摘要：伴随城市轨道交通绿色低碳设计理念的发展，整车气动减阻优化设计成为提升城际列车节能环保的关键方法。采用基于Re⁃alizable k-ε的数值计算方法和流体动力学仿真技术，针对某城际列车进行气动阻力分析，并提出了两种气动减阻优化方案，开展气动阻力分布特性对比研究，验证优化方案的减阻节能效果。研究结果表明：列车(车型1)不同构成部分阻力占总阻力的比例关系：车体(80.49%)>转向架(13.97%)>受电弓(5.54%)；不同编组位置阻力系数占比关系：头车(26.06%)>尾车(16.66%)>2车(14.93%)>7车(9.89%)>其他中间车(约8%)；列车在140~200 km/h范围内，3种车型的阻力系数近似为常数；优化前后3种车型整车阻力系数分别为0.898、0.858和0.807，两种优化方案减阻率分别为4.45%和10.13%，能耗降低率分别4.63%和9.86%。

　　关键词：城际列车；气动阻力；数值模拟；减阻；节能

　　Abstract:With the development of green and low-carbon design concept of urban rail transit,aerodynamic drag reduction optimization design has become a key method to improve the environmental protection and energy saving of intercity trains.The aerodynamic drag of an intercity train was analyzed using Realizable k-εnumerical calculation method and computational fluid dynamics simulation technology.Two aerodynamic drag reduction optimization schemes were proposed,and the aerodynamic drag distribution characteristics were compared to verify the drag reduction effect.The results show that the proportion of resistance of different components is as follows:car body(80.49%)>bogie(13.97%)>pantograph(5.54%).The comparison of drag coefficients of different marshalling positions:engine car(26.06%)>tail car(16.66%)>No.2 car(14.93%)>No.7 car(9,89%)>other intermediate cars(about 8%).The resistance coefficient of the three models is approximately constant in the range of 140~200 km/h.The drag coefficients of the three models are 0.898,0.858 and 0.807,and the drag reduction rates of the two optimization schemes are 4.45%and 10.13%,and the energy consumption reduction rates are 4.63%and 9.86%respectively.

　　Key words:intercity trains;aerodynamic resistance;numerical simulation;drag reduction;energy saving

　　0引言

　　城市轨道交通建设对于城市减少污染、节约能源、提升出行速度、方便群众等方面举足轻重，对于生态友好型、资源节约型城市建设新格局、推动绿色低碳发展城市和建设美丽中国至关重要。城际列车是服务于城市与城市以及中心城市与周边城市之间的轨道车辆，具有运行速度快、运输能力大、停站少、污染小、能耗低等优点[1]。伴随着国内城市化进程的快速发展，人们对快速出行的需求不断提升，城际铁路的规划和新建将会逐渐涌现，以满足区域经济快速发展对城市轨道交通的需求，有效解决市民上班、购物、上学、回家等通勤出行要求[2-3]。列车气动阻力系数是衡量列车阻力性能的重要参数之一，降低空气阻力系数可以达到提高列车的运行速度、减少能耗、提高运输效率等目的[4-5]。随着列车运营速度的提升，气动阻力的占比逐渐增加，对列车节能减排起到了关键作用，在列车空气动力学设计过程中，分析气动阻力的成因及分布，从而降低列车的气动阻力，成为列车节能环保设计的关键问题之一[6]。国内外研究学者针对列车气动减阻设计与优化开展了大量的仿真和实验研究[7-14]。杨志刚等[9-10]研究了明线运行时高速列车底部结构对阻力特性的影响。孙志昆等[6]通过仿真分析研究了列车长度和受电弓布置对高速动车组空气阻力的分布和优化的影响。Wang等[11]研究了高速列车通过不同横截面隧道时气动阻力和瞬时压力变化。Heine等[12]研究了高速铁路隧道内空腔形状和尺寸对压力波和阻力的影响，并提出了高速动车组气动减阻一系列有效方案与建议。

　　城际列车运行速度处于地铁列车和高速动车组之间，其气动阻力的分布以及对列车节能环保的影响如何，目前开展的研究工作较少。本文以某城际列车为研究对象，提出了两种气动减阻优化方案，并基于数值仿真和风洞实验，分析两种减阻方案气动阻力的分布特性，评估头型优化调整以及裙板设置对气动阻力的影响，为城际列车减阻节能提供理论基础和优化方向。

　　1数值模拟方法及验证

　　1.1数值计算模型

　　城际列车明线运行导致的气流运动，是具备黏性、可压缩性非定常的三维湍流流动，遵守质量、能量和动量三大守恒定律[14]。

　　质量守恒定律：

      由式(1)~(4)建立的可压缩流体流动方程组，共6个独立的方程。6个独立未知量ρ、p、T和ui的3个分量在层流情况下方程组封闭。

　　1.2几何模型

　　文中采用8车编组，头车+6节中间(2车~7车)+尾车，受电弓在2车和7车，城际列车数值模拟计算具体模型如图1所示，命名为车型1。

　　1.3数值计算区域与边界

　　考虑气流流场与绕流的充足发展，计算域宽度与高度的大小需远大于车体尺寸，本次数值计算域的宽度和高度分别选取80 m和40 m。为了便于给定计算域入口和出口的边界条件，入口和出口截面位置需远离车体，以避免受到列车绕流的影响，列车头部距入口边界95 m，列车尾部距出口240 m，如图2所示计算域入口定义为速度入口(Velocity-inlet)，按仿真工况计算要求，给定不同的列车车速，以均匀来流设置X向的速度，即给定X向流速，Y、Z向的速度均为0；计算域出口截面定义为压力出口(Pressure-outlet)，设置静压等于0；计算域的两侧以及顶面定义为对称边界(Symmetry)；列车表面设置为无滑移的壁面(Wall)，地面定义为移动壁面(Moving-wall)，设置为与入口边界相同的速度，以模拟列车与地面间的相对运动。

　　1.4网格无关性验证

　　采用Openform对计算域进行网格划分，对数值计算区域进行离散，为确保使用的网格精度对数值结果影响尽可能的小，采用3种密度的网格(粗糙、中等和精细)进行网格无关性验证，其网格离散计算模型(局部)如图3所示。

　　3种不同网格密度下，头车的阻力系数对比如表1所示。不同精度的网格下，头车气动力系数的差异较小，其中粗糙网格的头车气动阻力系数误差最大为1.5%，精细网格误差为0.1%，均小于2%，选取中等网格密度以满足网格的无关性验证。

　　1.5试验验证

　　本次用于验证的风洞试验数据基于城际列车模型在中南大学风洞实验室中采集。试验段下部设置带转动盘的转动装置，并将试验测试段改造为长15 m、宽3 m、高3 m、有效测试面积为9 m2的城际列车试验专用段，风速范围0~94 m/s，湍流度不大于0.5%，该风洞实验室的试验段具备面积大，设计流场风速高、品质好等特点[15]。实验列车模型缩比采用1∶16.8，如图4所示。

　　对比风洞试验和仿真计算数据，城际列车的气动阻力系数对比，如表2所示。列车阻力系数仿真与实验结果吻合较好，其中头、中、尾车仿真计算值与风洞试验值误差分别为3.45%、4.93%和5.75%，均小于6%，整车的阻力误差小于2%，仿真计算算法可满足实际精度的需要。

　　2数值计算结果分析

　　2.1气动阻力数值分析

　　城际列车运行速度高，空气阻力占比较大，直接影响列车能耗。当列车以不同速度运行时，8节编组列车中不同部件所受阻力系数如表3所示。

　　当列车以不同速度明线工况运行时，各节车总阻力(包括车体、转向架及受电弓阻力)系数与列车运行速度的关系如图5所示；各节车总阻力占整列车所受阻力的百分比如图6所示；列车不同部件所受阻力占整列车所受阻力的百分比如图7所示。

　　由图5~7可知，各节车所受阻力系数和所受阻力占动车组总阻力的百分比、不同部件所受阻力占动车组总阻力的百分比均与列车运行速度无关，基本呈一定值。当列车运行速度在140~200 km/h范围内，阻力系数可近似为常数，与列车运行速度无关。各节车所受总阻力占整列车所受阻力的关系：头车>尾车>2车>7车>3车>4车>6车>5车，其中头车和尾车分别为26.06%和16.66%。不同构成部分阻力占总阻力的比例关系：车体(80.49%)>转向架(13.97%)>受电弓(5.54%)，车体阻力是气动阻力的最大组成部分。

　　2.2气动减阻优化设计分析

　　基于车型1对不同车型和不同部件阻力系数占比分析可知，头车和尾车阻力系数占比较大，同时车体和转向架阻力是整车阻力的主要构成部分。基于以上分析，提出了两种气动减阻优化方案：(1)在车型1的基础上，优化流线型头型(优化头型纵向轮廓控制线)，命名为车型2。(2)在车型2的基础上，增加转向架区域裙板，命名为车型3，如图8所示。

　　3种不同车型在不同速度等级下的阻力系数对比如表4所示；不同部位阻力系数对比如表5所示。当动车组160 km/h明线运行时，车型1、2、3动车组各节车的总阻力系数值(包括车体、转向架及受电弓阻力)及各个部位的阻力构成百分比如图9所示。

　　由以上分析可知，当列车速度在140~200 km/h范围内，3种车型动车组的阻力系数可近似为常数，与列车运行速度无关，优化车型2和优化车型3的阻力系数分别为0.858和0.807，减阻率分别为4.45%和10.13%，通过某线路的能耗仿真分析，对应能耗降低率分别4.63%和9.86%。车型2动车组车体所占比例为79.09%，小于车型1的80.49%和车型3的88.41%。车型2动车组转向架所占比例为15.17%，大于车型1动车组转向架所占比例13.97%和车型3动车组转向架所占比例5.64%。3种车型受电弓所占比例分别为5.54%、5.72%和5.95%，基本相同。3种车型动车组的头车总阻力系数最大，尾车总阻力系数次之，2车上降弓的阻力系数比7车上升弓的阻力系数稍微大一点。尾车车体阻力小于头车车体阻力，中间车车体阻力均小于头车和尾车车体阻力。

　　3结束语

　　本文基于某城际列车开展气动阻力特性分析，提出了两种气动减阻优化方案，并开展气动阻力分布特性优化研究，得出以下结论。

　　(1)当列车速度为140~200 km/h，3种车型动车组的阻力系数可近似为常数，与列车运行速度无关，优化车型2和优化车型3的阻力系数分别为0.858和0.807，减阻率分别为4.45%和10.13%，能耗降低率分别4.63%和9.86%。

　　(2)车型1各节车所受阻力系数和所受阻力占动车组总阻力的百分比、不同部件所受阻力占动车组总阻力的百分比均与列车运行速度无关，基本呈一定值。各节车总阻力占整个动车组所受阻力的关系：头车>尾车>2车>7车>3车>4车>6车>5车，其中头车和尾车分别为26.06%和16.66%。不同构成部分阻力占总阻力的比例关系：车体(80.49%)>转向架(13.97%)>受电弓(5.54%)。

　　(3)车型2动车组车体所占比例为79.09%，小于车型1的80.49%和车型3的88.41%；车型2动车组转向架所占比例为15.17%，大于车型2动车组转向架所占比例13.97%和车型3动车组转向架所占比例5.64%；3种车型受电弓所占比例分别为5.54%、5.72%和5.95%，基本相同。

　　(4)3种车型动车组的头车总阻力系数最大，尾车总阻力系数次之，2车上降弓的阻力系数比7车上升弓的阻力系数稍微大一点。尾车车体阻力小于头车车体阻力，中间车车体阻力均小于头、尾车车体阻力。

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