王 伟，谢红太，2

（1 华设设计集团股份有限公司 铁道规划设计研究院， 南京 210014；
2 兰州交通大学 机电工程学院， 兰州 730070）

上世纪六十年代以来，世界高速列车实现了从速度200 km/h 到国内大范围速度350 km/h 运营的迅猛发展。现阶段，随着我国CR450 平台动车组及国际下一代更高速度等级高速列车的研究攻关，高速列车空气动力学问题表现尤为突出［1-3］，直接威胁着铁路行车安全。列车空气动力学问题主要聚焦在高速列车外形设计及外部行车环境的适应性研究2 个主要方面，气动特性表现复杂多变［4-5］，为满足高速列车设计需求，需对高速列车空气动力学性能做深入研究。

结合现有研究试验成果及初步实践应用来看，目前在高速列车风阻制动研究领域，风阻制动系统普遍采用在高速列车车顶纵向布置板型制动风翼板实现空气辅助制动的方式，但在风阻制动装置结构设计、安装布置方式及辅助制动控制等方面，国内还处于起步研究阶段。

田春等人［6］采用计算流体动力学方法计算了8 编组高速列车全列车车顶不同纵向位置处安装制动风翼板时，制动风翼板外围流场特性，初步显示：沿列车运行方向首排制动风翼板所提供的有效制动力最大，其余后续各组制动风翼板产生的制动力沿纵向安装位置往后逐渐减小，且减幅逐渐变缓。高立强等人［7］重点聚焦高速列车头车风阻制动装置的设置及分布研究，通过头车车顶分别设置多组制动风翼板进行了气动干扰效应规律研究，初步显示：当车顶相邻纵向布置的2 排制动风翼板设计间距超过20 m 后，气动干扰效应基本消失，考虑消除气动影响多排制动风翼板布置时，后续各排所提供有效制动力较前一排均略有降低。

文中在高速列车头车车顶纵向位置分别以最大等间距的布置方式，分别提出1～5 组制动风翼板设置方案，基于三维定常不可压的黏性流场N-S及k-ε双方程模型［8-10］，采用计算流体动力学方法对其所产生的制动力及气动效应做初步研究。计算高速列车流体动力学模型创建具体参照文献［11-13］中相关内容，整车计算几何模型采用3 辆编组1∶1 实车模型，忽略车体外部复杂的细部结构，如门把手、连接风挡、受电弓及车底转向架等部件，进行网格划分并设定边界条件。

制动风翼板选用整体长方形板型结构，非制动状态时，风翼板内嵌于列车顶面下陷凹槽中，制动板周围车体表面可以考虑为光滑表面；
高速制动时，升起风翼板凹槽补偿机构进行填补，可有效改善车顶表面流场结构，大大削弱风阻制动噪声，因此该状态下风翼板周围车体表面可以考虑为光滑表面。

结合现有研究技术成果［14-15］，首排风阻制动板的位置距离头车车身与司机室流线型连接处D0点越往后，风翼板产生的制动力越低，其在200～500 mm 范围内，制动力大小基本不变；
但在风翼板迎风面表面所受压力均匀性、高速运行时制动平稳性及风翼板安装组件使用可靠性等随着距离D0点越往后越好，列车点头运动现象也可得到轻微缓解。同时制动板的开合角度为75°时最优［16-17］。因此文中设定首排制动风翼板设置位置距离D0点500 mm，风翼板迎风角为75°。高速列车头车车顶纵向位置多组制动风翼板布置如图1 所示。

图1 多组风翼板布置示意图（单位：m）

2.1 列车表面压力

建立高速列车空气动力学计算模型，以风速为350 km/h、制动风翼板迎风角为75°、首排风翼板距离D0点500 mm，分别对装配布置1～5 组制动风翼板做流体动力学仿真计算分析。列车头车纵向对称面上制动风翼板前后流场压力和速度分布分别如图2～图6 所示。

图2 1 组风翼板布置纵向对称面分析

图3 2 组风翼板布置纵向对称面分析

图4 3 组风翼板布置纵向对称面分析

图6 5 组风翼板布置纵向对称面分析

在高速列车头车车顶以最大等间距布置多组制动风翼板时，随着风翼板布置组数的逐次增多，相邻制动风翼板间的气动干扰效应表现愈突出。逐次对制动风翼板1～5 组设置方案模拟计算，第1组风翼板纵向前后气流扰动效应最为明显，所形成的正压区和负压区最强，同时影响范围最广，远大于后续各组；
在保持第1 组风翼板相对位置的基础上，随着设置风翼板布置组数的增多，第2 组及后续风翼板前后气流扰动效应逐步减弱，所形成的压力场强度逐渐变小，范围逐渐收缩。

图5 4 组风翼板布置纵向对称面分析

分别提取带多组制动风翼板列车纵向对称面上部外流场与列车截面接触线，如图7 所示，计算从头车至尾车接触线长度—压力分布曲线，如图8所示。

图7 带制动风翼板列车纵向对称面接触线提取示意图

由图8 可知，高速列车车顶纵向多组制动风翼板安装布置时，其纵向对称面上所受压力变化及分布主要表现为：

图8 列车纵向对称面上部接触线压力曲线

（1）随着风翼板布置组数的逐步增多，列车纵向对称面上部流固接触线所受压力在对应制动风翼板纵向安装中心位置前后呈正负变化的趋势，同时在各制动风翼板安装中心位置对应出现多个迎风面正压力峰值与负压力峰值，且关于标准大气压正、负压力峰值基本相当。

（2）第1 组（首排）制动风翼板迎风面所受正压与背风面所受负压峰值及压差达到最大，且远大于后续各组。随着风翼板布置组数的逐步增多，第1 组制动风翼板前后所受正负压力基本保持不变，而后续各组制动风翼板前后所受压力峰值基本保持同步、平稳缓慢降低。

2.2 列车风阻特性分析

分别对布置多组制动风翼板高速列车设定目标参数，进行纵向空气阻力、垂向升力及横向力迭代计算分析，不同速度等级运行情况下对应空气阻力FD及垂向升力FL如图9 所示。由于首排制动风翼板主要改变了高速列车车顶范围的初始空气流场结构，对于有效风阻制动力的贡献最为突出。当多组布置时，随着后续纵向制动风翼板布置间距的逐步压缩，列车纵向投影基本维持不变，此时所受空气阻力略有增加，但增加幅度逐渐趋缓，阻力增加主要表现在带制动风翼板列车整体表面复杂程度上，所受垂向升力基本维持平稳。

图9 不同组数风翼板列车空气阻力与升力

不同速度等级运行情况下高速列车头车车顶纵向布置1～5 组风翼板时对应速度—空气阻力FD及垂向升力FL拟合曲线分别如图10、图11 所示。

图1 0 带多组风翼板列车速度—空气阻力拟合曲线

图1 1 带多组风翼板列车速度—垂向升力拟合曲线

高速列车所受空气阻力为式（1）：

所受垂向升力为式（2）：

其中，C1为计算空气阻力系数为式（3）：

C2为计算升力系数为式（4）：

式（1）～式（4）中，V为静止风环境中列车运行速度；
AD为迎风面积，即列车纵向投影面积，m2，文中取制动风翼板纵向投影面积S0=0.956 m2，不带制动风翼板列车纵向投影面积S=10.863 m2，迎风面积AD=S+S0=11.819 m2；
AL为列车垂向投影面 积，m2，文 中 取AL=274.059 m2；
ρ为 空 气 密 度，kg/m3，根据计算模型热动力参数（P=101 325 Pa，T=293.2 K），文中取ρ=1.205 kg/m3；
CD为阻力系数；
CL为升力系数。

分别拟合计算带多组风翼板时高速列车计算模型阻力系数CD、升力系数CL、计算阻力系数C1及计算升力系数C2值见表1。由表1 可知，随着风翼板布置组数的逐次增多，列车空气阻力系数CD在0.24～0.33 范围内逐渐缓慢增加，列车升力系数CL基本保持稳定，约在2.1×10-3左右微小波动。

表1 不同组数风翼板列车气动特性系数值

2.3 风翼板特性分析

分析计算制动风翼板迎风面所受压力分布，如图12 所示。高速列车头车车顶纵向布置多组风翼板时，第1 组风翼板迎风面所受气动压力最大，达到全局最大值，随着风翼板设置组数的增多，后续各组风翼板迎风面受压基本保持同步减弱。

图1 2 多组风翼板迎风面压力分布

采用计算流体动力学方法对带制动风翼板高速列车气动性能分别从列车所受各向气动力及气动干扰效应等方面对多组风翼板纵向布置的选择确定做了详细计算说明。初步研究表明：

高速列车头车车顶纵向以最大等间距的方式布置多组制动风翼板时，制动风翼板迎风面所受正压力及背风面所受负压均表现出在首排风翼板前后达到最大值，所提供的风阻制动阻力最大，且远大于后续各组。同时后续各组正负压力峰值基本保持一致，同步缓慢减小。随着风翼板布置组数的增多，制动风翼板间流场结构复杂多变、气动干扰效应逐渐增强，影响范围逐次扩大，当风翼板以最大间距布置组数大于2 组时，随着组数的增多所产生的空气制动力缓慢增加，阻力系数大于0.29，所产生的垂向升力基本维持稳定，升力系数约为2.1×10-3。

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