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关于动车车头气流及其强度分析的文献综述

摘要：动车运行时，动车头部作为最先与气流接触的部位，在运行过程中受到气流的直接冲击，其外形将在很大程度上决定了头车的气动性能和横风稳定性。动车车头是整个动车的核心，因为动车车速非常快，所以随着速度的提高，周围空气的动力作用会对列车和列车运行性能产生极大的影响，因此对动车车头进行气体流场分析是设计动车车头很有必要。对某一动车车头进行CAD建模，并在此基础上建立有限元数值模型，进行动车高速行驶过程中的气体流场分析，获取动车车头所承受的空气阻力，并完成动车车头的强度与刚度分析。

关键词：动车车头 空气阻力 流场分析

1. 国内的研究现状

我国地大物博，气候和地形多种多样，造就了我国铁路沿线的风环境复杂多变。随着列车运行速度的提高，高速列车的气动性能问题越发突出，周围的空气的动力作用会对列车和列车运行性能产生极大的影响，产生较大的阻力。高速运行时，气流会给列车向上的抬升力。速度越快，升力越高，所以为了保障列车运行的稳定性，要尽量降低气动升力带来的影响，除此以外还有侧风带来的侧向力，可能使车头摇摆，阻力增加，直接影响列车行驶安全性 [1minus;2] 。上述空气动力作用是在正常情况下。 此外，高铁列车还要面临两车交会时的交会压力波和通过隧道时的隧道压力波。当列车与另一列车会车时，由于相对运动的列车车头对空气的挤压，会使列车侧壁上的空气压力产生很大的波动。速度越快，会车所产生的压力波强度越大。列车通过隧道时会引起隧道内空气压力急剧波动。压力波动产生的冲击力，可造成门窗密封的破坏。压力波会传到车内，这就是为什么当列车会车或过隧道时，我们的耳部会有不适感的原因。可以说，高铁列车这个在地面飞行的机舱，所面对的环境某种程度上比飞机更为复杂。

列车空气动力学问题日益显著，已经成为制约列车研发的瓶颈之一，也极大地影响了列车运行的安全性、稳定性以及舒适性。为了保障列车的运行安全、提高列车的乘坐舒适性、实现列车的节能环保等要求，全球各铁路国家和地区已经逐步对列车空气动力学问题展开了调查。其中列车周围流场的研究作为列车气动性能研究中的重要组成部分，直接关系到列车的提速和行车安全。研究发现 [3minus;6] ，列车气动性能与其外形有着密切的联系。为了改善列车空气动力学性能，减小列车对周围环境影响，为人们出行提供更舒适更安全可靠的交通工具，针对原有的列车外形必须不断地进行优化设计，从而寻求最优的列车造型。列车的头车头部作为最先与来流接触的部位，在运行过程中受到气流的直接冲击，其外形将在很大程度上决定了头车的气动性能和横风稳定性。因此，需要明确风环境下的头部外形对列车周围流场的影响，进而为设计出合理的列车头部提供一些指导。

程大林，王艳等通过分析高速列车头车的车身结构，运用有限元理论对列车头部进行分析，为解决列车动态性能的研究提供计算基础。[7]

武振锋等 [8] 根据高速动车的结构特点y，椭球型头车可以显运用了非均匀有理B样条理论的头车数字化设计方法，并且通过定义数学模型，几何模型，和网格划分等步骤，采用计算流体力学方法完成了对不同头车形状的在运行时的空气阻力分析，得出椭球形列车可以达到降低列车空气阻力的效果.

张在中等 [9] 通过风洞试验的结果说明了高速列车流线型越长，对减阻越有利。并采用数值模拟方法，主要是利用 CFD程序对列车周围的流场进行模拟计算来反映列车外部复杂 流动特性的一种方法．CFD方法作为一种强有力的辅助设计工具，在列车头型的设计初期起到一定的指导与预测的作用，并可以扩展研究范围和给出比较完整的定量结果。而风洞试验则是通过模拟试验来不断揭示各种气动现象，通过试验数据的分析与推理得出重要的结论．因此若将 CFD数值模拟方法与风洞试验两者很好的结合应用，让二者互为补充互为应用 ，对列车气动特性 的研究无疑是一种更加完善的研究方法．何侃，侯亚捷，高广军等采用三维雷诺时均 SST k-omega;双方程湍流模型和有限体积法对一种已经运营的高速列车周围流场进行数值模拟，分析列车头部主型线的变化对列车周围流场的影响，研究结果表明：列车周围压力场的差异主要存在于主型线变化区域，车身受到的影响有限；列车尾部流场受到主型线的影响较大，造成了尾车气动载荷数据差异较大；该型号列车头部纵剖面和水平剖面型线造成的头部的局部变化并未能大幅提高列车的抗风性能。[10]