基于凸包非光滑表面的高速列車(chē)減阻技術(shù)*

朱海燕，胡華濤，尹必超，鄔平波，曾 京

（1 華東交通大學(xué) 機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，南昌 330013；2 西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031）

隨著現(xiàn)代高速列車(chē)的大力推廣與運(yùn)營(yíng)，運(yùn)用在高速列車(chē)領(lǐng)域各個(gè)方面的研究廣度與深度也在不斷地拓展，其中，對(duì)于高速列車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)研究也顯得尤為重要。列車(chē)速度的不斷提高，意味著空氣動(dòng)力學(xué)性能研究在列車(chē)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中所占比重日益提高[1-3]，而隨著速度的進(jìn)一步提升，列車(chē)運(yùn)行需要克服的空氣阻力也會(huì)顯著增加，資料表明，當(dāng)列車(chē)速度達(dá)到300 km/h時(shí)，總阻力的80%來(lái)源于空氣阻力[4-5]。所以研究各種實(shí)現(xiàn)高速列車(chē)的減阻措施顯得非常重要?，F(xiàn)階段，對(duì)高速列車(chē)減阻的方法為優(yōu)化車(chē)輛外型、優(yōu)化車(chē)輛結(jié)構(gòu)、改變車(chē)輛表面粗糙度等途徑。早在90年代，陳南翼等人就對(duì)長(zhǎng)度、頭型方案、組成狀態(tài)不同的列車(chē)縮小模型分別在變速風(fēng)和變側(cè)角風(fēng)工況下做了風(fēng)洞試驗(yàn)，總結(jié)出列頭尾車(chē)形狀、聯(lián)掛方式、受電弓、轉(zhuǎn)向架對(duì)空氣阻力的影響，為后來(lái)列車(chē)減阻研究提供了重要的參考依據(jù)[6]；楊國(guó)偉等人研究對(duì)比了CRH380B和CRH3這2種車(chē)型在不同減阻措施布置情況下的減阻效果，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于CRH3，改進(jìn)后的CRH380B有更明顯的減阻優(yōu)勢(shì)[7]。邵微概述了國(guó)內(nèi)外高速列車(chē)頭車(chē)外形的發(fā)展，利用參數(shù)化建模建立4種類(lèi)型頭車(chē)，并做分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)單拱型頭車(chē)的減阻效果優(yōu)于雙拱型頭車(chē)[8]；張?jiān)谥袆t通過(guò)改變頭車(chē)細(xì)長(zhǎng)比來(lái)獲取更好的減阻效果[9]；楊志剛等人發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)向架兩側(cè)安裝裙板有利于列車(chē)的減阻，并且安裝位置和布置方式對(duì)列車(chē)減阻有比較大的影響，但是安裝了裙板的列車(chē)在強(qiáng)側(cè)風(fēng)下行駛時(shí)會(huì)增加側(cè)向力，不利于行車(chē)安全[10]；黃志祥等利用優(yōu)化空調(diào)導(dǎo)流罩、轉(zhuǎn)向架等附屬設(shè)施來(lái)降低車(chē)輛的空氣阻力[11]；張業(yè)等利用EMU的縮比模型，忽略門(mén)窗、受電弓的影響，研究設(shè)置不同風(fēng)擋類(lèi)型和不同風(fēng)擋縫寬參數(shù)的動(dòng)車(chē)組阻力，發(fā)現(xiàn)風(fēng)擋縫寬對(duì)各車(chē)阻力的影響顯著[12]。

Bearman、Viswanath、Efros等分別從非光滑表面運(yùn)用于旋成體、面板、飛行器上，并通過(guò)試驗(yàn)比對(duì)，發(fā)現(xiàn)不同類(lèi)型非光滑表面對(duì)邊界層結(jié)構(gòu)有直觀的影響，適當(dāng)形式的非光滑表面有利于減少氣動(dòng)阻力[13-15]。上世紀(jì)90年代末，楊弘偉和王晉軍等人對(duì)邊界層控制進(jìn)行研究，將不同形式的非光滑表面在運(yùn)用于湍流減阻上取得了良好的效果[16-17]；徐中等采用k-ε兩方程模型對(duì)凹坑非光滑表面做了細(xì)致的研究，同樣得到對(duì)比光滑表面，非光滑表面有著更優(yōu)異的減阻性能[18]；湯勇就各種類(lèi)型的非光滑表面進(jìn)行了介紹，并對(duì)它們的包括脫附減阻等功能做了比較細(xì)致的綜述[19]；方言后來(lái)基于仿生結(jié)構(gòu)，分別將凹坑和凸包非光滑表面運(yùn)用于旋成體，得到理想的減阻效果，并對(duì)二者減阻機(jī)理進(jìn)行了說(shuō)明[20]。

由于高速列車(chē)的快速發(fā)展，對(duì)非光滑減阻技術(shù)在高速列車(chē)運(yùn)用的研究雛形漸起。林世才等以Prandtl理論為基礎(chǔ)，建立高速列車(chē)模型，分析其邊界層內(nèi)部的壓力和速度矢量等來(lái)研究圓坑非光滑表面對(duì)摩擦噪聲的影響[21]，汪九根等從仿生學(xué)的角度出發(fā)，出于對(duì)高速列車(chē)降噪的目的，對(duì)菱形網(wǎng)格非光滑表面車(chē)體和koch雪花表面織構(gòu)車(chē)體進(jìn)行仿真試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)降低摩擦噪聲有顯著效果[22-23]，而氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)噪聲的形成都與車(chē)體表面湍流有關(guān)，因此這也給降低摩擦阻力提供新的研究思路，為空氣阻力的研究方法提供了參考依據(jù)；杜建等根據(jù)仿生學(xué)理論，提出將溝槽加設(shè)于高速列車(chē)表面，并進(jìn)行模擬仿真，得到列車(chē)在高速運(yùn)行時(shí)的減阻率在6%以上[24]；張淵等則提出將非光滑表面設(shè)置于車(chē)體下方的轉(zhuǎn)向架前后檔區(qū)域的思路，并進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明僅對(duì)中間車(chē)有一定的減阻效果[25]；朱海燕等通過(guò)建模和模擬仿真軟件在CRH3高速列車(chē)表面加設(shè)球窩，以此來(lái)控制邊界層的湍流特性，來(lái)研究列車(chē)的減阻效果，在對(duì)比不同尺寸和排列的球窩后，得出當(dāng)球窩陣列距離為350 mm、半徑為80 mm、深度為10 mm的時(shí)候，列車(chē)運(yùn)行阻力相對(duì)最小，并且對(duì)比全光滑車(chē)面，減阻率可達(dá)25.19%，減阻效果非常顯著[26]。

通過(guò)設(shè)置不同凸包參數(shù)于高速列車(chē)的非光滑表面，來(lái)研究高速列車(chē)表面的減阻效果。首先利用Pro-E軟件建立在列車(chē)頭車(chē)與尾車(chē)加設(shè)不同尺寸和間距的凸包的非光滑表面高速列車(chē)模型，將其導(dǎo)入ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后通過(guò)Fluent軟件開(kāi)展數(shù)值仿真計(jì)算，研究不同參數(shù)的凸包非光滑表面布置位置等對(duì)列車(chē)減阻效果的影響，獲取最優(yōu)的凸包參數(shù)及其在非光滑表面分布，從而為高速列車(chē)減阻設(shè)計(jì)提供新的思路與參考。

1 控制方程和數(shù)值計(jì)算

1.1 基本控制方程

按照《列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)概念》中的速度區(qū)段的劃分，列車(chē)運(yùn)行速度屬于低速流（馬赫數(shù)Ma＜0.3），除去研究?jī)闪熊?chē)會(huì)車(chē)和列車(chē)過(guò)隧道2種情況，對(duì)列車(chē)進(jìn)行研究時(shí)，可以按照不可壓縮黏性流考慮，認(rèn)為密度為常數(shù)[27]。連續(xù)方程如式（1）所示：

3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)方程為（2）：

式中ui或uj為流場(chǎng)速度；xi或xj為坐標(biāo)；p為流場(chǎng)壓力；ρ為空氣密度，此處視為常量。

1.2 數(shù)值計(jì)算

由于列車(chē)有關(guān)的流動(dòng)現(xiàn)象大部分是湍流流動(dòng)，因此，在研究列車(chē)周?chē)諝獾臄?shù)值模擬時(shí)，必須要討論如何進(jìn)行模擬湍流現(xiàn)象的問(wèn)題。數(shù)值模擬湍流的方法主要有3種：直接數(shù)值模擬、大渦模擬和湍流模型，前2種由于自身的特點(diǎn)導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用中有很大的局限性，所以，在列車(chē)周?chē)諝饬鲌?chǎng)的湍流數(shù)值模擬領(lǐng)域，通常采用湍流模型[27]。而湍流模型中，渦黏性模型的應(yīng)用最為廣泛，k-ε兩方程模型屬于渦黏性模型，也在常用的湍流模型中最具代表性，能保證精度的同時(shí)，不會(huì)有過(guò)大的計(jì)算量。

k-ε湍流模型中的湍流黏性系數(shù)μt考慮了部分歷史效應(yīng)，把湍流黏性系數(shù)、湍流動(dòng)能和湍流動(dòng)能的耗散率聯(lián)系在一起[28]：

湍流動(dòng)能k方程為：

湍流耗散率ε方程為：

式中：μt為湍流黏性系數(shù)；k為湍流動(dòng)能；μ1為層流黏性系數(shù)；C1、C2、σk、σε是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取值如下：C1=1.47，C2=1.92，σk=1.0，σε=1.33，其他參數(shù)表示為前面所述。

2 計(jì)算模型

2.1 幾何模型與計(jì)算域模型

在這個(gè)分析中，選取CRH3為研究對(duì)象。首先利用三維建模軟件Pro/Engineer對(duì)車(chē)體進(jìn)行建模，由于在實(shí)際情況中高速動(dòng)車(chē)組上有許多不平順的地方以及車(chē)體外加設(shè)備，如：車(chē)底走行部、受電弓以及車(chē)門(mén)把手等，對(duì)這些復(fù)雜的特征進(jìn)行分析會(huì)大大增加計(jì)算難度，所以將研究對(duì)象的模型簡(jiǎn)化成圖1所示的一個(gè)光滑曲面體，簡(jiǎn)化后的模型理論上會(huì)得出更小的空氣阻力，但對(duì)研究結(jié)果影響不大，但可以減少計(jì)算工作量，便于開(kāi)展空氣動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算分析；高速列車(chē)車(chē)頭處凸包表面模型如圖2所示，設(shè)置不同的凸包尺寸和間距進(jìn)行模擬計(jì)算。

在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，為使列車(chē)周邊空氣流場(chǎng)更加接近真實(shí)工況又不過(guò)多增加計(jì)算量，選取適當(dāng)?shù)挠?jì)算域是很有必要。CRH3一般采用4動(dòng)4拖8節(jié)車(chē)廂的動(dòng)力分散型連掛方式，由于本次只考慮非光滑表面的影響，所以模擬車(chē)輛選用3節(jié)編組的簡(jiǎn)化形式：頭車(chē)+中間車(chē)+尾車(chē)，其長(zhǎng)度均為26.5 m，并將車(chē)輛速度設(shè)置為300 km/h。參考文獻(xiàn)[26]分析列車(chē)表面粗糙度對(duì)氣動(dòng)阻力影響甚微，所以將粗糙度設(shè)為0；而高速動(dòng)車(chē)組尾部計(jì)算域的長(zhǎng)度會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果的精確度有較大的影響，將高速動(dòng)車(chē)組放置在列車(chē)尾部距離計(jì)算域尾部175 m處，并將計(jì)算域的長(zhǎng)設(shè)定為300 m，寬為24 m，高為36 m，整個(gè)計(jì)算域模型如圖3所示。

圖1 光滑表面模型

圖2 車(chē)頭凸包表面模型

高速列車(chē)計(jì)算域

圖3 計(jì)算域模型

2.2 網(wǎng)格模型

幾何模型導(dǎo)入ICEM中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，密度由遠(yuǎn)場(chǎng)至車(chē)身逐漸增加，靠近車(chē)體表面部分是計(jì)算核心且為曲面，網(wǎng)格進(jìn)行如圖4所示的加密盒處理；另外，頭車(chē)和尾車(chē)分布有凸包且為阻力集中區(qū)域，網(wǎng)格劃分加密處理，如圖5所示，且其網(wǎng)格尺寸是列車(chē)表面其他位置網(wǎng)格尺寸的五分之一，以此提高計(jì)算精度，而改變凸包參數(shù)會(huì)稍微改變網(wǎng)格總數(shù)量，但總數(shù)量基本維持在9.5×106左右。

圖4 計(jì)算域網(wǎng)格模型

圖5 凸包區(qū)域網(wǎng)格模型

2.3 邊界條件

在對(duì)無(wú)橫向風(fēng)的高速列車(chē)運(yùn)行的研究中，一般采用列車(chē)靜止，讓空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法來(lái)模擬。列車(chē)運(yùn)行速度為300 km/h，故將速度入口速度設(shè)為83.33 m/s，車(chē)身視為剛體，設(shè)為固定壁面；列車(chē)在明線(xiàn)工況下勻速運(yùn)行，將滑移壁面模擬運(yùn)行時(shí)的底面、側(cè)面和頂面，分別模擬列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中的軌道和無(wú)窮遠(yuǎn)處的空氣，采用這種移動(dòng)壁面技術(shù)能夠有效地避免空氣附面層問(wèn)題[29]，實(shí)現(xiàn)比較真實(shí)模擬列車(chē)運(yùn)行流場(chǎng)，同時(shí)將中央面設(shè)為對(duì)稱(chēng)面以減少仿真計(jì)算量，邊界條件的具體設(shè)置見(jiàn)表1。

3 計(jì)算結(jié)果

首先對(duì)已經(jīng)建立好的模型進(jìn)行2次試算來(lái)尋找是否存在規(guī)律，由于各方面原因的限制，采用固定變量法，先假設(shè)半徑和凸包高度不變，參考文獻(xiàn)[26]，嘗試性計(jì)算陣列距離分別設(shè)置為160 mm和260 mm，半徑為80 mm，凸包高度為20 mm的模型，與沒(méi)有加設(shè)凸包的車(chē)體模型（如圖6所示）進(jìn)行比較，參數(shù)設(shè)置如表2所示，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

表1 邊界條件

圖6 凸包幾何模型

表2 試對(duì)比模型代號(hào)對(duì)應(yīng)參數(shù)

圖7 試對(duì)比模型

3.1 凸包陣列距離對(duì)列車(chē)空氣阻力的影響

經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬，得出光滑表面列車(chē)總阻力為3 733 N，頭車(chē)阻力為1 387 N，中間車(chē)阻力為1 093 N，尾車(chē)阻力為1 253 N。經(jīng)過(guò)試對(duì)比，發(fā)現(xiàn)非光滑表面的凸包并沒(méi)有給列車(chē)帶來(lái)減阻效果，相反還使得阻力值增大。而且存在凸包越密集，阻力越大的趨勢(shì)。但是通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，凸包對(duì)列車(chē)外流場(chǎng)產(chǎn)生了一定的影響而且陣列距離足夠大時(shí)，可以得到減阻效果。通過(guò)B、C兩組數(shù)據(jù)比對(duì)后假設(shè)：在凸包半徑和高度一定時(shí)，隨著陣列距離的增大，頭車(chē)阻力、尾車(chē)阻力以及總阻力都逐漸減小，而中間車(chē)的阻力基本不變，因此需要繼續(xù)增大陣列距離并計(jì)算來(lái)觀察假設(shè)是否成立，參數(shù)設(shè)置如表3所示，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

通過(guò)觀察計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，上述假設(shè)得到驗(yàn)證，在設(shè)置凸包半徑和高度為不變量時(shí)，隨著陣列距離增大，頭車(chē)阻力、尾車(chē)阻力以及總阻力都逐漸減小，而中間車(chē)的阻力基本保持不變。在比較圖8中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)陣列距離為460 mm，凸包半徑為80 mm，凸包高度為20 mm時(shí)，頭車(chē)阻力為1 372 N，對(duì)比光滑表面下頭車(chē)阻力略有下降。

表3 陣列距離變化模型代號(hào)對(duì)應(yīng)參數(shù)

圖8 凸包陣列距離對(duì)列車(chē)空氣阻力影響

3.2 凸包半徑對(duì)列車(chē)空氣阻力的影響

雖然陣列距離設(shè)置為560 mm時(shí)的尾車(chē)阻力和總阻力兩項(xiàng)都比陣列距離設(shè)置為460 mm時(shí)的小，但分析發(fā)現(xiàn)，此處總阻力的減小更多源于尾車(chē)阻力較大的減小幅度，而此時(shí)尾車(chē)阻力1 405 N與光滑表面列車(chē)的尾車(chē)阻力1 253 N相比差距依然顯著，故不作為后文分析參照變量，而陣列距離為460 mm時(shí)的頭車(chē)阻力對(duì)比光滑表面時(shí)的頭車(chē)阻力1 387 N已經(jīng)出現(xiàn)減阻效果，且陣列距離為560 mm時(shí)的頭車(chē)阻力為1 391 N，已經(jīng)出現(xiàn)上升趨勢(shì)，故此處選陣列距離為460 mm和高度為20 mm作為固定參考量，以此為基礎(chǔ)繼續(xù)使用控制變量法進(jìn)一步計(jì)算分析，分別設(shè)置凸包半徑為100 mm、60 mm、40 mm，具體參數(shù)設(shè)置如表4所示，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9計(jì)算結(jié)果表明：總阻力、頭車(chē)阻力、中間車(chē)阻力和尾車(chē)阻力都隨著凸包半徑的減小而減小。在凸包半徑為40 mm時(shí)，各項(xiàng)阻力最小，總阻力為3 815 N，頭車(chē)阻力為1 281 N，中間車(chē)阻力為1 101 N，尾車(chē)阻力為1 433 N，對(duì)比光滑表面各項(xiàng)阻力值，頭車(chē)阻力下降106 N，降幅為7.64%，中間車(chē)阻力相差甚微，尾車(chē)阻力增加180 N，故總阻力依然高于同工況下的光滑表面列車(chē)。

表4 半徑變化凸包模型對(duì)應(yīng)參數(shù)

圖9 凸包半徑對(duì)列車(chē)空氣阻力影響

3.3 凸包高度對(duì)列車(chē)空氣阻力的影響

接下來(lái)選取凸包半徑和陣列距離分別為40 mm和460 mm，分別設(shè)置凸包高度為20 mm、15 mm、10 mm、5 mm，具體參數(shù)設(shè)置如表5所示，得到計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

表5 高度變化模型代號(hào)對(duì)應(yīng)參數(shù)

圖10 凸包高度對(duì)列車(chē)空氣阻力影響

分析圖10可知：當(dāng)凸包半徑為40 mm、陣列距離為460 mm、凸包高度為10 mm時(shí)列車(chē)空氣總阻力最小，為3 936 N，接近同工況下光滑表面列車(chē)總阻力，其他各項(xiàng)阻力值中頭車(chē)阻力1 237 N、中間車(chē)阻力1 098 N、尾車(chē)阻力1 401 N，相對(duì)于光滑表面各項(xiàng)阻值，僅頭車(chē)部分下降明顯，下降150 N，頭車(chē)減阻率為10.81%，出現(xiàn)了比較理想的減阻效果，而在凸包高度變更小時(shí)，前車(chē)阻力則有變大的趨勢(shì)；中間車(chē)阻力變化不大；而尾車(chē)阻力則高居不下，依然遠(yuǎn)超全車(chē)表面光滑時(shí)尾車(chē)阻力。

基于前面分析，可知列車(chē)頭部加設(shè)凸包更能體現(xiàn)減阻效果，而尾車(chē)阻力始終高于光滑表面列車(chē)尾車(chē)阻力，推測(cè)列車(chē)尾部加設(shè)凸包可能會(huì)增加阻力。所以接下來(lái)計(jì)算凸包模型M，即在頭車(chē)加設(shè)凸包，尾車(chē)不加設(shè)凸包的工況，與之前計(jì)算的凸包模型A和凸包模型L進(jìn)行比較，得到圖11所示的計(jì)算結(jié)果。

圖11 凸包布置方式對(duì)列車(chē)空氣阻力影響

分析圖11可知在尾車(chē)不設(shè)置凸包的情況下，頭車(chē)阻力為1 239 N，對(duì)比光滑表面車(chē)體的頭車(chē)阻力1 387 N有明顯的下降，降幅達(dá)到10.7%，而中間車(chē)阻力和尾車(chē)阻力基本保持不變。凸包模型L與凸包模型M對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：尾車(chē)加設(shè)相同參數(shù)的凸包，頭車(chē)和中間車(chē)的阻力幾乎相等，凸包模型L的尾車(chē)阻力明顯高于凸包模型M，進(jìn)一步說(shuō)明尾車(chē)加設(shè)凸包不利于降低列車(chē)空氣阻力。

4 結(jié)果分析

上述計(jì)算結(jié)果表明：凸包加設(shè)在頭車(chē)相對(duì)于加設(shè)在尾車(chē)更有利于列車(chē)的減阻，加設(shè)在尾車(chē)會(huì)起到列車(chē)增阻效果；在一定范圍內(nèi)，列車(chē)的氣動(dòng)阻力有隨著凸包陣列距離的變大而減小、隨著凸包半徑的減小而減小、隨著凸包高度的減小存在阻力先減小繼而又增大的趨勢(shì)；基于上述分析得到減阻效果最好的凸包參數(shù)設(shè)置為：半徑40 mm，陣列距離為460 mm，凸包高度為10 mm。

空氣阻力主要分為壓差阻力和黏性阻力。壓差阻力是列車(chē)表面壓力在列車(chē)運(yùn)行反方向形成的合力，而黏性阻力是列車(chē)運(yùn)行中，氣流在列車(chē)表面形成的切應(yīng)力的合力。在高速運(yùn)行的過(guò)程中，列車(chē)表面受到的黏性阻力在空氣阻力占主要作用[6]。

由于空氣存在可壓縮性和黏性，因此高速動(dòng)車(chē)組在高速行駛時(shí)，空氣會(huì)在頭車(chē)的車(chē)鼻處被壓縮，產(chǎn)生極大的壓力，列車(chē)頭部速度矢量圖12表明：在頭車(chē)車(chē)鼻處周?chē)俣群苄?，?chē)鼻的速度接近為零，造成該現(xiàn)象的原因是列車(chē)在高速運(yùn)行的時(shí)候，頭車(chē)車(chē)鼻處的壓力為整列車(chē)表面的最大值，列車(chē)頭部壓力圖如13所示，根據(jù)流體的機(jī)械能守恒原理，壓力極大時(shí)，此處的流體速度就會(huì)極小，而巨大的壓力將空氣沿著車(chē)壁往后推動(dòng)，由于列車(chē)頭部橫截面的變化較大，空氣粒子會(huì)因?yàn)榫薮蟮膲翰疃铀龠\(yùn)動(dòng)，所以空氣粒子會(huì)在列車(chē)頭部上部出現(xiàn)最大速度，而在此區(qū)域壓力則達(dá)到最小。

圖12 車(chē)頭速度矢量

圖13 車(chē)頭壓力

對(duì)于列車(chē)尾部，與上述列車(chē)頭部分析方法類(lèi)似，由于截面突變使得高速動(dòng)車(chē)組尾部出現(xiàn)真空，最大截面處上方的空氣粒子會(huì)向下偏轉(zhuǎn)，并且壓差賦予這些空氣粒子產(chǎn)生加速度，因此在高速動(dòng)車(chē)組尾部的最大截面處出現(xiàn)了負(fù)壓，而車(chē)鼻處的空氣流速快速下降，會(huì)對(duì)尾車(chē)的車(chē)鼻處產(chǎn)生正壓，具體速度與壓力分布如圖14和圖15所示。

穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的高速列車(chē)會(huì)在車(chē)輛最前端和最尾端車(chē)鼻處產(chǎn)生穩(wěn)定的壓力，見(jiàn)圖13和圖15，頭車(chē)和尾車(chē)之間縱向方向的壓力合力就是壓差阻力。

圖14 車(chē)尾速度矢量

圖15 車(chē)尾壓力

列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)，空氣沿列車(chē)表面做擾流運(yùn)動(dòng)，車(chē)壁表面附近空氣的黏性力對(duì)表面存在影響，在沿壁面法向方向上存在明顯的速度梯度，構(gòu)成了邊界層。邊界層各個(gè)速度梯度的空氣粒子之間存在摩擦，產(chǎn)生切向力，造成能量的消耗；同時(shí)，列車(chē)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)也會(huì)對(duì)氣流產(chǎn)生擾動(dòng)，會(huì)使邊界層的結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致層流變成湍流，消耗大量的能量，這2個(gè)耗能的過(guò)程構(gòu)成黏性阻力。當(dāng)高速氣流流過(guò)車(chē)體表面時(shí)，會(huì)對(duì)凸包產(chǎn)生正壓力，氣流流經(jīng)凸包后存在回旋運(yùn)動(dòng)，會(huì)在凸包的背風(fēng)側(cè)產(chǎn)生反壓力，正、反壓力之差即為氣流對(duì)凸包的真實(shí)作用力，一般情況下，該作用力對(duì)凸包的壓力數(shù)值都是正值，即在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)凸包存在空氣阻力，而氣流對(duì)多個(gè)凸包總的作用力對(duì)車(chē)輛產(chǎn)生比較顯著的增阻效果，因此，凸包的存在對(duì)車(chē)輛的壓差阻力是有增加效果。

研究中發(fā)現(xiàn)并非所有的凸包加設(shè)在頭車(chē)或尾車(chē)上都能起到減阻效果，因?yàn)闇p阻效果的出現(xiàn)是必須具備壓差阻力和黏性阻力合力減小的條件。凸包的存在改變了氣流黏性底層的結(jié)構(gòu)，使得空氣流動(dòng)變成雷諾應(yīng)力的流動(dòng)，而靠近列車(chē)表面區(qū)域的雷諾應(yīng)力很小，因此凸包非光滑表面黏性阻力相對(duì)光滑表面有所減小。結(jié)合圖16和圖17分析可知：相對(duì)于光滑表面，近壁區(qū)的湍流強(qiáng)度在凸包非光滑表面會(huì)明顯減少，說(shuō)明雷諾應(yīng)力會(huì)顯著減小，同時(shí)表示黏性阻力會(huì)變小。

圖18和圖19為光滑表面車(chē)體和凸包非光滑表面車(chē)體的湍流動(dòng)能對(duì)比，經(jīng)分析可知：光滑表面湍流動(dòng)能最大的區(qū)域在頭車(chē)的車(chē)鼻區(qū)域，而凸包非光滑表面列車(chē)則將這一區(qū)域轉(zhuǎn)移至凸包分布區(qū)域，這是造成空氣阻力變化的原因之一，但由于尾車(chē)凸包的存在，增加了整車(chē)表面耗能區(qū)域面積，所以尾車(chē)不加設(shè)凸包時(shí)減阻效果更好。

凸包非光滑表面加設(shè)在頭車(chē)部分，增加了車(chē)輛的壓差阻力，但是有效地減小了車(chē)輛的黏性阻力，不同參數(shù)、不同布置方式的凸包結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)高速列車(chē)的壓差阻力和黏性阻力都產(chǎn)生影響，而把合適參數(shù)的凸包加設(shè)在車(chē)輛的合適位置會(huì)使黏性阻力的下降量高于壓差阻力的提升量，使得總的空氣阻力下降，達(dá)到減阻效果。

圖17 非光滑表面湍流強(qiáng)度

圖18 光滑表面湍流動(dòng)能

圖19 非光滑表面湍流動(dòng)能

5 結(jié)束語(yǔ)

在理論分析基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值計(jì)算對(duì)凸包非光滑表面高速列車(chē)減阻技術(shù)進(jìn)行研究，以凸包的參數(shù)、布置方式和位置為變量，分析了凸包對(duì)于高速列車(chē)氣動(dòng)阻力的影響，并得到較好的減阻效果，具體結(jié)論如下：

（1）由于凸包非光滑表面結(jié)構(gòu)氣動(dòng)性能的特殊性，相比于在尾車(chē)或頭車(chē)和尾車(chē)均加設(shè)凸包非光滑表面，在尾車(chē)加設(shè)凸包非光滑表面不利于高速列車(chē)減阻，僅在頭車(chē)加設(shè)凸包更加有利于高速列車(chē)的減阻。

（2）凸包表面減阻效果受凸包的高度、陣列間距及半徑的影響。一定范圍內(nèi)列車(chē)的氣動(dòng)阻力有隨著凸包陣列距離的變大、凸包半徑的減小而減小，隨著高度的減小而先減小后增加；當(dāng)凸包半徑為40 mm、陣列間距為460 mm、凸包高度為10 mm時(shí)，頭車(chē)減阻效果最好；對(duì)比光滑表面列車(chē)受到的列車(chē)阻力，僅在頭車(chē)加設(shè)凸包的非光滑表面列車(chē)頭車(chē)減阻率高達(dá)10.67%，總減阻率可達(dá)3.80%。

（3）由于本次模擬仿真采用簡(jiǎn)化模型，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致總阻力偏小，因此此次的研究為定性研究，理論上得到減阻率會(huì)稍偏大，但可以確定凸包型非光滑表面能減少黏性阻力，對(duì)減阻產(chǎn)生積極效果，后續(xù)研究中要繼續(xù)完善模型，期待得到更準(zhǔn)確的分析結(jié)果。