高速列车气动性能与外形设计

摘要

高速列车气动性能与列车头形有着密切的关系。列车外形的气动设计除考虑空气阻力以外，还要考虑升力、横向力和转动力矩对列车运行平稳性和稳定性的影响。本文将CAD建模、计算流体力学与计算多体系统动力学相结合，实现列车外形--气流--车辆动力学的联合仿真，分析高速列车空气动力学性能与外形设计之间的关系。
　　 利用计算流体力学软件FLUENT和多体动力学软件SIMPACK，分别建立了列车的基本气动性能计算模型、强横风性能计算模型、会车性能计算模型以及通过隧道性能计算模型，并通过建立的模型研究了流线型头部长度、头尾车形状、头部控制线形状、鼻尖高度对各种气动性能以及车辆动力学性能的影响，经分析发现：
　　 1.增加流线型头部长度，可以有效地改善列车的基本气动性能、强横风性能、会车性能以及通过隧道性能。
　　 2.头部控制线中水平剖面线形状对列车的基本气动性能影响较大，纵向剖面线形状对列车的强横风性能及会车性能影响较大：列车头形的截面积变化率为近似一次曲线时，其基本气动性能最好。
　　 3.尾车采用双拱造型和高鼻尖会显著降低其升力，改善尾车的升力性能；增加鼻尖高度会较小地增加尾车阻力；增加鼻尖高度不能改善列车的会车性能，会车时的压力波和气动荷载随着鼻尖高度的增加而逐渐增加。
　　 4.列车通过隧道时，列车的隧道平均阻力比明线阻力增加12％左右，隧道最大阻力比明线阻力增加120％左右；气动荷载、列车表面压力、隧道壁面压力与隧道阻塞比成平方关系；隧道壁面压力、侧力峰峰值随着流线型头部长度的增加而呈平方减小趋势。
　　 5.列车头形对车辆动力学行为的影响跟其对气动性能的影响规律相似。