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基于XFlow的高速列车绕流数值模拟

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戴志远,张晓涵，李田，张继业

西南交通大学牵引动力国家重点实验室，成都610031

*litian2008@home.swjtu.edu.cn

摘要:基于计算流体力学理论，建立高速列车明线单车空气动力学计算模型，利用XFlow数

值仿真软件进行数值模拟分析，研究高速列车明线单车运行时的气动性能，包括列车的表

面压力、近壁面速度分布及列车周围的流场分布情况。研究结果表明：数值模拟计算在

t=1s与t=1.25s约180个时间步实现收敛，收敛后的鼻尖驻点压力系数为1.18；头车鼻尖位

置的速度最低，向后速度逐渐增大，车窗突起位置速度有所减小，车窗的中后部速度最

大；头车鼻尖位置压力最大，排障器区域次之，车窗突起位置有较小高压区；列车的转向

架区域、车底区域与尾流区为强涡量区域，列车周围的涡主要为带状涡，且车体左右两侧

的涡量及尾流区域的脱落涡基本呈对称分布。

关键词:高速列车；气动性能；数值模拟；XFlow

1.引言

铁路高速化是目前世界的总趋势，列车的提速不但给人们带来了方便，而且取得了重

大的经济收益。但是随着列车速度的不断提高，列车空气动力学特性对列车、人员及配套

设施的影响越来越显著。气动噪声会随着速度的提升变得更加显著（2006，田红旗）；机

车车辆在高速运行时对强度和密封性也提出更高的要求；铁路周边建筑和设施的抗风标准

要提高，路边作业人员和站台上旅客距列车的安全距离要加大（2011，Xiong），机车的动

力性能要增强，这些问题都与列车高速运行时的空气动力学现象有关。因此研究列车高速

运行时气动性能具有十分重要的意义。

国内外研究学者通过线路试验（2010，邓俊），水洞和风洞模拟试验（1985，Ahmed

SR；2013，张在中），理论分析和各种数值计算（2012，李田；2011，郑循皓；2018，王

政）对高速列车的外部流场特征及其他气动性能有了一些初步的了解。但线路试验，风

洞、水洞试验成本较高且操作繁琐、复杂，因此数值模拟以其简单方便经济性好的优点成

为目前空气动力学研究的主要途径，并且随着计算机性能的提升，数值模拟的应用更加广

泛。众多学者也为提高数值模拟的精度、速度做了大量工作，Li（2018，Li）给出了在进

行数值模拟计算时如何选择准确的湍流模型、计算方法；Morden（2015,Morden）对比了

RANS模型与DetachedEddySimulation（DES）模型的计算精度，并给出了计算的合理化

建议等。但以上研究都需要经过网格划分，并且网格质量对计算精度的影响较大，本文采

用新型的无网格数值模拟方法对高速列车进行数值模拟，并对列车表面压力、周围流场进

行分析，对以后空气动力学数值模拟计算具有借鉴意义。

2019达索系统SIMULIA中国区用户大会

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2.计算模型

2.1几何模型

本文列车计算模型采用三车模型，即头车、一节中间车和尾车，为简化计算，忽略受

电弓、门把手、车灯等车体表面凸出物，保留转向架、风挡等结构。列车计算模型如图1

所示，其中，列车长度L=78.08m，列车特征高度H=3.728m。

图1列车几何模型

2.2计算域及边界条件

理论上列车周围流场的计算区域应无限大，但实际数值模拟中只能采用有限的空间，

因此为充分考虑列车周围的绕流情况，计算区域的尺寸取值应当足够大，即车体距离计算

区域的边界要足够远，尤其是列车尾部，计算区域的边界不能影响尾涡的发展，但过大的

计算区域又会降低计算效率。根据欧洲标准EN14067-6（2010，EN14067-6）和国内标准

TB/T3503.4（2018，TB/T3503.4）的规定：计算区域高度方向至少应为8倍特征高度，长

度方向上游至少应为8倍特征高度，下游方向至少应为16倍特征高度。为综合考虑计算速

度与计算精度的均衡，选取的计算区域如图2所示，长度方向上游为12H，长度方向下游

为24H，高度为