第50 卷第 10 期2023年10 月
Vol.50，No.10
Oct. 2023湖南大学学报（自然科学版）
Journal of Hunan University（Natural Sciences）
高速列车底部导流板的气动减阻特性研究
姜琛1，2，3，龙金兰1，2，3，高广军1，2，3†，苗秀娟4，5
（1.中南大学轨道交通安全教育部重点实验室，湖南长沙 410075；
2.轨道交通安全关键技术国际合作联合实验室，湖南长沙 410075；
3.中南大学轨道交通列车安全保障技术国家地方联合工程研究中心，湖南长沙 410075；
4.工程车辆安全性设计与可靠性技术湖南省重点实验室，湖南长沙 410114；
5.长沙理工大学汽车与机械工程学院，湖南长沙 410114）
摘要：为改善列车底部流场结构，进一步减低高速列车的气动阻力，基于底部导流的思想，设计了一种列车底部转向架舱前后位置布置、截面为三角形的导流板并开展其气动减阻
特性研究.以300 km/h的速度明线运行的三车编组CRH380B型高速列车为研究对象，采用Re⁃
alizable k-ε湍流模型，对4种典型的导流板安装位置进行探讨，并选择减阻效果最好的导流板
安装位置，分别探究了5种角度和5种高度的不同组合下的导流板减阻特性差异，对比了安装
导流板前后车体、转向架以及转向架舱上的阻力变化情况、压力分布变化情况以及转向架区
域的流场结构变化情况.结果表明：仅在各转向架舱前双向开行的来流方向安装导流板时的
减阻效果最佳；安装导流板后，车体、转向架舱上的气动阻力虽有所增加，但转向架上的阻力
明显减少，转向架区域流速降低，前后压差减小，底部流场显著改善.同时发现，15°、100 mm组
合的导流板减阻效果最佳，三车减阻率达7.08%.数值仿真证明了底部导流板能有效减小列车
运行阻力.
关键词：高速列车；数值仿真；气动阻力；导流板；流动控制；转向架
中图分类号：U270 文献标志码：A
Study on Aerodynamic Drag Reduction Characteristics of Deflector Mounted
on High-speed Train Bottom
JIANG Chen1，2，3，LONG Jinlan1，2，3，GAO Guangjun1，2，3†，MIAO Xiujuan4，5
（1.Key Laboratory of Traffic Safety on Track Ministry of Education， Central South University， Changsha 410075， China；
2.Joint International Research Laboratory of Key Technology for Rail Traffic Safety， Central South University，
Changsha 410075， China；
3.National & Local Joint Engineering Research Center of Safety Technology for Rail Vehicle， Changsha 410075， China；
4.Key Laboratory of Safety Design and Reliability Technology for Engineering Vehicle， Hunan Province，Changsha 410114， China；
5.College of Automotive and Mechanical Engineering， Changsha University of Science & Technology，Changsha 410114， China）∗收稿日期：2022-10-17
基金项目：国家重点研发计划资助项目（2020YFA0710901），National Key Research and Development Program of China（2020YFA071 0901）；国家自然科学基金资助项目（12002395），National Natural Science Foundation of China （12002395）
作者简介：姜琛（1989—），男，湖南张家界人，中南大学副教授，工学博士
† 通信联系人，E-mail：*************
文章编号：1674-2974（2023）10-0151-13DOI：10.16339/jki.hdxbzkb.2023182
湖南大学学报（自然科学版）2023 年Abstract：To improve the bottom flow field structure and further reduce the aerodynamic drag of the high-speed train，based on the idea of bottom flow control，a triangular cross-sectional deflector located before and after the bogie cabins on the train bottom is designed， and its aerodynamic drag reduction characteristics are studied. Taking the open line running high-speed train with three coach formation CRH380B at the speed of 300 km/h as the research subject，and using the Realizable k-εturbulence model，four typical deflector installation p
ositions are explored，and the deflector installation position with the best drag reduction effect is selected to investigate the differences of deflector drag reduction characteristics under different combinations of five angles and five heights. The drag changes on the train bodies， bogies， and bogie cabins before and after the installation of the deflectors， the pressure distribution changes， and the flow field structure changes in the bogie area are also compared. The results show that the best drag reduction effect is achieved only when the deflectors are installed in the direction of incoming flow in front of each bogie cabin in both directions. After the installation of the deflectors， the aerodynamic drag on the train bodies and bogie cabins increases， but the drag on the bogies is significantly reduced， the flow velocity and the pressure difference in the bogie areas decreases， and the bottom flow field is significantly improved. At the same time， it is found that the 15° and 100 mm combination of the deflector has the best drag reduction effect， and the drag reduction rate of the three cars reaches 7.08%. The numerical simulation proves that the bottom deflectors can effectively reduce the train running resistance.
Key words：high-speed train；numerical simulation；aerodynamic drag；deflector；flow control；bogie
近年来随着各国高速列车技术的进步，列车速
度进一步提高，多国的高速列车已经达到350+ km/h
级别.然而随着高铁运行速度的提高，运行阻力的问
题也越来越突出，其中气动阻力占据着主导地位［1］.研究表明，当运行速度为300 km/h时，气动阻力占列
车运行总阻力的85%以上［2-3］；同时CRH3C型高速
列车每百千米能耗达4 610.74 kW·h，其中60%以上
的能耗由列车牵引引起，牵引能耗的80%由气动阻
力引起［4］.因此，减少高速列车气动阻力对高铁系统节能降耗，实现“碳达峰”、“碳中和”有重要意义.
此前，列车主要的减阻方式是头型的流线化设
计和局部结构的平顺化.大量学者通过代理模型和
遗传算法对列车头型进行优化［5-9］，并取得了良好的
减阻效果.此外，部分学者通过研究转向架位置［10］、Jacobs转向架［11］、转向架底部结构参数［12］以及受电弓杆件［13］等局部设计方法，一定程度上降低了列车运行阻力.然而，列车底部流场复杂，且转向架等功能性部件限制了车身上传统的减阻手段，因此，底部区域一直未成为主要减阻研究对象.研究表明，8车编组的CRH3型高速列车转向架阻力约占总阻力的27.4%［14］，在时速450 km的更高速列车的气动减阻需求下，不得不在列车底部挖掘减阻潜力.在转向架功能和限界的制约下，采用导流装置对列车底部空气流动疏导是一种可行性高的减阻方案.导流装置能有效改变流场结构，已经在转向架的防积雪结冰方面有着广泛应用［15-16］，但在该类装置起到防积雪作用的同时，大多会提高整车阻力系数.专注于减阻的导流板在高速列车上的应用还较少，段丽丽等［17］探究了在列车尾部安装横向、竖向和斜向三种角度导流板，发现在尾部安装斜向导流板可以同时降低尾部的气动阻力和升力.Liu等［18］探究了在转向架舱前后不同位置安装弧形导流板对空气阻力的影响，发现仅在头车1号转向架前端安装导流板，就可达到三车减阻11.99%的效果，但该种结构导流板伸出部分偏薄，实际运行中结构强度难以保证.
上述减阻方法大多对转向架结构进行简化，而本文尽可能地保留转向架外形结构，以更真实地体现安装导流板前后底部流场的变化.所采用的导流板，结构更简单、强度更高、易于安装，减阻效果明显，具有较高的工程应用价值.
1 控制方程和湍流模型
1.1 基本控制方程
明线运行的高速列车，在马赫数不超过0.3时，
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第 10 期
姜琛等：高速列车底部导流板的气动减阻特性研究
数值计算流场按不可压缩流考虑.连续性方程如
式（1）所示［19］.
∂u i
∂x i
=0（1）三个方向上的运动方程为：∂∂t (u i )+u i ∂u i ∂x i
=-1ρ∂p ∂x i +u
1ρ∂2u i
∂x i ∂x i （2）
式中：u i 或u j 为u 、v 、w 三个坐标上的流场速度分量；x i
或x j 为x 、y 、z 三个坐标分量；ρ为空气密度；p 为压力.1.2 湍流模型
本文考虑到转向架区域机械结构的复杂性，需要精确模拟流线弯曲程度较大的流动，而Realizable k-ε湍流模型在已有研究中表现出了对气动力计算精度高的优越性，因此采用Realizable k-ε湍流模型来进行数值仿真.Realizable k-ε湍流模型中的湍流黏性系数μt 方程为：
μt =C u ρk 2
ε
（3）
式中：μt 为湍流黏性系数；k 为湍流动能；ε为湍流耗散率，
C u 为湍流常数.湍流动能k 方程为：
∂∂t (ρk )+∂u i ∂x i (ρku i )=∂∂x i éë
êêùûúú
()
μ1+u i σk ∂k ∂x i +μt
∂u j ∂x i ()
∂u j ∂x i +∂u i
∂x j
-ρε （4）
湍流耗散率ε方程为：
∂∂t (ρε)+∂u i ∂x i (ρεu i )=∂∂x i éëêêùû
úú()
μ1
+u t σε∂ε∂x j +元旦高速免费吗2023
C 1μi εk ∂u j ∂x i ()
∂u j ∂x i +∂u i ∂x j
-C 2ρε2
k （5）
式中：μ1为层流黏性系数；C 1、C 2、σk 、σε为经验常数.
2 计算模型
2.1 几何模型
原始模型采用头车-中间车-尾车的三车编组CRH380B 型高速列车，主要结构包括车体、转向架和转向架舱，如图1（a ）和图1（b ）所示.本文着重关注
列车底部的流动情况，因此合理忽略车顶受电弓、车门、车窗等复杂的外部结构，简化风挡、空调等结构，同时最大限度地保留转向架的复杂外形，如图1（c ）和图1（d ）所示.三车编组列车总长L =76.525 m ，总宽W =3.265 m ，总高H =3.890 m.
为改善列车底部流动情况，在转向架舱前后端安装截面为三角形的导流板.根据列车运行状态选
取4种典型安装位置进行气动阻力减阻分析，导流板安装位置和形状参数如图2所示，其中，
安装位置
（a ）
正视图
（b ）
仰视图
（c ）动车转向架 （d ）拖车转向架
图 1 高速列车简化几何模型
Fig.1 Simplified geometric model of high-speed trains
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湖南大学学报（自然科学版）2023 年
1为各车转向架舱前后端板均安装导流板；安装位置
2为各转向架舱端板仅在双向开行的来流方向安装导流板；安装位置3为仅在头车和尾车的双向开行来流方向转向架舱端板安装导流板；安装位置4仅
在头车来流侧转向架舱端板安装导流板.为满足车辆限界，以保证行车安全，导流板高度极限以齿轮箱底部到列车底部之间的高度差Δh 来决定.本文模型中，Δh =145 mm ，故导流板最大高度选取为140 mm.
2.2 计算域与边界条件
取列车高度H 为特征长度，进行CRH380B 型高速列车明线运行气动特性的数值模拟，计算域如图3所示（未按比例绘制）.采取列车静止不动，给定与列
车运行速度数值相同、方向相反的来流模拟列车在空气中高速运行.设置如图3所示的计算域与边界条件，其中速度入口给定流速为83.33 m/s 的来流，滑移壁面给定与来流流速相同的滑移速度.
2.3 网格划分与无关性验证
采用切割体网格对计算区域进行网格划分，计算区域网格如图4所示.车体与转向架的最小网格尺寸分别设置为10 mm 和5 mm ，同时为了使y +满
足30~300的要求，根据y +计算器设置8层棱柱层，棱柱层增长率为1.2，并控制第一层棱柱层厚度为 1 mm.车体周围和底部流场情况复杂，故对列车周围和底部分别设置加密区进行网格加密，
加密区域
（a ）导流板位置
1
（b ）导流板位置
2
（c ）导流板位置
3
（d ）导流板位置
4
（e ）导流板正视图 （f ）导流板形状参数
图 2 导流板安装位置与形状参数
Fig.2 Deflector installation positions and shape parameters
图3 计算域与边界条件
Fig.3 Computational domain and boundary conditions
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第 10 期
姜琛等：高速列车底部导流板的气动减阻特性研究
如图3所示.仿真计算在STAR-CCM+软件中进行，近壁面处采用两层全y +壁面处理函数控制求解，进
行5 000步迭代计算，取残差稳定到10-5时的结果进行对比.
网格疏密程度对计算结果有着重要影响，为使计算结果尽量准确，同时兼顾计算经济性，需要进行网格无关性验证.本文划分了粗糙、中等和精细三种网格，网格数量分别约为1 234万、2 670万和4 048万.采用阻力系数（C d ）与无量纲速度（U ）为评价指标，分别定义为：
C d =
F d
(0.5ρU 2
inf S )
（6）U =u /U inf
（7）
式中： F d 为运行阻力；U inf 为列车运行速度；S 为列车的投影面积，此处取11.51 m 2；u 、v 和w 分别为x 、y 、z
方向上的速度.
图5展示在y =0截面上，距离转向架1和转向架6中心各0.4H ，z =0~1 m 上三种网格的无量纲速度U 曲线.可以看出，中等网格与精细网格曲线基本重合，而粗糙网格与两者的偏差较大，特别是在转向架6上.
表1所示为三种网格的阻力及阻力系数，可以看出，粗糙网格阻力系数相对于精细网格误差为3.44%，而中等网格相对于精细网格的误差仅为
0.58%.结合无量纲速度曲线和和阻力系数误差，综合计算的经济性与准确性，选取中等网格进行后续
计算.
3 计算结果与分析
3.1 导流板安装位置对空气阻力的影响
表2对比了导流板的不同安装位置对空气阻力的影响，发现在导流板安装位置1时，虽然转向架上的阻力减小最多，但车体和转向架舱上的阻力也增加得最多，整车减阻效果较差.综合来看，在导流板安装位置2的减阻效果最好，可达7.08%.同时可以发现，安装位置4的减阻率仅比安装位置2少0.02%，理论上可以使用此种安装方式，但考虑到在实际运行的8车编组乃至更长编组的列车中，中间车对空气阻力的影响将会更显著，仅在头车安装导流板将无法满足要求，因此安装位置2更契合实际运行情况下的减
阻需求.
图6对比了y =0截面上4种位置导流板对转向架1~转向架3区域内压力与流场的影响.
可以看出，
（a ）
棱柱层与车体网格
（b ）动车转向架体网格 （c ）拖车转向架体网格
图 4 计算区域网格
Fig.4 Grid of the computational domain
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