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高速列车明线运行时雨刮器气动特性研究
铁道机车车辆 | 更新时间：2024-09-12
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    • 高速列车明线运行时雨刮器气动特性研究

    • Research on aerodynamic characteristics of wipers of high-speed train running on open tracks

    • 晋永荣

      ，  

      陈晓丽

      ，  
    • 机车电传动   2024年第4期 页码：132-138

    • DOI：10.13890/j.issn.1000-128X.2024.04.103    

      中图分类号： U292.91+4

    • 纸质出版日期：2024-07-10，

      收稿日期：2021-12-26，

      修回日期：2024-02-06，

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  • 晋永荣, 陈晓丽. 高速列车明线运行时雨刮器气动特性研究[J]. 机车电传动, 2024(4): 132-138. DOI：10.13890/j.issn.1000-128X.2024.04.103.

    JIN Yongrong, CHEN Xiaoli. Research on aerodynamic characteristics of wipers of high-speed train running on open tracks[J]. Electric drive for locomotives,2024(4): 132-138. DOI：10.13890/j.issn.1000-128X.2024.04.103.

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    摘要

    随着列车运行速度的提高，高速列车雨刮器所受的气动载荷作用显著增强，而气动作用下雨刮器产生的失效问题会严重危及行车安全。为探明列车高速运行时雨刮器的气动特性，文章采用三维、定常、不可压缩N-S方程以及k-ε两方程湍流模型，开展300 km/h、350 km/h及400 km/h速度等级下3车编组高速列车雨刮器明线运行气动特性研究。结果表明，随着列车运行速度提升，雨刮器所受气动力显著增大，且雨刮器主要受侧向力作用，头车雨刮器所受气动力比尾车雨刮器更大，为尾车雨刮器的3.2倍。头车雨刮器朝向车体外侧的一侧呈明显负压分布，相对于300 km/h，当列车速度提升至350 km/h时，雨刮器两侧压差增加了36%；当列车速度提升至400 km/h时，雨刮器两侧压差增加了78%。同时，列车运行时，空气由列车车头中轴线向车体两侧流动，使得雨刮器呈现向两侧分开的运动趋势，而尾车雨刮器呈现由两侧向中间靠拢趋势。文章的研究可为高速列车雨刮器的设计安装选择及结构安全性评估提供参考。

    译

    Abstract

    With the increase in train running speeds, the aerodynamic loading on the wipers of high-speed trains significantly escalates. Wiper failures under this aerodynamic loading pose serious risks on the driving safety. This paper focuses on investigating the aerodynamic performance of wipers on trains running at high speeds. A turbulence model based on the three-dimensional, steady and incompressible Navier-Stokes equations and k-epsilon (k-ε) two equations was utilized, to examine the aerodynamic characteristics of the wipers on a three-car high-speed train running on open tracks at speed levels of 300 km/h, 350 km/h and 400 km/h. The results indicate that with the increase in train speeds, aerodynamic forces on the wipers rise significantly, with lateral forces being the primary influence. The aerodynamic forces on the wipers of the head car are greater—up to 3.2 times—than those experienced by the tail car's wipers. The wipers on the head car exhibit an obvious negative pressure distribution at the outer side of the car body. The pressure difference on both sides of the wipers increases by 36% when the train speed reaches 350 km/h, and by 78% at 400 km/h, both compare to the conditions at 300 km/h. Moreover, air flows from the central axis of the train head to both sides of the car body, causing the wipers to move outward towards both sides. In contrast, the tail car's wipers show a trend of moving inward from both sides towards the central axis. These research findings offer valuable insights for the design, installation, and structural safety evaluation of wipers for high-speed trains.

    译

    关键词

    高速列车; 雨刮器; 气动力; 流场特性; 数值模拟

    译

    Keywords

    high-speed train; wiper; aerodynamic force; flow field characteristics; numerical simulation

    译

    0 引言

    随着列车运行速度的不断提高，列车车体及外部组件所在处空气阻力环境恶化，其承受的气动载荷作用加剧，可能产生一系列危及行车安全的空气动力学问题，如列车裙板/底板在气动载荷作用下产生振动、外风挡变形、受电弓跳弓等[

    1-4]。雨刮器安装于司机室前挡风玻璃上，当列车速度不断提高时，同样出现了诸多空气动力学效应问题，包括列车高速运行时头部雨刮器与司机室前挡风玻璃产生分离、强气流冲击下雨刮器胶条在前挡风玻璃上来回滚动、雨刮器产生折断等现象[5]。列车雨刮器是为司机提供良好视野的关系到行车安全的部件，因此，开展高速列车雨刮器气动特性研究，对保障行车安全具有重要意义。
    译

    目前，国内外学者对雨刮器的研究多针对汽车雨刮器。文献[

    6]采用数值仿真方法对汽车雨刮器各部件气动特性进行了研究；文献[7]对汽车雨刮器的主、副雨刮器的稳态气动特性进行了分析；文献[8]研究分析了汽车雨刮器外形对其气动力的影响；文献[9]分析了雨刮器周围的流场特性；文献[10]利用动网格技术，通过数值计算研究了雨刮器的瞬态气动特性，分析了前风挡玻璃及雨刮器表面的压力及流场分布，并探讨了作用在主、副雨刮器上气动升力和气动阻力的变化规律及其对雨刮器稳定性的影响。然而，针对高速列车雨刮器的研究相对较少，由于列车长细比较大，且运行速度快，因此，与汽车相比，列车周围空气流动及雨刮器所受气动载荷存在较大差异。高速列车车头与车尾位置流场结构复杂，雨刮器在不同列车速度等级下的气动特性存在较大区别。
    译

    为探明列车高速行驶时雨刮器的空气动力学特性，本文将对300 km/h、350 km/h及400 km/h速度等级下3车编组高速列车雨刮器气动特性进行研究，研究结果可为高速列车雨刮器的结构安全性评估及设计提供参考依据。

    译

    1 CFD数值计算方法

    1.1 流体控制方程

    当高速列车高速行驶时，周围流场考虑为三维黏性定常湍流流场。湍流模型采用k-ε标准模型，其控制方程形式为[

    11]
    译

    ∂(ρφ)∂t+div(ρ(μ-μi)φ)=div(Γ grad φ)+S (1)

    式中：t为时间；ρ为空气密度；Γ为广义扩散系数；μ为流场速度矢量，μ=[u,v,w]；μi为网格移动速度矢量，μi=[ui,v,w]；φ为流场通量；S为广义源项。

    译

    1.2 几何模型

    本文数值仿真采用CRH2型高速列车全尺寸模型为研究对象，3车编组包括头车、中间车和尾车。忽略车体外部某些复杂的细部结构，如车门、车窗、受电弓等，并将对计算结果影响较小的部分进行简化处理，如车厢与车厢连接位置的风挡结构以及转向架。

    译

    高速列车雨刮器安装在头车与尾车的前挡风玻璃处，如图1所示，列车、雨刮器、风挡及转向架的模型如图2所示，列车基本参数如表1所示。

    译

    fig

    图1  高速列车雨刮器及位置示意

    Fig. 1  Schematic diagram of wipers and their positions on high-speed train

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    fig

    图2  列车模型

    Fig. 2  Train model

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    表1  列车基本参数
    Table 1  Basic parameters of train ( m )
    列车模型参数参考值
    列车模型总长度 76.40
    头车（尾车）长度 25.45
    中间车长度 24.50
    列车宽度 3.38
    列车高度 3.70
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    1.3 计算区域及边界条件

    为避免边界条件对所关心区域流场结构的影响，确保区域内流场的充分发展，计算流域的长、宽、高分别设定为300 m、80 m、40 m。列车初始位置头车鼻尖点距入口边界50 m，尾流区长为170 m。计算区域及边界条件设置如图3所示。

    译

    fig

    图3  计算域及边界条件示意图

    Fig. 3  Schematic diagram of computational domain and boundary conditions

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    高速列车明线运行时，针对计算区域，通过相对风速法给定边界条件，模拟列车与气流之间的相对运动，即在列车运行前方的边界给定与车速方向相反的风速。在实际计算时，给定的列车前方速度入口边界的均匀来流速度分别为300 km/h、350 km/h和400 km/h。为了模拟列车与地面之间的相对运动，地面给定滑移壁面边界条件，速度大小及方向和前方速度入口边界一致[

    12]。
    译

    1.4 计算方法

    本文研究的高速列车速度等级分别为300 km/h、350 km/h和400 km/h，其中当列车运行速度为400 km/h时，对应的马赫数为0.327，气流可以采用不可压缩流[

    13]。大气压强为101 325 Pa，定义空气流体密度恒定为1.225 kg/m3，空气动力黏度为1.789 4×10-5 Pa·s。采用车高3.7 m作为特征长度，列车周围流场的雷诺数Re大于5×105，即列车周围流场处于湍流状态。考虑到车体周围流场的湍流漩涡，采用RANS方法，湍流模型选择k-ε模型。扩散项使用二阶中心差分格式，对流项选择二阶迎风格式进行离散，使用SIMPLE算法耦合压力-速度场，用迭代法修正压力[14-15]。
    译

    2 网格独立性验证

    在目前的模拟中，计算域由非结构化的六面体体网格离散化得到。对于3种不同的列车运行速度工况，计算模型采用相同的方法进行离散化，列车模型计算网格及网格剖面如图4所示。对车体、转向架、风挡、雨刮器等区域进行网格加密，保证计算的精确度。

    译

    fig

    图4  计算网格

    Fig. 4  Computational grid

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    为了验证网格对计算结果的影响，选取列车350 km/h速度等级工况对网格无关性进行验证，生成了3组网格（即粗、中、细网格）用于开展网格独立性研究。这3组网格的边界层厚度逐渐增加，近壁面第1层网格的厚度和增长比率保持不变，3组网格计算条件下350 km/h运行速度的列车和雨刷器总阻力如表2所示。综合考虑网格精度和计算成本，选用中等网格作为本次仿真的标准。

    译

    表2  网格独立性验证对比
    Table 2  Comparison of grid independence verification

    网格数量/

    （×104）

    		边界层数/层

    第一层

    高度/mm

    		增长率/%

    列车总

    阻力/N

    雨刷器

    总阻力/N

    2 650 8 0.1 1.2 21 336 58
    4 128 10 0.1 1.2 21 141 59
    6 521 12 0.1 1.2 21 125 57
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    3 计算结果及分析

    3.1 不同列车运行速度下雨刮器受力分析

    3车编组列车计算模型包括头车、中间车与尾车，其雨刮器分别安装在头车与尾车前挡风玻璃位置处，且雨刮器由双摇臂和双雨刮片组成，对称分布于前挡风玻璃两侧。为分析列车不同运行速度等级下头车与尾车前挡风玻璃位置处雨刮器的气动力特性，将头车两个雨刮器分别定义为H1和H2，尾车两个雨刮器分别定义为T1和T2。列车运行方向及雨刮器的位置示意如图5所示，头车位置处雨刮器受力分析示意如图6所示，沿列车运行方向受力为气动阻力，垂直列车运行方向的受力为侧向力，垂直轨面的受力为升力。

    译

    fig

    图5  列车运行方向及雨刮器分布位置

    Fig. 5  Train operation direction and wiper distribution position

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    fig

    图6  雨刮器气动力示意图

    Fig. 6  Schematic diagram of aerodynamic forces on wiper

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    当列车以300 km/h、350 km/h和400 km/h速度等级运行时，列车头车与尾车位置处雨刮器所受气动力的计算结果如表3所示。

    译

    表3  不同车速下雨刮器气动力分析
    Table 3  Aerodynamic force of wipers at different speed levels N

    列车速度/

    （km·h-1)

    		气动力头车雨刮器尾车雨刮器
    H1H2T1T2
    300 阻力 16.7 15.8 13.1 12.6
    侧向力 90.4 -91.9 -27.7 31.6
    升力 6.1 6.8 14.1 12.9
    350 阻力 22.7 21.4 18.0 17.3
    侧向力 123.2 -125.2 -38.1 43.6
    升力 8.4 9.4 19.4 17.9
    400 阻力 29.5 27.9 23.7 22.8
    侧向力 161.1 -163.7 -50.3 57.5
    升力 11.0 12.3 25.6 23.7
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    表3数据表明，随着列车运行速度的提高，雨刮器所承受的气动力显著增加，头车雨刮器与尾车雨刮器所受气动力存在明显的区别。在气动阻力方面，由于雨刮器在列车运行方向上与空气的接触面积小，因此所受阻力较小，头车雨刮器所受阻力大于尾车雨刮器，且随着列车运行速度的提高而增加，当列车运行速度为400 km/h时，所受最大阻力为29.5 N；在气动侧向力方面，雨刮器承受的侧向力相对于阻力显著增大，且头车雨刮器所受侧向力远大于尾车雨刮器，当列车运行速度为400 km/h时，H2所受侧向力为163.7 N，是T1所受侧向力的3倍多，可知列车高速行驶时侧向力是影响雨刮器性能的主要因素之一；在气动升力方面，雨刮器整体受力较小，且所受升力规律与阻力、侧向力不同，尾车雨刮器所受升力大于头车雨刮器。

    译

    在列车高速行驶过程中，雨刮器会受列车周围空气流动作用的影响。列车头部与尾部位置处空气流动复杂，两处雨刮器所受的气动载荷作用存在较大区别。由于雨刮器对称分布，取头车雨刮器H1与尾车雨刮器T1进行对比分析，得到不同速度等级下H1与T1所受气动力分布规律如图7所示。

    译

    fig

    图7  不同速度等级下雨刮器H1与T1气动力比较

    Fig. 7  Comparison of aerodynamic forces between wipers H1 and T1 at different speed levels

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    由图7可知，雨刮器所受的侧向力明显大于阻力与升力，且随着列车运行速度的提升，所受气动力显著增加。以列车300 km/h运行速度下雨刮器所受气动力为基础，当速度提升至350 km/h时，H1所受气动阻力提升了36%，T1所受气动阻力提升了37%；H1所受侧向力提升了36%，T1所受侧向力提升了38%；H1所受升力提升了38%，T1所受升力提升了38%。当列车运行速度提升至400 km/h时，H1所受气动阻力提升了77%，T1所受气动阻力提升了81%；H1所受侧向力提升了78%，T1所受侧向力提升了82%；H1所受升力提升了80%，T1所受升力提升了82%。

    译

    3.2 雨刮器表面压力分析

    通过对不同运行速度等级下雨刮器的受力分析可知，头车雨刮器与尾车雨刮器的受力存在较大的差别，雨刮器所受气动载荷与列车运行时头车与尾车位置处的流场密切相关。不同列车运行速度等级下头车雨刮器与尾车雨刮器上表面压力最值如表4所示。由表4可知，头车雨刮器表面压力最值大于尾车，且随着列车运行速度的提高，雨刮器表面压力随之增大。

    译

    表4  不同速度等级下头车和尾车雨刮器表面压力最值分布
    Table 4  Distribution of maximum surface pressures on wipers of head and tail cars at different speed levels ( Pa )

    列车速度/

    （km·h-1)

    		头车雨刮器表面压力尾车雨刮器表面压力
    最大值最小值最大值最小值
    300 4 134.6 -6 255.7 1 826.6 -4 271.3
    350 5 630.3 -8 538.2 2 521.6 -5 873.6
    400 7 358.5 -11 183.0 3 333.5 -7 731.5
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    由于高速列车头车与尾车雨刮器所受侧向力较大，并且雨刮器侧向气动力是影响雨刮器工作的主要因素，因此，为了分析雨刮器两侧的压差分布情况，在头车与尾车雨刮器的雨刮片和摇臂两侧均布置压力测点，两侧压力之差为雨刮片和摇臂沿垂直列车运行方向的压差。雨刮器压差测点位置如图8所示，朝向线路的一侧为外侧，朝向列车中心轴的一侧为内侧，图8(b)所示为雨刮片和摇臂外侧的压力测点位置示意，内侧测点在外侧测点相同位置的对侧。不同运行速度等级下雨刮器H1、H2、T1、T2上雨刮片和摇臂表面两侧的压差如表5所示。

    译

    fig

    (a)  雨刮器压差测点方向定义

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    fig

    (b)  雨刮器外侧测点位置示意

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    图8  雨刮器压差测点

    Fig. 8  Pressure difference measurement points on wiper

    表5  不同速度等级下头车尾车雨刮器上雨刮片和摇臂表面压差
    Table 5  Surface pressure differences between the wiper blades and rocker arms on head and tail cars at different speed levels ( Pa )

    列车速度/

    （km·h-1)

    		测点位置H1H2T1T2
    雨刮片摇臂雨刮片摇臂雨刮片摇臂雨刮片摇臂
    300 外侧 -1 508.5 -264.1 -1 552.5 -266.7 -3.8 106.1 9.1 109.5
    内侧 219.4 367.4 209.8 370.7 -875.4 -326.1 -871.4 -330.7
    压差 -1 727.9 -631.5 -1 762.3 -637.4 871.6 432.2 880.5 440.2
    350 外侧 -2 057.3 -360.8 -2 117.4 -364.2 1.0 144.7 18.3 149.7
    内侧 297.4 497.9 284.9 502.4 -1 198.3 -448.3 -1 201.5 -455.4
    压差 -2 354.7 -858.7 -2 402.3 -866.6 1 199.3 593.0 1 219.8 605.1
    400 外侧 -2 690.6 -472.0 -2 770.2 -477.2 7.6 189.5 30.4 196.2
    内侧 388.0 648.1 371.3 653.8 -1 572.8 -591.1 -1 585.0 -599.9
    压差 -3 078.6 -1 120.1 -3 141.5 -1 131.0 1 580.4 780.6 1 615.4 796.1
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    由表5可知，头车雨刮器表面外侧的压力为负值，内侧为正值，压差方向由内侧指向外侧；尾车雨刮器表面压力与头车雨刮器相反，外侧的压力为正值，内侧为负值，压差方向由外侧指向内侧；且雨刮片上两侧表面压差绝对值大于摇臂表面，头车雨刮器两侧压差大于尾车雨刮器。随着列车运行速度的提升，相对于300 km/h，列车速度提升至350 km/h时，头车雨刮器上两侧压差提升了36%，尾车雨刮器上两侧压差提升了38%；列车速度提升至400 km/h时，头车雨刮器上两侧压差提升了78%，尾车雨刮器上两侧压差提升了82%。

    译

    为比较列车在高速运行过程中头车与尾车处的压力分布以及雨刮器上压力分布的规律，取列车运行速度400 km/h时表面压力云图进行对比。列车头部与尾部的压力分布云图的俯视图如图9所示，列车雨刮器位置处压力分布云图如图10所示。

    译

    fig

    (a)  头车

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    fig

    (b)  尾车

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    图9  400 km/h速度等级下头车和尾车压力分布

    Fig. 9  Pressure distributions on head and tail cars at speed level of 400 km/h

    fig

    图10  400 km/h速度等级下头车和尾车上雨刮器压力分布

    Fig. 10  Pressure distributions on wipers of the head and tail cars at speed level of 400 km/h

    (a)头车 (b)尾车

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    由图9可知，列车高速运行过程中，头车鼻尖位置处为正压区域，司机室前挡风玻璃处呈正压分布，这两个区域的压力值明显大于尾车；而在司机室玻璃上方与雨刮器位置处呈负压分布，头车司机室玻璃上方负压绝对值大于尾车，从头车与尾车压力云图可以看出，头车位置的空气流动更为剧烈，压力分布的幅值明显大于尾车位置处。

    译

    由图10可知，头车雨刮器的压力幅值大于尾车，且雨刮器的两侧压力分布不同；头车雨刮器靠车体外部一侧的表面分布为负压区，另一侧为正压区，因此雨刮器受到压差作用，产生向外转动打开的力，由此可以说明雨刮器H1与H2，T1与T2产生的侧向力方向相反。

    译

    3.3 雨刮器位置处流线分布规律

    列车在高速行驶过程中，车头与车尾位置处的空气流动存在较大差异，导致头车与尾车雨刮器处的压力分布不同，空气流经雨刮器处的流动分布是影响雨刮器气动特性的重要因素之一。为分析列车高速运行状态下头车与尾车位置处的空气流动分布情况，本文给出了400 km/h车速等级下头部位置及雨刮器处的流线分布（如图11所示）和列车尾部位置及雨刮器处的流线分布（如图12所示）。

    译

    fig

    图11  400 km/h速度等级下头车及雨刮器处流线分布

    Fig. 11  Flowline distribution at the head car and wiper at speed level of 400 km/h

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    fig

    图12  400 km/h速度等级下尾车及雨刮器处流线分布

    Fig. 12  Flowline distribution at the tail car and wiper at a speed level of 400 km/h

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    通过列车头部和尾部壁面剪切应力及流线分布可以看出，列车头部位置处的空气流动速度快，尤其是在司机室前挡风玻璃顶部和雨刮器两侧位置空气流速较快。头车及雨刮器位置空气流动的方向由列车鼻尖处向后流动，在司机室前挡风玻璃前部，空气流动方向主要是向车体两侧流动和沿前挡风玻璃向上流动。由于空气在雨刮器处向两侧运动，且雨刮器外侧的空气流动速度较快，导致雨刮器外侧成为较为明显的负压区域，这使得头车雨刮器产生由列车中心轴向两侧展开的受力趋势。

    译

    相对于头车区域的空气流动情况，由于空气流经尾车时产生了流动分离，使得尾车区域空气流速明显减小，雨刮器受到的空气作用减小。尾车处的空气流动规律与头车相反，空气由车体向尾车鼻尖点流动，流动呈汇聚状态。在司机室前挡风玻璃前部，空气分别由两侧车窗玻璃和司机室顶部朝尾车鼻尖点流动，并在尾车鼻尖点两侧产生流动分离现象，因此尾车雨刮器产生由两侧向列车中心轴靠拢的受力趋势。

    译

    通过头车与尾车位置处空气流动的分布情况可以清晰地解释雨刮器侧向力的受力规律。

    译

    4 结论

    本文通过数值仿真研究手段，分析了不同列车运行速度等级下雨刮器的气动特性及影响规律，得出结论如下：

    译

    ①列车高速行驶过程中，雨刮器主要受侧向力作用。随着列车运行速度的提高，雨刮器受到的气动载荷增大，当列车运行速度由300 km/h提升至350 km/h时，雨刮器所受气动阻力、升力、侧向力提升了36%~38%；当列车运行速度由300 km/h提升至400 km/h时，雨刮器所受气动阻力、升力、侧向力提升了77%~82%。

    译

    ②列车速度为300 km/h时，雨刮器两侧压差绝对值最大为1 762.3 Pa；当列车速度提升至350 km/h，雨刮器两侧压差绝对值最大为2 402.2 Pa，相对于300 km/h，增加了36%；当列车速度提升至400 km/h，雨刮器两侧压差绝对值最大为3 141.5 Pa，相对于300 km/h，增加了78%。

    译

    ③通过头车、尾车及雨刮器位置处的压力云图分析得出，头车司机室前挡风玻璃下部位置处的正压值大于尾车位置，并且头车司机室顶部处的负压值幅值大于尾车位置。头车雨刮器两侧呈现明显的负压分布，且幅值远大于尾车雨刮器，因此头车雨刮器受到的气动载荷情况比尾车雨刮器更加恶劣。

    译

    ④头车处空气流动复杂，头车雨刮器位置处空气由中间向两侧流动，使得雨刮器受到侧向的气动力；尾车雨刮器位置处的空气由两侧向中间流动，因此产生由两侧向中间合拢的运动趋势。由列车头部与尾部处的空气流动可以分析出头车尾车雨刮器所受气动力方向相反。

    译

    从本文研究结果可以看出，列车运行速度的提升显著影响雨刮器气动特性。研究结果可为高速列车雨刮器的设计、安装及结构安全性评估提供参考。

    译

    参考文献

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