黄涛+李田+张继业

摘要： 基于三维定常不可压NS方程以及kε两方程湍流模型，分别在无横风和有横风环境下，用有限体积法研究高速列车车头鼻尖不同开闭状态对列车明线运行时气动性能的影响.用FLUENT分析车头鼻尖全开、全闭和半开半闭等3种不同开闭状态的高速列车气动性能，发现车头鼻尖开闭状态对列车侧向力和升力几乎没有影响，但对头车的阻力影响较大，这主要是由于头车鼻尖部分阻力变化较大引起的.在无横风环境下，车头鼻尖开闭状态对头车的气动力矩影响不大，但对尾车的点头力矩有一定影响.在横风环境下，车头鼻尖开闭状态对列车气动力矩影响不大.

关键词： 高速列车； 开闭状态； 横风； 气动性能； 有限体积法； 数值仿真

中图分类号： U270.11；TB115.1文献标志码： B

高速列车贴近地面运行，其长宽比远大于其他交通工具，当运行速度达到300 km/h以上时，其空气阻力分布特性与汽车或飞机相比更为复杂.[14]为减少气动阻力，高速列车头部一般采用三维流线型外形，并将车钩等传统列车上一些外露的设备、装置包裹在车体内部.为满足调车作业、救援抢险和双机联挂时挂钩、拆解的需要，必须将车头鼻尖设计成可开启式，以露出车钩的钩头.[58]动车组头部鼻尖的自动开闭装置主要由开闭机构和玻璃钢前罩构成，动作部分采用气缸驱动，分为开闭气缸和锁紧气缸.开闭气缸完成开闭动作，锁紧气缸完成对机构的锁固，以维持开闭状态.开闭机构的主体框架用螺栓固定在底架上，在主体框架上安装驱动机构.装置各关节采用销轴连接，由气缸的伸缩动作转变为前罩的开关动作.[9]

目前，国内外的研究成果大多针对提高传统列车运行速度和高速列车运行过程中的空气阻力.姚拴宝等[10]对CRH 3型列车各组成部分的气动阻力特性进行统计和归类，给出各部件气动阻力对列车总气动阻力的贡献，并分析列车及其各主要部件的气动阻力分布特性.龚晓波[9]采用数值计算的方法得到自动开闭装置前罩的表面压力分布，并对自动开闭装置的玻璃钢前罩和开闭机构进行结构强度分析，而未对不同开闭状态进行气动性能研究.

目前，列车气动性能的研究往往将流线型部分或者头车视为一个整体，未见有文献研究列车鼻尖开闭机构对列车气动性能的影响.列车鼻尖开闭机构有3种典型的开闭状态：全闭、全开和半开半闭.一般情况下，当列车正常运行时，列车鼻尖开闭机构处于全闭形式，但当列车鼻尖开闭机构出现故障时，可能处于全开或半开半闭状态.因此，研究不同开闭状态的鼻尖开闭机构对高速列车气动性能的影响十分必要.本文采用有限体积法数值模拟无横风和有横风2种环境下不同鼻尖开闭机构的高速列车明线气动性能，研究全开、全闭、半开半闭3种不同鼻尖开闭状态对高速列车气动性能的影响.

1控制方程

当列车的运行速度为300 km/h时，马赫数小于0.3，列车周围流场可视为三维定常不可压缩流场.湍流模型选用标准kε两方程模型，其控制方程[11]为div（ρuφ）=div（Γgrad φ）+S式中：ρ为空气密度；u为流场速度矢量；φ为流场通量；Γ为扩散系数；S为源项.

2计算模型

以某型号高速列车为研究对象，采用3车编组，即由头车、中间车和尾车组成，其长度分别为26.2，25.0和26.2 m，忽略受电弓、转向架和门把手等局部结构，见图1.其中，中间车力矩矩心位于中间车车体中心处，头车和尾车力矩矩心分别位于距离中间车力矩矩心25 m处.列车鼻尖开闭机构的3种典型的开闭状态见图2，其中忽略开闭机构内的连接杆等细部结构.

列车的流场计算区域见图3.在无横风环境下，列车正前方截面为入口边界，设置为速度入口条件；列车正后方截面为出口边界，设置为压力出口条件；列车的正上方、两侧截面设置为对称边界条件.在横风环境下，列车正前方截面和右侧截面为入口边界，设置为速度入口条件；列车正后方截面和左侧截面为出口边界，设置为压力出口条件；列车的正上方设置为对称边界条件.列车表面设置为wall边界；为模拟地面效应，地面边界为无滑移边界条件，地面与列车运动速度一致.图 3计算区域

Fig.3Computational domain

使用ICEM对计算区域进行非结构化网格划分，空间网格采用四面体和三棱柱单元，物面采用三角形单元.对于边界层网格，在车体表面生成的第一层厚度为1 mm，取增长率为1.2，共生成5层边界层网格，与文献[12]提到的边界层网格基本一致.为确定网格对计算结果的影响，通过改变外场和列车表面网格尺寸，建立3种不同的网格方案，得到3种不同网格方案的各车阻力值，见表1，可知，相对于方案2，方案3各车阻力的变化幅度控制在1%内，可以认为当外场最大尺寸为800 mm，列车表面网格最大尺寸为60 mm时，加密网格基本不影响计算结果.考虑到计算时间和精度等因素，网格划分时取外场最大尺寸为800 mm，列车表面网格最大尺寸为60 mm，相应的网格总数约为1 684万个.后续计算均采用此网格参数设置.表 1网格独立性检验

Tab.1Mesh independence test网格方案网格最大尺寸/mm外场列车表面网格总数/

万个头车中间车尾车阻力/N相对变化/%阻力/N相对变化/%阻力/N相对变化/%方案11 000701 0264 7982 028方案2800601 6844 710-1.832 067+1.924 743-2.25方案3600502 3924 672-0.812 061-0.294 724-0.21

3计算结果

3.1无横风环境下的计算结果

头车各部分的受力情况见图4.

（a）鼻尖部分（b）流线型部分（c）非流线型部分（d）头车整体图 4无横风环境下头车受力

Fig.4Forces of head car under noncrosswind environment

由图4可知：鼻尖开闭机构的开闭状态对列车侧向力和升力几乎没有影响.全开状态相对于全闭状态而言，鼻尖部分的阻力增加1 784 N，增大37.52%，头车阻力增加1 558 N，增大33.08%；半开半闭状态相对于全闭状态而言鼻尖部分的阻力增加520 N，增大10.94%，头车阻力增加461 N，增大9.79%.可见，鼻尖开闭机构的开闭状态对头车的阻力影响较大，主要是由于头车鼻尖部分阻力变化较大引起的，且头车阻力的增加幅值和鼻尖部分阻力增加幅值相当.头车和尾车受到的力矩见图5.对于头车而言，鼻尖开闭机构的开闭状态对其侧滚力矩、点头力矩和摇头力矩影响不大.全开状态相对于全闭状态而言，尾车的点头力矩增加1 058 N·m，增大18.75%；半开半闭状态相对于全闭状态而言，尾车的点头力矩增加400 N·m，增大7.09%.由此可见，鼻尖开闭机构的开闭状态对尾车的侧滚力矩和摇头力矩影响不大，但对点头力矩有一定影响.

（a）头车（b）尾车图 5无横风环境下头车和尾车受到的力矩

Fig.5Moments of head car and tail car under

noncrosswind environment

整车压力云图见图6，开闭机构局部放大压力云图见图7.开闭机构处于全闭和半开半闭状态时，最大正压位于头车鼻尖处；处于全开状态时，最大正压位于头车凹陷部分.3种开闭状态的最大负压均位于头车排障器的底部位置.全开状态时头车截面流线见图8.考虑对称性，只取列车一侧截面的流线.在凹陷部位有一个明显的漩涡，且随着与列车中截面y=0距离的增大，涡的中心位置逐渐向外移动，直至在开口两端处形成2个较小的漩涡.（a）全闭（b）全开（c）半开半闭图 6无横风环境下整车压力云图，Pa

Fig.6Pressure contours of whole train under noncrosswind environment， Pa

（a）全闭（b）全开（c）半开半闭图 7无横风环境下开闭机构压力云图，Pa

Fig.7Pressure contours of opening and closing mechanism under noncrosswind environment， Pa

（a）y=0（b）y=-0.4 m（c）y=-0.8 m图 8无横风环境下开闭机构全开时头车截面流线，m/s

Fig.8Sectional streamlines of head car while opening and close mechanism is fully opened under noncrosswind environment， m/s

3.2横风环境下的计算结果

计算时横风风速为20 m/s，头车受到的气动力见图9.

（a）鼻尖部分（b）流线型部分（c）非流线型部分（d）头车整体图 9横风环境下头车受到的气动力

Fig.9Forces of head car under crosswind environment

由图9可知：全开状态相对于全闭状态而言，头车鼻尖部分的阻力增加2 612 N，增大81.52%，头车阻力增加2 377 N，增大258.37%；半开半闭A相对于全闭而言，鼻尖部分的阻力增加359 N，增大11.20%，头车阻力增加371 N，增大40.33%；半开半闭B相对于全闭而言，鼻尖部分的阻力增加475 N，增大14.83%，头车阻力增加449 N，增大48.80%；头车流线型部分和非流线型部分受到的阻力相差不大.可见，鼻尖开闭机构的开闭状态对头车阻力影响最大，主要是由于头车鼻尖部分阻力增加造成的，且头车阻力增加幅度约为鼻尖部分阻力增加幅度的3倍.鼻尖开闭机构的开闭状态对头车受到的侧向力和升力影响不大.整车受到的气动力矩见图10，可以看出，鼻尖开闭机构的开闭状态对列车受到的侧滚力矩、点头力矩和摇头力矩影响不大.

（a）头车（b）中间车（c）尾车

图 10横风环境下整车受到的力矩

Fig.10Moments of whole train under crosswind environment

整车压力云图见图11，开闭机构局部放大压力云图见图12，可知：在开闭机构处于全闭和半开半闭状态B时，最大正压位于头车鼻尖处；在处于全开和半开半闭状态A时，最大正压位于头车凹陷部分.3种开闭状态的最大负压均位于头车排障器的底部位置.开闭机构全开状态时头车截面流线见图13，可知，列车迎风侧截面基本无漩涡产生，在中截面y=0处产生较大的漩涡，且随着与列车中截面y=0距离的增大，涡的中心位置逐渐向外移动，直至背风侧开口端部形成2个较小的漩涡.

（a）全闭（b）全开（c）半开半闭A（d）半开半闭B图 11横风环境下整车压力云图，Pa

Fig.11Pressure contours of whole train under crosswind environment， Pa

（a）全闭（b）全开（c）半开半闭A（d）半开半闭B图 12横风环境下开闭机构压力云图，Pa

Fig.12Pressure contours of opening and closing mechanism under crosswind environment， Pa

半开半闭A和半开半闭B两种模型的阻力和侧向力差距不大.为进一步分析这种现象，以半开半闭A模型为例，将鼻尖凹陷部分命名为headm，非凹陷部分命名为headn，见图14.半开半闭B与半开半闭A的命名方式相同.半开半闭状态鼻尖各部分阻力所占的百分比见图15，可知，A模型凹陷部分的阻力和B模型非凹陷部分的阻力接近，A模型非凹陷部分的阻力和B模型凹陷部分的阻力接近，故两者阻力值相差不大.对于侧向力而言，A模型鼻尖凹陷部分和非凹陷的侧向力各占鼻尖部分总侧向力的一半；B模型非凹陷部分的侧向力几乎和鼻尖部分的总侧向力相当，故两者总侧向力相当.统计各部分的面积情况，其中headm部分的表面积为3.34 m2，headn部分的表面积为6.13 m2，头车表面积为300.96 m2，凹陷部分的表面积占头车表面积的百分比为1.11%.可见，鼻尖打开部分的面积与整体面积相比很小.除阻力以外，鼻尖开闭机构的开闭状态对列车的整体气动性能影响不大.

（a）y=0.8 m（b）y=0.4 m（c）y=0（d）y=-0.8 m（e）y=-0.4 m图 13横风环境下开闭机构全开时头车全开截面流线，m/s

Fig.13Sectional streamlines of head car while opening and close mechanism is fully opened under crosswind environment， m/s

图 14鼻尖部分的命名

Fig.14Names of front nose

（a）半开半闭A（b）半开半闭B图 15鼻尖各部分阻力所占的百分比

Fig.15Drag percentage of front nose4结论

对不同鼻尖开闭状态的某型号高速列车在无横风和横风环境下的气动性能进行数值模拟，得到以下结论：

1）在无横风和横风环境下，鼻尖开闭机构的开闭状态对列车侧向力和升力影响不大，但对阻力影响较大，主要由头车鼻尖部分阻力变化较大引起.

2）在无横风环境下，列车头部鼻尖部分受到的点头力矩相差较大，但对头车整体的点头力矩影响不大.

3）在无横风环境下，鼻尖开闭机构的开闭状态对头车和尾车的摇头力矩和侧滚力矩的影响不大，但对尾车的点头力矩有一定影响.

4）在横风环境下，鼻尖开闭机构的开闭状态对列车受到的气动力矩影响不大.参考文献：

[1]JOSEPH A S. Aerodynamics of highspeed trains[J]. Annu Rev Fluid Mech， 2001， 33（1）： 373414.

[2]DIEDRICH B. Aerodynamic calculation of crosswind stability of a highspeed train using control volumes of arbitrary polyhedral shape[C]//Proc BBAA VI Int Colloquium on： Bluff Bodies Aerodynamics & Appl. Milano， 2008.

[3]BAKER C. The flow around high speed trains[J]. J Wind Eng & Ind Aerodynamics， 2010， 98（67）： 277298.

[4]田红旗. 列车空气动力学[M]. 北京： 中国铁道出版社， 2007： 160161.

[5]聂永红， 刘国伟， 江帆， 等. 高速列车头部端盖开闭机构气压控制回路设计[J]. 铁道机车车辆， 2003， 19（1）： 3941.

NIE Yonghong， LIU Guowei， JIANG Fan， et al. Development of the software of the opening and closing mechanism of the high speed train[J]. Railway Locomotive & Car， 2003， 19（1）： 3941.

[6]聂永红. 流线型列车头部端盖自动开闭机构设计[J]. 机车电传动， 2002（4）： 2224.

NIE Yonghong. Design of automatic openandclose mechanism for front cover of streamlined train head[J]. Electr Drive Locomotives， 2002（4）： 2224.[7]聂永红， 刘国伟， 丁叁叁. 流线型列车头部端盖自动开闭机构选型分析[J]. 中国铁道科学， 2003， 24（4）： 3033.

NIE Yonghong， LIU Guowei， DING Sansan. Analysis on the selection of automatic opening/closing mechanism of the cover of streamlined train head[J]. China Railway Sci， 2003， 24（4）： 3033.

[8]刘国伟， 周炜. 高速列车端盖开闭机构干涉检验中的包络面法[J]. 交通运输工程学报， 2003， 3（1）： 1720.

LIU Guowei， ZHOU Wei. Enveloped surface method in interference detection between opening and closing mechanism of lids of high speed train[J]. J Traffic & Transportation Eng， 2003， 3（1）： 1720.

[9]龚晓波. 动车组自动开闭装置空气动力效应与结构强度分析[D]. 长沙： 中南大学， 2010： 2122.

[10]姚拴宝， 郭迪龙， 杨国伟， 等. 高速列车气动阻力分布特性研究[J]. 铁道学报， 2012， 34（7）： 1823.

YAO Shuanbao， GUO Dilong， YANG Guowei， et al. Distribution of highspeed train aerodynamic drag[J]. J China Railway Soc， 2012， 34（7）： 1823.

[11]YU Mengge， ZHANG Jiye， ZHANG Weihua. Multiobjective optimization design method of the highspeed train head[J]. J Zhejiang Univ： Sci A： Appl Physics & Eng， 2013， 14（9）： 631641.

[12]刘加利， 张继业， 张卫华. 高速列车车头的气动噪声数值分析[J]. 铁道学报， 2011， 33（9）： 2026.

LIU Jiali， ZhANG Jiye， ZHANG Weihua. Numerical analysis on aerodynamic noise of the highspeed train head[J]. J China Railway Soc， 2011， 33（9）： 2026.

（编辑 武晓英）

（a）y=0.8 m（b）y=0.4 m（c）y=0（d）y=-0.8 m（e）y=-0.4 m图 13横风环境下开闭机构全开时头车全开截面流线，m/s

Fig.13Sectional streamlines of head car while opening and close mechanism is fully opened under crosswind environment， m/s

图 14鼻尖部分的命名

Fig.14Names of front nose

（a）半开半闭A（b）半开半闭B图 15鼻尖各部分阻力所占的百分比

Fig.15Drag percentage of front nose4结论

对不同鼻尖开闭状态的某型号高速列车在无横风和横风环境下的气动性能进行数值模拟，得到以下结论：

1）在无横风和横风环境下，鼻尖开闭机构的开闭状态对列车侧向力和升力影响不大，但对阻力影响较大，主要由头车鼻尖部分阻力变化较大引起.

2）在无横风环境下，列车头部鼻尖部分受到的点头力矩相差较大，但对头车整体的点头力矩影响不大.

3）在无横风环境下，鼻尖开闭机构的开闭状态对头车和尾车的摇头力矩和侧滚力矩的影响不大，但对尾车的点头力矩有一定影响.

4）在横风环境下，鼻尖开闭机构的开闭状态对列车受到的气动力矩影响不大.参考文献：

[1]JOSEPH A S. Aerodynamics of highspeed trains[J]. Annu Rev Fluid Mech， 2001， 33（1）： 373414.

[2]DIEDRICH B. Aerodynamic calculation of crosswind stability of a highspeed train using control volumes of arbitrary polyhedral shape[C]//Proc BBAA VI Int Colloquium on： Bluff Bodies Aerodynamics & Appl. Milano， 2008.

[3]BAKER C. The flow around high speed trains[J]. J Wind Eng & Ind Aerodynamics， 2010， 98（67）： 277298.

[4]田红旗. 列车空气动力学[M]. 北京： 中国铁道出版社， 2007： 160161.

[5]聂永红， 刘国伟， 江帆， 等. 高速列车头部端盖开闭机构气压控制回路设计[J]. 铁道机车车辆， 2003， 19（1）： 3941.

NIE Yonghong， LIU Guowei， JIANG Fan， et al. Development of the software of the opening and closing mechanism of the high speed train[J]. Railway Locomotive & Car， 2003， 19（1）： 3941.

[6]聂永红. 流线型列车头部端盖自动开闭机构设计[J]. 机车电传动， 2002（4）： 2224.

NIE Yonghong. Design of automatic openandclose mechanism for front cover of streamlined train head[J]. Electr Drive Locomotives， 2002（4）： 2224.[7]聂永红， 刘国伟， 丁叁叁. 流线型列车头部端盖自动开闭机构选型分析[J]. 中国铁道科学， 2003， 24（4）： 3033.

NIE Yonghong， LIU Guowei， DING Sansan. Analysis on the selection of automatic opening/closing mechanism of the cover of streamlined train head[J]. China Railway Sci， 2003， 24（4）： 3033.

[8]刘国伟， 周炜. 高速列车端盖开闭机构干涉检验中的包络面法[J]. 交通运输工程学报， 2003， 3（1）： 1720.

LIU Guowei， ZHOU Wei. Enveloped surface method in interference detection between opening and closing mechanism of lids of high speed train[J]. J Traffic & Transportation Eng， 2003， 3（1）： 1720.

[9]龚晓波. 动车组自动开闭装置空气动力效应与结构强度分析[D]. 长沙： 中南大学， 2010： 2122.

[10]姚拴宝， 郭迪龙， 杨国伟， 等. 高速列车气动阻力分布特性研究[J]. 铁道学报， 2012， 34（7）： 1823.

YAO Shuanbao， GUO Dilong， YANG Guowei， et al. Distribution of highspeed train aerodynamic drag[J]. J China Railway Soc， 2012， 34（7）： 1823.

[11]YU Mengge， ZHANG Jiye， ZHANG Weihua. Multiobjective optimization design method of the highspeed train head[J]. J Zhejiang Univ： Sci A： Appl Physics & Eng， 2013， 14（9）： 631641.

[12]刘加利， 张继业， 张卫华. 高速列车车头的气动噪声数值分析[J]. 铁道学报， 2011， 33（9）： 2026.

LIU Jiali， ZhANG Jiye， ZHANG Weihua. Numerical analysis on aerodynamic noise of the highspeed train head[J]. J China Railway Soc， 2011， 33（9）： 2026.

（编辑 武晓英）

（a）y=0.8 m（b）y=0.4 m（c）y=0（d）y=-0.8 m（e）y=-0.4 m图 13横风环境下开闭机构全开时头车全开截面流线，m/s

Fig.13Sectional streamlines of head car while opening and close mechanism is fully opened under crosswind environment， m/s

图 14鼻尖部分的命名

Fig.14Names of front nose

（a）半开半闭A（b）半开半闭B图 15鼻尖各部分阻力所占的百分比

Fig.15Drag percentage of front nose4结论

对不同鼻尖开闭状态的某型号高速列车在无横风和横风环境下的气动性能进行数值模拟，得到以下结论：

1）在无横风和横风环境下，鼻尖开闭机构的开闭状态对列车侧向力和升力影响不大，但对阻力影响较大，主要由头车鼻尖部分阻力变化较大引起.

2）在无横风环境下，列车头部鼻尖部分受到的点头力矩相差较大，但对头车整体的点头力矩影响不大.

3）在无横风环境下，鼻尖开闭机构的开闭状态对头车和尾车的摇头力矩和侧滚力矩的影响不大，但对尾车的点头力矩有一定影响.

4）在横风环境下，鼻尖开闭机构的开闭状态对列车受到的气动力矩影响不大.参考文献：

[1]JOSEPH A S. Aerodynamics of highspeed trains[J]. Annu Rev Fluid Mech， 2001， 33（1）： 373414.

[2]DIEDRICH B. Aerodynamic calculation of crosswind stability of a highspeed train using control volumes of arbitrary polyhedral shape[C]//Proc BBAA VI Int Colloquium on： Bluff Bodies Aerodynamics & Appl. Milano， 2008.

[3]BAKER C. The flow around high speed trains[J]. J Wind Eng & Ind Aerodynamics， 2010， 98（67）： 277298.

[4]田红旗. 列车空气动力学[M]. 北京： 中国铁道出版社， 2007： 160161.

[5]聂永红， 刘国伟， 江帆， 等. 高速列车头部端盖开闭机构气压控制回路设计[J]. 铁道机车车辆， 2003， 19（1）： 3941.

NIE Yonghong， LIU Guowei， JIANG Fan， et al. Development of the software of the opening and closing mechanism of the high speed train[J]. Railway Locomotive & Car， 2003， 19（1）： 3941.

[6]聂永红. 流线型列车头部端盖自动开闭机构设计[J]. 机车电传动， 2002（4）： 2224.

NIE Yonghong. Design of automatic openandclose mechanism for front cover of streamlined train head[J]. Electr Drive Locomotives， 2002（4）： 2224.[7]聂永红， 刘国伟， 丁叁叁. 流线型列车头部端盖自动开闭机构选型分析[J]. 中国铁道科学， 2003， 24（4）： 3033.

NIE Yonghong， LIU Guowei， DING Sansan. Analysis on the selection of automatic opening/closing mechanism of the cover of streamlined train head[J]. China Railway Sci， 2003， 24（4）： 3033.

[8]刘国伟， 周炜. 高速列车端盖开闭机构干涉检验中的包络面法[J]. 交通运输工程学报， 2003， 3（1）： 1720.

LIU Guowei， ZHOU Wei. Enveloped surface method in interference detection between opening and closing mechanism of lids of high speed train[J]. J Traffic & Transportation Eng， 2003， 3（1）： 1720.

[9]龚晓波. 动车组自动开闭装置空气动力效应与结构强度分析[D]. 长沙： 中南大学， 2010： 2122.

[10]姚拴宝， 郭迪龙， 杨国伟， 等. 高速列车气动阻力分布特性研究[J]. 铁道学报， 2012， 34（7）： 1823.

YAO Shuanbao， GUO Dilong， YANG Guowei， et al. Distribution of highspeed train aerodynamic drag[J]. J China Railway Soc， 2012， 34（7）： 1823.

[11]YU Mengge， ZHANG Jiye， ZHANG Weihua. Multiobjective optimization design method of the highspeed train head[J]. J Zhejiang Univ： Sci A： Appl Physics & Eng， 2013， 14（9）： 631641.

[12]刘加利， 张继业， 张卫华. 高速列车车头的气动噪声数值分析[J]. 铁道学报， 2011， 33（9）： 2026.

LIU Jiali， ZhANG Jiye， ZHANG Weihua. Numerical analysis on aerodynamic noise of the highspeed train head[J]. J China Railway Soc， 2011， 33（9）： 2026.

（编辑 武晓英）