1、第 20 卷 第 4 期2023 年 4 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 4April 2023全隧道高速市域动车组气动外形优化研究刘慧芳1，李雪亮3，施柱1,2，朱颖谋1,2，罗一翔2(1.大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室，湖南 株洲 412001；2.中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412001；3.中南大学 轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙 410075)摘要：受限于城市空间，市域动车组往往存在较长的高阻塞比隧道运行区间。随着城市轨道交通运营速度等级的提高，
2、匹配较高速度等级与隧道运行高阻塞比的外形优化减阻技术亟待展开。采用三维稳态、可压缩雷诺时均N-S方程和SST k-w双方程湍流模型，研究不同头型市域动车组列车在无限长高阻塞比隧道内以200 km/h运行时的气动阻力分布情况，并提出合理的优化头型选型方案。所选数值方法通过风洞试验验证了其准确性。研究结果表明：对于在高阻塞比隧道中运行的市域列车，尾车表面负压较大，列车阻力分布整体呈现尾大头小，各节车厢阻力系数分布为：尾车头车中间车1中间车2，分别占比约50%，26%，14%和10%。采用的头型方案中，方案3的气动阻力性能最优，相对于原方案其气动阻力降低7%。列车头型的变化对顶部气流影响较小，而底部
3、排障器的导流设计对底部转向架区域的气流影响较大。最后，结合不同头型列车的外形特征与阻力分布情况，总结得出了高阻塞比隧道内运行时低阻头型造型的基本特点与建议：适当提高鼻尖高度，并将排障器、头部两侧设计成向上导流、增加其流线型长度。关键词：计算流体力学；市域动车组；地铁隧道；气动优化；造型准则中图分类号：U266.2 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）04-1180-09Research on aerodynamic shape optimization of high-speed urban EMU with full tunnelLI
4、U Huifang1,LI Xueliang3,SHI Zhu1,2,ZHU Yingmou1,2,LUO Yixiang2(1.State Key Laboratory of Heavy Duty AC Drive Electric Locomotive Systems Integration,Zhuzhou 412001,China;2.CRRC Zhuzhou Locomotive Co.,Ltd.,Zhuzhou 412001,China;3.Key Laboratory of Traffic Safety on Track of the Ministry of Education,C
5、entral South University,Changsha 410075,China)Abstract:Limited by the urban space,urban Electric Multiple Units(EMU)often have long tunnel operation intervals with a high blocking ratio.With the improvement of the speed grade of urban rail transit operation,the shape-optimized drag reduction technol
6、ogy that matches the higher speed grade and the high blocking ratio of tunnel operation needs to be developed urgently.This study used the three-dimensional steady-state and 收稿日期：2022-04-19基金项目：湖南省重点研发计划项目(2022WK2013)通信作者：李雪亮(1994)，男，上海人，博士研究生，从事列车空气动力学研究；E-mail：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20220777第
7、4 期刘慧芳，等：全隧道高速市域动车组气动外形优化研究compressible N-S equation,and SST k-w turbulence model to investigate the aerodynamic drag of urban EMU running at 200 km/h in the tunnel.The selected numerical method was verified by the wind tunnel test.The results show that a large negative pressure is found on the tail
8、 car for large blocking ratio condition in the tunnel,and generally the drag distribution of the train is large at the tail and small at the head.The distribution of drag of each car is tail carhead carmiddle car 1middle car 2,accounting for about 50%,26%,14%and 10%respectively.The optimal aerodynam
9、ic drag performance is obtained for the proposed scheme 3,with 7%reduced aerodynamic drag compared with the original scheme.The change of train head shape has small impact on the top air flow,and the diversion design of the locomotive cowcatcher plays a significant role on the air flow at the bottom
10、 bogie area.Combined with the shape characteristics and resistance results,the design criterion of urban EMU based on aerodynamic under the present operating conditions are summarized:appropriate increment the height of nose tip,upward guiding design of the cowcatcher and both sides of head.Key word
11、s:computational fluid dynamics;Urban EMU;subway tunnel;aerodynamic optimization;modeling criterion 市域铁路作为一种集约高效、安全可靠、经济便捷的交通方式，对支持和促进市域发展，优化城市功能布局，疏解中心城职能有重要的引导意义1。有研究表明：列车若从 80 km/h 提速到200 km/h，气动阻力将增加 35倍24。市域动车组在城市通勤过程中常采用全隧道运行，隧道尺寸较高速铁路更小，阻塞比更大，导致列车附近气流扰动更为严重，带来较大的气动阻力。CHOI等5针对GTX高速地铁构想的研究表明，当隧道
12、阻塞比为 0.3 时，空气阻力约为明线工况的 2.8 倍。气动阻力增大引起的列车能耗，严重影响到下一代市域列车所追求的经济和环保特性6。目前针对列车空气动力学问题的研究主要以高速列车为主79。田红旗10系统研究了列车流线型头部外形参数对列车气动性能的影响，得到用于估算阻力、压力的系列经验公式。周丹等11对国产磁悬浮列车头型进行了优化，得到扁长型头部外形气动阻力性能最优的结论。孙振旭等7对高速列车等的气动外形进行优化研究，讨论流线型列车头部结构的设计方法。姚拴宝等12基于网格变形算法开展了列车头型的三维气动减阻研究，达到了整车减阻5.41%的良好效果。何娇等13以简化模型为研究对象，构建了列车头
13、部关键设计参数-气动阻力广义映射模型。然而目前针对城轨列车的气动性能研究相对较少1416。尚克明等17研究了横风下头型、风挡、车底设备对城际动车组的阻力影响规律。黄尊地等1819均针对横风下城际列车的气动性能进行了大量研究。公衍军等20针对高架运行的城际动车组进行了气动载荷分析。然而城轨列车在城区运行时通常处于长大隧道中。随着城市轨道交通运营速度等级的提高，匹配该速度等级与隧道运行高阻塞比的外形优化减阻技术也亟待展开。因此，为提升市域动车组产品气动性能，本文针对隧道内200 km/h运行速度等级的市域动车组头部外形气动减阻问题进行优化研究。1 数值方法1.1列车模型4编组列车模型如图1所示，头
14、部设计方案如图2所示。4个头型方案，在流线型长度、各方向控制型线尤其是水平剖面(x-y平面)差异较大。观察图2各头型曲面设计可以发现，4个方案的造型差异主要是鼻尖形状、肩部导流凹槽以及排障器与车体的连接过渡形式。对各头型气动性能影响较大的设计参数及其差异如表1所示。需要特别指出的是，在车头流线型长度变化不大的情况下，方案2相对于原型车的主要区别在于头罩在鼻尖部位曲面型线的突变收缩。1181铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 4月1.2计算域及边界条件采用吹风法21模拟无限长隧道内地铁列车的气动性能仿真计算，模型缩比为1:1。隧道截面尺寸与计算域几何模型如图3所示。隧道入口距离列车头
15、车鼻尖150 m，出口距离尾车鼻尖500 m，计算域总长度为750 m；列车位于隧道中部，列车轮对最低点距离地面 0.2 m。入口边界采用压力远场，入流速度设置为200 km/h，出口采用无反射边界条件，地面与隧道表面设定为滑移壁面，速度与来流条件一致，列车表面设定为固定无滑移壁面。1.3计算网格采用商用软件Fluent Meshing对数值模型进行非结构网格离散，网格类型选择为多面体网格与六面体核心的混合网格。车体表面网格尺寸控制图14编组列车模型(原型车)Fig.1Urban EMU model(proto type)(a)三维示意图；(b)侧视轮廓线；(c)俯视轮廓线；(d)正视轮廓线图
16、24种方案的列车头型Fig.24 types of train model表14种方案的模型特征对比Table 1Model feature comparison of the 4 schemes方案原型车方案1方案2方案3头部长度/m4.05.04.04.5鼻尖高度/m0.850.751.000.90排障器导流侧向斜上方侧向斜上方肩部导流无侧向无侧上型线突变方向俯视+正视正视俯视+正视无1182第 4 期刘慧芳，等：全隧道高速市域动车组气动外形优化研究在 1050 mm 之 间，其 中：头 罩 网 格 尺 寸 为30 mm左右，转向架尺寸为20 mm，空调和风挡为30 mm。隧道壁面网格尺寸设置为500 mm。车体与地面边界层的层数为7层，第1层网格厚度设置为1 mm，最大增长率限制为1.2，在列车整体、头车头罩、车顶空调、风挡及尾车设置加密区，加密区尺寸控制在100 mm左右。最终生成网格总数约3千万个，网格分布情况如图4所示。1.4计算设置利用商用软件Fluent进行列车气动性能仿真。由于列车在隧道中运行，列车前方的气体受到压缩作用，故计算中考虑了空气的压缩性。列车周围流场的雷诺