横向力、升力、倾覆力矩及其系数计算结果；图9和图10所示为3种横断面车体在风速为32.6 m/s、不同风向角下的倾覆力矩和倾覆力矩系数随风向角的变化曲线。
表2 不同风向角下3种横断面车体横向力、升力、倾覆力矩及其系数
Table 2 Calculation results of aerodynamic forces and coefficients under different yaw angles
分析表2、图9和图10可见：
(1) 在不同风向角下，截面1的横向力最大，截面3的最小；截面2的升力最大，当风向角为15°，30°，45°和60°时，截面3的升力比截面1的略大，但当角度为75°和90°时，截面3的升力比截面1的小；截面2的倾覆力矩最大，截面3的最小。综合以上不同横断面车体在不同风向角下的气动性能分析，截面3气动性能较好。
图9 倾覆力矩随风向角变化曲线
Fig.9 Variation of overturning moment acting on car with yaw angle
图10 倾覆力矩系数随风向角变化曲线
Fig.10 Variation of overturning moment coefficient acting on car with yaw angle
(2) 在不同风向角下，截面1的横向力系数比截面2和截面3的大，截面3的横向力系数最小；截面2的升力系数最大，截面1和截面3的升力系数较接近；截面1和截面2的倾覆力矩系数较接近，均比截面3的大。
(3) 在不同风向角下，3种横断面车体的横向力、升力、倾覆力矩及其系数均随着风向角的增大而增大；当风向角增加到75°后，横向力、升力、倾覆力矩的增长率变小。
表3 不同车速下3种横断面车体横向力、升力、倾覆力矩及其系数
Table 3 Calculation results of aerodynamic forces and coefficients under different vehicle speeds
3.4 不同车速下车体气动性能分析
表3所示为横风风速为32.6 m/s时，3种不同横断面车体在不同车速下的横向力、升力、倾覆力矩以及其系数计算结果；图11和图12所示为3种横断面车体在横风风速为32.6 m/s、不同车速下的倾覆力矩和倾覆力矩系数随车速的变化曲线。从表3、图11和图12可见：
(1) 在不同车速下，截面1的横向力最大，截面3的最小；截面2的升力最大，截面1的最小，截面3的升力介于二者升力之间；截面2的倾覆力矩最大，截面3的最小。可见，不同车速下截面3的气动性能最好。
(2) 在不同车速下，截面1的横向力系数最大，截面3的最小；截面2的升力系数最大，截面3的次之，截面1的最小；截面1的倾覆力矩系数最大，截面3的最小。
图11 倾覆力矩随车速变化曲线
Fig.11 Variation of overturning moment acting on car with vehicle speed
图12 倾覆力矩系数随车速变化曲线
Fig.12 Variation of overturning moment coefficient acting on car with vehicle speed
(3) 在不同车速下，3种横断面车体的横向力、升力、倾覆力矩随车速的增大变化不大；而3种横断面车体的横向力系数、升力系数、倾覆力矩系数随车速的增大而减小。
4 结论
(1) 客车车体截面形状与列车横向稳定性有直接的联系，采用数值模拟方法对车体截面在不同风速、风向和车速下的气动性能进行优化研究，十分方便、快捷、有效，在很大程度上克服了实车试验准备周期长、耗资大等缺点。
(2) 车体高度对列车的横向力、横向力系数、倾覆力矩以及倾覆力矩系数影响较大，车体越高，横向稳定性越差。
(3) 车体横向稳定性受横风风速、风向影响，随着风速、风向角的增大，列车横向稳定性逐渐降低。
(4) 在不同车速下，3种横截面车体的气动力随车速变化不大，但气动力系数随车速增加而减小。
(5) 在强侧风作用下，截面3的气动性能比截面1和截面2的好。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2010-11-11；修回日期：2011-02-05
基金项目：铁道部科技研究开发计划重大课题(Z2008-031)
通信作者：梁习锋(1963-)，男，湖南长沙人，教授，从事列车空气动力学研究；电话：0731-82655294；E-mail: gszx@csu.edu.cn
摘要：采用三维、不可压N-S方程和k-ε双方程湍流模型，利用有限体积法分别对不同截面形状车体在不同风速、不同风向角以及不同车速工况下的气动性能进行模拟。研究结果表明：在不同横风风速下，车体气动力均随着横风风速的增大而增大，而气动力系数基本保持不变；在不同风向角下，车体气动力随着风向角的增加而增大；当风向角增加到75°时，气动力增长率变小，气动力系数也是随风向角的增加而增大；在不同车速下，车体的气动力随车速的增大变化不大，但气动力系数随车速的增大反而减小。
