关键词：京津城际动车组；空气动力学；性能；阻力；优化设计
通过对CRH3动车组在京津城际铁路正常运行时获取了相关的数据来开展试验，重点对该动车组的气动性能和相关内容进行分析，从而改善动车的空气动力水平。在当前的动车组运行过程中，对运行影响最大的问题就是气动阻力问题。气动阻力增加后，首先列车的牵引系统将会受到更大的考验，从而就会影响到列车的提速；其次阻力增加后，能源消耗就会增加，导致列车的运行经济效益差，与当前国家提出的高效节能政策不匹配。所以，新一代高速列出的优化重点便是阻力问题。中国高铁列车中，长大编组属于比较好的列车，采用16辆编组时，列车的长度会增加到400米，但是对这一列车组的气动性研究，国外到现在还没有深入的研究。本文旨在借助于相关的运行数据，来对16辆编组列车的基本气动性特点进行重点研究分析。
一般而言，列车在运行过程中，与列车气动性能有关的部位基本在车头位置，所以车头的头型设计、风挡设计以及空调导流罩设计都会与气动性能有关，针对这些部件的设计，本文列出了7种解决这一问题的方案。在对相关的数据进行计算时，采用的软件是空气动力研究与发展中心共同研发的PWS3D(Parallel Wind Solver 3D)软件，利用这一软件来对相关的数值进行求解处理，采用方程式为RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)方程(以下称雷诺平均N-S方程)，湍流采用低雷诺数的k-?两方程湍流模型，离散方法和求解方法分别是有限体积法和压力修正算法。
1优化设计工况及网格
为了能够保证本次测算能够达到优化效果，对这7中方案的列车模型进行了分别的计算评估。其中，方案一到方案二主要是计算不同列车模型的阻力减弱情况，均为8辆编组；方案一为CRH3型动车组原结构，方案二在方案一的基础上增加了外风挡；方案三在方案2的基础上，重点对新型的空调导流罩进行了测算；方案四则在方案三的基础上，重点对车头外型的风阻进行了测算，中间车没有任何的变化；方案五是在方案四的基础上，对车头底部的整流罩进行了调整，将距离轨面的整流罩高度提升120mm；方案六是在方案五的基础上重点对车头的窗户进行了优化，降低了窗户的高度；方案七是对方案三的列车编组数量进行了增加，增加到16辆长编组。在计算模型时，采用的比例是1：1，为了保证计算的准确性，将转向架也考虑到其中，地面作为移动地面考虑，从而能够有效模拟列车正常运行时的情况。
全区域计算网格数量为2600块，而总数为5000万块结构网格。
从计算区域的长度方向来看，远场到车的距离为列车横向特征尺度的20倍，高度方向远场到车的距离为横向尺度的25倍；宽度为横向尺度的30倍。这样就能够保证远场距离的横向和纵向脱落涡的有效发展，从而能够保证大长细比动车组数据的真实性。
图1给出的数据是方案一头车表面网格和方案四的头车表面计算网格，同时对于曲率变化较大的区域，借助网格进行了加密处理。图2给出的是转向架、风挡、受电弓区域的相关结构，通过网格将复杂的外型区进行了结构网格的非结构化处理，从而能够体现出结构网格的高质量，便于对关键部位的加密和网格总量的有效控制，让外型区的数据在进行计算时更加准确。
2计算结果与分析
在方案一种，车头区域的风挡、空调和转向架区域通过计算，发现出现了空腔或台阶流动效应，这对于列车的阻力来说，是非常重要的数据，而且列车尾部的空气阻力能否减弱，也与列车的流线化有很大的关系。图3重点对风挡、空调整流前后不同车厢的阻力数据进行了对比。与方案一相比较，发现通过调整后，外风挡整流能够减少列车11.4%的阻力；空调方面的阻力与空调自身的形状设计有很大的关系，通过对空调整流的优化，能够让全车的空气阻力减少16.1%左右。
图4是对比了原车头形状和改进车头形状的压力分布和流线情况。通过图能够发现，改进后的车头形状流场和压力分布更加合理。对比方案四和方案一能够看出，全车能够减少18%的空气阻力。而就方案五来说，通过对转向架前后空腔的气流分析和压力分布进行调整，让车头和车体的阻力进行了降低。方案六是借助于方案四的设计重点优化了车头内容，主要是优化了车头的窗户高度，让窗户呈现扁平状，这对于车头的阻力降低有一定的作用。结合方案四的减阻情况来看，方案四比方案一的减阻率高21.4%左右。方案七是在方案一的基础上，对16辆编组的列车的风挡和空调外观进行了优化，空调的整流借助于方案三的导流罩形状，对比方案三的8辆编组来看，阻力有所增加，增加值为73.4%；而与方案一的8辆编组对比发现，阻力增加值为46.5%。
3结论
（1）数值计算结果表明，通过对风挡、空调、转向架区域进行了优化调整，发现都会对列车的空气阻力有影响，会产生流体力学的空腔或台阶流动效应，这对于列车阻力产生大小有非常重要的影响，所以，通过对列车空腔和台阶区的整流进行调整，能够让阻力减小。
（2）列车的流线化设计对于减少车尾的分离涡具有很重要的影响。通过对车头外型进行改进，能够让车尾的压力进行恢复，从而提高减阻能力。本文通过对原车型的头型进行改进，让车头的空气流场和压力分布更加均为，从而对于空气减阻具有非常好的效果，能够比原车型减阻10%以上。
参考文献
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[2]李淼, 陈春俊, 缪晓郎. 基于CompactDAQ的动车组空气动力学性能测试系统设计[J]. 中国测试, 2014(06):153-156.
论文作者:王正
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年21期
论文发表时间:2019/11/29
标签：方案论文; 阻力论文; 列车论文; 车头论文; 车组论文; 网格论文; 进行了论文; 《工程管理前沿》2019年21期论文;