高速列车空气动力学CAE分析技术的任务和方向

　　　1 高速铁路设计中CAE分析技术的应用

　　在列车时速低于200 km的铁路设计中，轮轨激励及其引起的振动是列车结构设计中考虑的主要问题，故在该阶段主要使用的CAE分析技术是结构强度、刚度仿真分析，一般刚体动力学仿真分析及与电器电路有关的电磁场仿真分析，很少涉及空气动力学仿真分析，只有在计算空气阻力时涉及流体力学的一些理论与基本方法，基本不需要CFD技术.但是，在列车时速超过200 km，尤其是接近350 km或者更高时，不仅列车的主要阻力来源于空气，高速气流产生的脉动压力也成为列车振动的主要外载，空气噪声远远超过轮轨噪声成为主要噪声源.在低速列车中，受电弓处产生的空气噪声强度与轮轨噪声基本相当，而在高速列车中，受电弓处产生的空气噪声可以让轮轨噪声忽略不计.使用理论方法分析复杂结构具有很大困难，高速风洞的欠缺使试验测试手段受到制约.因而，在高速铁路的设计分析中，CFD技术成为目前解决与空气动力学相关课题的重要手段.从图1可以清楚看到CAE分析技术在低速铁路和高速铁路设计分析中各学科的比例.

　　图1 CAE分析技术在低速和高速铁路设计分析中各学科的比例

　　2 高速列车CFD分析的3大任务

　　在高速列车设计和分析中，进行空气动力学分析的数值方法须完成3个比较重要的任务：(1)高速列车行驶时的空气阻力;(2)各种行车工况下的脉动压力;(3)由脉动压力产生的空气噪声.

　　(1)使用一般的CFD计算分析软件就可以较为准确地获得高速行驶时空气阻力的计算结果.目前较为常用的CFD软件有FLUENT和STAR.CD等.车速在350 km/h时，雷诺数较小，空气仍然可以看作不可压缩，此时进行稳态或者瞬态计算分析便可得到列车阻力与车速的关系.主要困难在于，为了降低空气阻力、提高稳定性，目前对车头进行流线型侧翼添加导流槽设计，给流体分析带来网格剖分的难度，一般使用高密度网格可以比较好地解决该问题.

　　(2)在高速列车会车时，气动作用力发生很大变化.两列车相对运行会车时的气动作用影响随车速的2次方函数递增.因此随着列车运行速度的提高，会车时产生的气动压力波对列车侧壁和侧窗强度的影响、对车内乘客舒适度的影响以及对列车运动稳定性的影响急剧增加，广深线准高速列车运行初期因会车导致的破窗事故就多次发生.

　　在计算分析时，不可压缩与可压缩的判别非常重要.从理论上讲，200 km时速的列车会车时，相对速度已经达到400 km/h，雷诺数较大，应当考虑空气的可压缩性，但研究表明，此时空气的可压缩性对气动压力波影响较小，见图2.列车以350 km时速交会时，相对速度达700 km/h，必须考虑空气的可压缩性，见图3.从图2和3可以看出，低速会车时负压最大为800 Pa左右，而高速会车时负压已经接近2 500 Pa.

　　图2低速可压缩与不可压缩产生的压力对比

　　图3高速会车时的压力曲线

　　(3)高速列车噪声的气动声学数值分析是高速列车流体分析的重要内容.高速列车噪声一般产生在舱门、挡雪板、转向架、雨刷和集电部等5个部分.集电部的噪声源强度可以达到120 db左右，在进行空气阻力和会车压力波分析时，由于以上5个部分结构部件相比车体细小且复杂，所以不能考虑进去，尤其是集电部有众多电子及绝缘部件必须进行单独的流体分析。在集电部噪声源分析技术方面，日本和法国等国家积累的经验相当丰富，图4是日本依据CAE分析技术改进后的几代集电部形态，可以大大降低噪声.

　　图4 日本依据CAE分析技术改进的几代集电部形态

　　3 高速列车空气动力学CAE分析技术的方向

　　(1)借鉴航空器，尤其是飞机设计中的空气动力学数值分析技术和手段，建立对高雷诺数流体的数值模拟方法.

　　(2)高速列车在会车时，有明线车、隧道会车，等速及不等速会车，以及直线会车、弯道会车等各种复杂工况，这些数值分析都需要发展动网格和滑移网格技术.虽然已经有研究者在各种分析平台上实现了这些技术的应用，但是求解规模和效率受到很大限制.

　　(3)开发具有自主知识产权的高速列车空气动力学分析模块，建立中国高速列车专用的数值风洞，具有国际战略意义.中国不仅要在自己的土地上建设世界上跑得最快的火车，而且要拥有自主知识产权，并成为技术输出大国.建立高速列车数值风洞，意义深远.