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摘 要：参考我国目前已有的机车和集装箱平车的外形参数并经过适当合理的简化，建立数值计算所需的机车连挂三节集装箱平车的物理模型，并基于三维定常不可压缩Navier-Stokes方程及SST k-？棕 两方程湍流模型，利用STAR-CCM+数值计算了横风下高速集装箱平车空气动力学，得到了高速集装箱平车气动载荷随风向角的变化规律、不同横风速度下列车截面压力流线图。
关键词：高速，集装箱平车，空气动力学，STAR-CCM+
high speed， container flat wagon， aerodynamics， STAR-CCM+
高速铁路貨运体现了比普通列车快速、比航空运输成本低的竞争优势。法国 Y37 型转向架取得了 281.8km/h 的世界货车最高试验速度；德国正在设计构造速度达到200km/h的高速货车，其Tolbat工厂成功研制的高速货车曾经创造货物列车230km/h的世界记录。2000年1月，德国铁路公司（DB）开始为德国邮政公司在南北线上开展城际包裹运送业务，该业务采用DBSgss-y703型4列车（一种专用的集装箱列车），限速在160km/h以内。
集装箱运输是当今世界公认的先进和快捷的货物运输方式，具有高效率和高效益的优点，是铁路货物运输的发展方向。而高速空集装箱列车的空气动力学性能尤其是在环境风下的空气动力学性能会受到严峻的考验。在强侧风作用下，列车空气动力性能恶化，不仅空气阻力、升力、横向力迅速增加，还影响列车的横向稳定性，严重时将导致列车倾覆。
鉴于上述情况，本文采用流场计算软件star-ccm+对侧风环境下高速集装箱平车空气动力学性能进行了数值计算。
1、研究方法
1.1 数值模拟
其数学模型的控制方程为[5]：
1.2 计算模型
计算模型采用的是DF9型机车连挂三节装有40英尺集装箱的平车模型，模型中省略了车头灯、门把手等，将列车表面简化成光滑曲面，同时为了更精确的确定列车的压力分布、外部流场和列车所受气动载荷，考虑了车底的转向架。最终列车物理模型如图1-1所示。
图1-1 列车物理模型三维图
1.3 计算区域
本文中所用模型的坐标系位于第一节集装箱平车前转向架的中心。计算域的具体尺寸见图1-2。
1.4 计算网格
本文采用切面体网格对计算区域进行划分，网格总数240万。为了较为精确的模拟列车周围的流场，在建立流场网格模型时，靠近列车表面的网格应相对远离车身处密集；另外由于附面层效应，在紧贴车身表面的网格设置了足够密的边界层，边界层各层之间的增长比为1.5，总厚度为20mm，从而可保证得到较为精确的列车表面各参数。
图1-2 计算区域
1.5 计算边界条件的设定
根据相对性原理在流场中设定速度入口边界条件，来流速度大小为列车运行速度，方向与列车运行速度方向相反；出口为压力出口边界，出口压力相对于参考大气压为零；对地面考虑地面效应，设定地面移动速度与主流入口流速大小相等，方向相同；顶面设为对称边界；列车表面设定为有摩擦的墙边界（no-slip wall）；其余为墙壁（wall）边界。
2、计算结果及分析
2.1 不同风向角下列车气动载荷特性研究
风向角对车辆的气动性能有较大影响，本文研究了当列车以200km/h速度运行，风速为32.6m/s，风向从0°到180°，步长为30°时，高速集装箱平车气动载荷与风向角之间的关系，如图2-1所示。
图2-1 高速集装箱平车气动载荷随风向角的变化曲线
由图可知，当风向角为90°时，各集装箱平车的横向力最大，且风向角为锐角的横向力大于其互补角的横向力。风向角α <60°（侧偏角β <21.3°）时，第三辆集装箱平车的横向力受列车尾流的影响，略大于前两辆集装箱平车的横向力，第一、二辆集装箱平车的横向力差别不大。风向角α>60°时，三辆集装箱平车的横向力依次增加。
风向角为90°时，第二、三辆集装箱平车的升力最大，第一辆集装箱平车受机车尾流的影响，在风向角为60°时，升力达到最大值。
当风向角为60°时，各集装箱平车的阻力达到最大值。第三辆集装箱平车受列车尾流的影响，阻力一直比较大，风向角α <30°（侧偏角β <10.9°）时，第一辆集装箱平车的阻力大于第二辆集装箱平车的，α >30°时，第一辆集装箱平车的阻力小于第二辆集装箱平车的，当风向角为90°时，集装箱平车的倾覆力矩最大。
当风向角为90°时，集装箱平车的摇头力矩最大。当风向角α >30°时，三辆集装箱平车的摇头力矩相比，其依次减小。
当风向角为90°时，集装箱平车的点头力矩最大。
由上述可知，当风向角为90°时，列车气动载荷基本上达到最大值。这与客运列车及动车组气动载荷随风向角的变化规律一致。
2.2 不同横风速度下列车截面压力流线图
图2-2为列车运行速度200km/h，横风（风向角为90°时）速度分别为13.8m/s、17.1 m/s、20.7 m/s、24.4 m/s、28.4 m/s、32.6 m/s及36.9 m/s时，第二辆集装箱平车纵向中间截面的流线图。
图2-2 列车运行速度200km/h，不同横风风速下第二辆集装箱平车纵向中间截面的流线图
由图可知，随着横风速度的增大，集装箱平车对应截面的最大速度越大，背风侧漩涡强度越强，流场越复杂。当横风速度小于17.1m/s时，集装箱平车各截面的流场与其他速度下的流场分布有所不同。
对于第二辆集装箱平车的纵向中间截面，当横风速度大于17.1m/s时，其背风面基本有车顶和车底空气流形成的两个未脱离列车表面的漩涡。而横风速度小于17.1m/s时，两个截面处基本只有一个远离车体表面的前车尾流形成的涡流。原因是：虽然有空气流经过两集装箱平车的间隙，并在背风侧形成一定的负压区，但受前车尾流的影响，底部来流不能在背风侧形成漩涡，而只能随前面充分发展的漩涡一起运动。
3. 结论
通过对高速集装箱平车的空气动力学的建模分析，得到了：高速集装箱平车气动载荷随风向角的变化规律、不同横风速度下列车截面压力流线图及横风速度对列车气动载荷的影响。为以后高速集装箱平车的空气动力学设计提供了一定的依据。
参考文献
[1] 宋凤书，中国铁路重载运输和客货混运的基本技术与经济情况[J].铁道车辆，2004，42（12）：1-4
[2] 吴云云，国外高速铁路货运发展[J].中国铁路，2010，09：72-74
[3] 傅茂海，李沛等，160km_h高速货车转向架方案及其动力学性能分析[J]，41（11）：1-6
[4] 胡锦平，新时期中国铁路集装箱运输的发展[J].集装箱化，2008，2：1-5
作者简介：
田丹（1985-），女 汉族 河北保定人 硕士研究生 国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心，审查员。
关键词：高速，集装箱平车，空气动力学，STAR-CCM+
high speed， container flat wagon， aerodynamics， STAR-CCM+
高速铁路貨运体现了比普通列车快速、比航空运输成本低的竞争优势。法国 Y37 型转向架取得了 281.8km/h 的世界货车最高试验速度；德国正在设计构造速度达到200km/h的高速货车，其Tolbat工厂成功研制的高速货车曾经创造货物列车230km/h的世界记录。2000年1月，德国铁路公司（DB）开始为德国邮政公司在南北线上开展城际包裹运送业务，该业务采用DBSgss-y703型4列车（一种专用的集装箱列车），限速在160km/h以内。
集装箱运输是当今世界公认的先进和快捷的货物运输方式，具有高效率和高效益的优点，是铁路货物运输的发展方向。而高速空集装箱列车的空气动力学性能尤其是在环境风下的空气动力学性能会受到严峻的考验。在强侧风作用下，列车空气动力性能恶化，不仅空气阻力、升力、横向力迅速增加，还影响列车的横向稳定性，严重时将导致列车倾覆。
鉴于上述情况，本文采用流场计算软件star-ccm+对侧风环境下高速集装箱平车空气动力学性能进行了数值计算。
1、研究方法
1.1 数值模拟
其数学模型的控制方程为[5]：
1.2 计算模型
计算模型采用的是DF9型机车连挂三节装有40英尺集装箱的平车模型，模型中省略了车头灯、门把手等，将列车表面简化成光滑曲面，同时为了更精确的确定列车的压力分布、外部流场和列车所受气动载荷，考虑了车底的转向架。最终列车物理模型如图1-1所示。
图1-1 列车物理模型三维图
1.3 计算区域
本文中所用模型的坐标系位于第一节集装箱平车前转向架的中心。计算域的具体尺寸见图1-2。
1.4 计算网格
本文采用切面体网格对计算区域进行划分，网格总数240万。为了较为精确的模拟列车周围的流场，在建立流场网格模型时，靠近列车表面的网格应相对远离车身处密集；另外由于附面层效应，在紧贴车身表面的网格设置了足够密的边界层，边界层各层之间的增长比为1.5，总厚度为20mm，从而可保证得到较为精确的列车表面各参数。
图1-2 计算区域
1.5 计算边界条件的设定
根据相对性原理在流场中设定速度入口边界条件，来流速度大小为列车运行速度，方向与列车运行速度方向相反；出口为压力出口边界，出口压力相对于参考大气压为零；对地面考虑地面效应，设定地面移动速度与主流入口流速大小相等，方向相同；顶面设为对称边界；列车表面设定为有摩擦的墙边界（no-slip wall）；其余为墙壁（wall）边界。
2、计算结果及分析
2.1 不同风向角下列车气动载荷特性研究
风向角对车辆的气动性能有较大影响，本文研究了当列车以200km/h速度运行，风速为32.6m/s，风向从0°到180°，步长为30°时，高速集装箱平车气动载荷与风向角之间的关系，如图2-1所示。
图2-1 高速集装箱平车气动载荷随风向角的变化曲线
由图可知，当风向角为90°时，各集装箱平车的横向力最大，且风向角为锐角的横向力大于其互补角的横向力。风向角α <60°（侧偏角β <21.3°）时，第三辆集装箱平车的横向力受列车尾流的影响，略大于前两辆集装箱平车的横向力，第一、二辆集装箱平车的横向力差别不大。风向角α>60°时，三辆集装箱平车的横向力依次增加。
风向角为90°时，第二、三辆集装箱平车的升力最大，第一辆集装箱平车受机车尾流的影响，在风向角为60°时，升力达到最大值。
当风向角为60°时，各集装箱平车的阻力达到最大值。第三辆集装箱平车受列车尾流的影响，阻力一直比较大，风向角α <30°（侧偏角β <10.9°）时，第一辆集装箱平车的阻力大于第二辆集装箱平车的，α >30°时，第一辆集装箱平车的阻力小于第二辆集装箱平车的，当风向角为90°时，集装箱平车的倾覆力矩最大。
当风向角为90°时，集装箱平车的摇头力矩最大。当风向角α >30°时，三辆集装箱平车的摇头力矩相比，其依次减小。
当风向角为90°时，集装箱平车的点头力矩最大。
由上述可知，当风向角为90°时，列车气动载荷基本上达到最大值。这与客运列车及动车组气动载荷随风向角的变化规律一致。
2.2 不同横风速度下列车截面压力流线图
图2-2为列车运行速度200km/h，横风（风向角为90°时）速度分别为13.8m/s、17.1 m/s、20.7 m/s、24.4 m/s、28.4 m/s、32.6 m/s及36.9 m/s时，第二辆集装箱平车纵向中间截面的流线图。
图2-2 列车运行速度200km/h，不同横风风速下第二辆集装箱平车纵向中间截面的流线图
由图可知，随着横风速度的增大，集装箱平车对应截面的最大速度越大，背风侧漩涡强度越强，流场越复杂。当横风速度小于17.1m/s时，集装箱平车各截面的流场与其他速度下的流场分布有所不同。
对于第二辆集装箱平车的纵向中间截面，当横风速度大于17.1m/s时，其背风面基本有车顶和车底空气流形成的两个未脱离列车表面的漩涡。而横风速度小于17.1m/s时，两个截面处基本只有一个远离车体表面的前车尾流形成的涡流。原因是：虽然有空气流经过两集装箱平车的间隙，并在背风侧形成一定的负压区，但受前车尾流的影响，底部来流不能在背风侧形成漩涡，而只能随前面充分发展的漩涡一起运动。
3. 结论
通过对高速集装箱平车的空气动力学的建模分析，得到了：高速集装箱平车气动载荷随风向角的变化规律、不同横风速度下列车截面压力流线图及横风速度对列车气动载荷的影响。为以后高速集装箱平车的空气动力学设计提供了一定的依据。
参考文献
[1] 宋凤书，中国铁路重载运输和客货混运的基本技术与经济情况[J].铁道车辆，2004，42（12）：1-4
[2] 吴云云，国外高速铁路货运发展[J].中国铁路，2010，09：72-74
[3] 傅茂海，李沛等，160km_h高速货车转向架方案及其动力学性能分析[J]，41（11）：1-6
[4] 胡锦平，新时期中国铁路集装箱运输的发展[J].集装箱化，2008，2：1-5
作者简介：
田丹（1985-），女 汉族 河北保定人 硕士研究生 国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心，审查员。