1．引言

随着列车运行速度的提高，列车与空气之间的相互作用越来越明显，一些低速时被忽视的气动问题逐渐显现[1,2]。研究表明，当列车运行速度超过300 km/h时，气动阻力与列车总阻力之比可达到近90%，且该比值随速度的增加而增大[3,4]。风挡作为列车尾部的重要组成部分，在流体中容易产生空腔效应，增加了列车的气动阻力[5]。当列车通过弯道时，相邻车厢之间的距离是不断变化的，因此通常采用具有一定弹性和刚度的橡胶来制作列车风挡。由于橡胶的疲劳性能低于金属材料，橡胶风挡周围的脉动气流会引起风挡的振动。长期的振动容易造成橡胶风挡开裂或损坏，影响列车运行的安全稳定[6]。因此，研究其气动特性对保证列车安全舒适运行具有重要意义。

目前，对高速列车气动阻力的研究主要集中在对现有风挡形式的定性和定量分析上。Hhrbst [7]通过数值模拟和多目标优化工具，结合CFD模拟中模态分解对尾迹影响的知识，推导出了一个多目标优化器，以促进高速列车减阻优化设计。Woo[8]以风挡安装间隙为研究对象，结合风洞试验和数值模拟，分析了间隙距离对车端连接部位气动噪声的影响，为风挡安装距离的优化提供了理论参考。Mizushima [9]收集了列车实际运行过程中全封闭、半封闭和双面风挡的气动噪声，并对不同的数据进行了对比，得到了不同风挡对高速列车气动噪声的影响。在此基础上，对新型结构风挡的设计及气动特性研究较少。

本文针对橡胶挡风存在的问题，设计了一种机械挡风结构，以获得更好的挡风区域气动性能。为了验证该结构的综合性能，建立了三车高速铁路有限元系统模型，并在300 km/h、400 km/h和500 km/h的速度下对机械外风挡进行了数值模拟。通过与现有风挡数据的对比，研究了机械外风挡的气动阻力特性。

2．机械结构设计

2.1机构设计

目前，高速列车上使用的风挡都是橡胶材质。但橡胶的疲劳性能低于金属材料，现有的橡胶风挡在气动载荷和复杂外部环境的作用下，在使用过程中易出现裂纹、撕裂、脱漆等现象。同时，此类大型橡胶风挡产品合格率低，更换频繁导致列车运行成本增加。因此，本文通过合理的运动分析和机械结构设计，设计了一种机械式外风挡，避免了现有风挡的缺陷。总体结构如图1(a)所示。

图1 机械外风挡结构示意图:(a)总体结构图(b)工作原理图

2.2工作原理

图1(b)为机械外风挡的运动原理图。由图可知，机械外风挡的运动主要包括x轴(列车运行方向)的伸缩和z轴(垂直地面方向)的旋转。风挡结构采用整体式设计，铝制框架作为车厢间外风挡接触面的骨架。骨架采用耐磨性好、耐高温的聚四氟乙烯材料涂层，形成风挡之间的接触部分。骨架与车体之间设有由多个轴承组成的连接机构，实现风挡的伸缩和扭转运动。为避免列车在闸道内行驶时因角度变化大而造成的结构间隙，在车厢内部设置了伸缩装置。当结构偏转时，伸缩结构和骨架一起移动，填补结构之间的空隙。同时，为防止机械部件之间的运动相互干扰，各部件之间留有5mm的间隙，以保证机构的运动。

3. 计算方法

4. 数值模拟

4.1计算模型

计算模型采用三台高速动车组，分别为车头、中车和尾车。本文主要研究机械外风挡的气动特性和噪声，而忽略了车把、踏板、自动扶梯、受电弓和转向架等结构部件。列车模型尺寸约为L = 78 m, w = 3.3 m, H = 4 m，如图2(a)所示。

为了比较机械风挡的气动阻力特性，选择四种类型的风挡进行研究，分别是内风挡(类型1)、车身侧风挡(类型2)、车身侧和顶风挡(类型3)和机械风挡(类型4)。风挡的模型如图2(b)-2(e)所示。

图2计算模型:(a)车辆分组模型(b)内风挡(c)车身侧风挡(d)车身侧和顶部风挡(e)机械风挡

4.2 Mesh策略

使用Fluent mesh软件进行网格划分。在计算区域生成高质量的六面体网格，在复杂边界区域生成四面体网格。为了准确模拟列车面层的流动，采用棱柱边界层对列车壁进行加工。计算域网格如图3所示。

图3计算网格的配置

4.3计算域和边界条件

图4显示了计算域的大小和边界条件。为了减小边界对流体区域的影响，保证流场区域的充分发展。计算域的长度为4l，宽度为20w，高度为10h。区域入口到机头的距离为1 L，尾迹区长度为2 L，列车距地面0.5 H。在计算域的侧面和顶部设置对称边界条件，入口设置速度入口，压力出口设置0 Pa，底部设置滑动壁。为了模拟真实运行过程中列车与地面的相对运动，运动壁面的速度大小和方向与进气道条件一致。

图4计算域和边界条件

4.4计算方法的验证

采用四种不同的网格密度来验证其独立性。以300 km/h的速度监测1、2、3点静压与网格量的关系，以下模拟采用420万网格划分方法进行划分。

5. 结果与分析

5.1整车气动阻力分析

列车行驶过程中的气动阻力由压差阻力和摩擦阻力组成。摩擦阻力是由流体中的粘性剪切应力形成的。压差阻力与元件形状有很大关系，元件之间的压差是压差阻力的主要来源。

表1整车的压差阻力和摩擦阻力(N)

从表1可以看出，高速列车的摩擦阻力在气动阻力中起着主导作用，在相同速度下，四种风挡的摩擦阻力值变化不大；不同速度下，与内风挡相比，车身侧挡风列车的压差减小了729 N、1250 N和1712 N，车身侧挡风和顶部挡风列车的压差阻减小了686N、1417 N和1980N，机械外挡风列车的压差阻力分别降为1116N、2027N和2955 N，可见机械式风挡能够明显降低列车的气动阻力。

5.2风挡气动阻力分析

为了进一步分析机械外风挡对头尾车摩擦阻力系数和压力阻力系数的影响，将500 km/h速度下头尾车和风挡的压力阻力系数、摩擦阻力系数、总阻力系数和减阻率汇总如表2-4所示。

从表中可以看出，列车接处的气动阻力主要来自于压差阻力。当只有内风挡时，连接处的摩擦阻力趋于零。在四种风挡中，机械外风挡的减阻效果最好，比内风挡低约0.01365。前端的列车头部是压力最大的位置。而列车在尾部高速运动时，会产生一定程度的真空，这会给列车尾部带来向后的拉力。因此，头部和尾部的阻力系数最大。采用机械风挡的高速列车在车头和尾部的气动阻力系数分别降低了0.00571和0.00327。

6. 结论

（1）随着列车速度的提高，不同类型的风挡所产生的气动阻力系数都会上升。相同速度下，不同类型的风挡压差减阻效果不同。其中机械式风挡的气动阻力系数最小，比内风挡抵约11%。对比四种风挡形式的列车气动阻力系数发现机械式风挡＜车体两侧及顶部半封闭风挡＜车体两侧半封闭风挡＜内风挡；

（2）车厢连接处的气动阻力主要来自压差阻力。仅安装内风挡时，车厢连接处的车体粘性系数趋近于零，机械式风挡粘性阻力最大，相应压差变化小，所产生的压差阻力最小，与仅有内风挡相比，总阻力系数减小了约0.01365；

（3）机械外风挡整体性好，表面平整度好，压力梯度变换平缓，产生的压差阻力小。随着车速的增加，不同风挡的气动阻力系数均呈减小趋势。机械外风挡在相同速度下减阻效果最好。

参考文献

[1]薛志强，(2001)高速列车空气动力学。流体力学年鉴33(1)，371-414。

[2]李建军，李建军，李建军，(2002)高速铁路列车空气动力学研究。航空航天科学进展38(6/7)，469-514。

[3]杨国文，郭德亮，姚绍波，刘春华，(2012)中国高速列车气动设计。科学。中国技术科学55(7):1923-1928。

[4]牛建强，周丹，刘廷辉，梁晓峰，(2017)多单元高速列车气动性能数值模拟。车辆系统动力学[1-23]。

[5]张建军，张建军，张建军。风力工程与空气动力学[j] .北京:北京大学学报(自然科学版)。

[6]王晓明，(2002)橡胶疲劳分析方法的研究进展。国际疲劳学报，24(9):949-961。

[7]Hhrbst A H, Muld T W, Efraimsson G. Aerodynamic prediction tools for high-speed trains[J].International Journal of Rail Transportation,2014,2(1):50-80.

[8]Woo C S, Kim W D, Kwon J D. A study on the material properties and fatigue life prediction of natural rubber component[J].Materials Science & Engineering A,2008,483(none):376-381.

[9]Mizushima F, Takakur H, Kurita T,et.al.Experimental Investigation of Aerodynamic Noise Generated by a Train-Car Gap[J].Journal of Fluid Science and Technology,2007,2,(2):1943-1951.

作者简介：

谭磊，男，1988年9月20日，山东青岛人，汉，高级工程师，博士研究生，研究方向：车外设备设计安装及结构强度。