高速列车气动外形优化研究进展

随着运行速度的提升,高速列车对气动外形的要求也越来越高,追求性能优异、美观大方的气动外形是新型高速列车研发的一个重要方向.基于当前高速列车外形研发的思路,可以将气动外形优化概括为基于流场机理的改型优化和基于优化算法的外形优化两类.本文简要回顾了当前国内外在这两类优化途径上的系列工作,着重介绍了作者所在团队近年来做过的一系列气动外形优化工作.在基于流场机理的改型优化上,着重从"和谐号"和"复兴号"这两款主力车型的外形研发上探讨其改型优化的思路,主要探讨了空调导流罩、受电弓平台、风挡和转向架裙板几类对列车阻力影响较为明显的部件的优化设计,并介绍了其相对于上一代车型在气动性能上的提升.基于优化算法的外形优化方法,则因循气动外形优化流程,在列车外形已经具有较好性能的基础上,以高速列车头型流线型为主要优化对象,分别从高速列车参数化方法、替代模型开发以及优化算法改进三个方面进行介绍.其中,高速列车参数化方法主要介绍了局部型函数法、修正车辆造型函数法和类别/形状函数法三类;替代模型开发介绍了最优化替代模型和基于交叉验证的Kriging模型;在优化算法的改进上介绍了改进的非劣分类多目标粒子群算法和连续域混沌蚁群算法两方面的内容.基于上述三个方面介绍了气动外形优化策略在典型工程上的应用案例.     

AERODYNAMIC OPTIMIZATION OF HIGH-SPEED TRAIN BASED ON RBF MESH DEFORMATION

基于局部型函数三维参数化方法、改进的蚁群算法和改进的克里金（Kriging）代理模型,开展了列车头型的三维气动减阻优化设计研究。为了避免复杂几何外形大变形情况下千万量级网格的重复生成,提高高速列车头型优化设计的效率,引入了缩减控制点的径向基函数网格变形技术。优化结果表明：径向基函数网格变形技术在不降低网格质量的情况下可以有效缩短网格变形的时间消耗,能够用于复杂几何外形的气动优化设计;在给定的设计空间内,控制鼻锥外形的6个关键设计参数对列车气动阻力的影响呈单调递增关系;优化后,在满足约束条件的情况下,简化外形列车的整车气动阻力减小5.41%,头尾车减阻效果明显,中间车气动阻力基本不变。     

高速列车头型长细比对气动噪声的影响

高速列车的头尾车外形对气动噪声具有重要的影响.工程实践中随着车速的增加,车辆头部越来越细长,日本高速磁悬浮列车实践中甚至出现了具有极端长细比的头部形状.本文以讨论头型长细比对列车气动噪声的影响规律为出发点,应用非线性声学求解器(NLAS)和FW-H声学比拟法的混合算法,在3种运行速度下对基于CRH380A高速列车头型概化的4种不同头型长细比的模型车的气动噪声进行了数值模拟.给出了不同头型长细比列车的流场特征、气动阻力和气动噪声.结果表明,列车的气动总阻力随头型长细比的增大而减小,且头型长细比对列车总气动阻力的影响随运行速度的增加而增强.而头型长细比对气动噪声的影响呈现出较为复杂的影响,并不存在单调的影响关系;综合考虑气动阻力和气动噪声,长细比最大的头型综合性能较优,但差异并不显著,因此在不考虑微气压波等因素的条件下,简单增加车头长细比并不一定能带来明显的气动噪声性能提升.     

高速列车车体长度对气动噪声影响的数值研究

高速列车具有细长形状, 数值评估气动噪声往往需要巨大的计算量.目前对高速列车气动噪声的数值模拟大多基于对简化短编组列车的评估,而实际列车通常具有较长的8$\sim$16节编组.如何基于现有条件合理评价真实长度列车的气动噪声,是一个急需探讨的问题. 本文应用非线性声学求解器(NLAS)和FW--H声学比拟法的混合算法, 先求解噪声积分面上的声场脉动,再进行远场积分, 引入多噪声面积分技术,通过对三种不同长度(3节、4节、6节)列车模型的气动性能和噪声数值模拟,分析了车体长度对列车气动噪声的影响. 结果表明,同一列车模型的各节车厢具有相似的沿线噪声分布,其噪声曲线在量值上十分接近,只是主峰位置会随着车厢空间位置的不同而相应地发生偏移;不同长度编组列车对应部位之间的远场噪声特性具有较强的关联性,它们的远场噪声具有接近的总声压级和噪声频谱.通过利用短编组计算数据进行分解、平移和叠加,成功重构了4编组和6编组列车远场噪声特性,与直接计算结果相比误差在可接受范围内.由此发展了基于短编组列车噪声的数值结果,重构长编组列车沿线噪声的近似评估方法.      

高速列车车体长度对气动噪声影响的数值研究

高速列车具有细长形状,数值评估气动噪声往往需要巨大的计算量.目前对高速列车气动噪声的数值模拟大多基于对简化短编组列车的评估,而实际列车通常具有较长的8～16节编组.如何基于现有条件合理评价真实长度列车的气动噪声,是一个急需探讨的问题.本文应用非线性声学求解器(NLAS)和FW–H声学比拟法的混合算法,先求解噪声积分面上的声场脉动,再进行远场积分,引入多噪声面积分技术,通过对三种不同长度(3节、4节、6节)列车模型的气动性能和噪声数值模拟,分析了车体长度对列车气动噪声的影响.结果表明,同一列车模型的各节车厢具有相似的沿线噪声分布,其噪声曲线在量值上十分接近,只是主峰位置会随着车厢空间位置的不同而相应地发生偏移;不同长度编组列车对应部位之间的远场噪声特性具有较强的关联性,它们的远场噪声具有接近的总声压级和噪声频谱.通过利用短编组计算数据进行分解、平移和叠加,成功重构了4编组和6编组列车远场噪声特性,与直接计算结果相比误差在可接受范围内.由此发展了基于短编组列车噪声的数值结果,重构长编组列车沿线噪声的近似评估方法.     

高速列车转向架舱风洞试验研究

针对高速列车转向架舱的几何外形特点,提取5个设计变量,设计了6种方案,对1∶8比例3编组带路基、轨道及转向架舱的高速列车模型进行了0°及-19.8°侧偏角风洞试验研究,分析了转向架舱不同设计变量对应的高速列车气动阻力特性,得到了各设计参数的减阻效果。研究表明:转向架舱内顶面采用曲面过渡,前后壁面采用倾斜壁,裙板采用全包裙板,减小内壁纵向长度等措施,可以减小列车的气动阻力。通过不同设计变量对列车气动阻力的影响度分析,表明0°及-19.8°侧偏角2种情况下内顶面倒角及内壁纵向长度均对列车气动阻力有重要影响,上述研究结果对列车局部减阻及外形优化具有参考意义。     

乘波体压缩面变化对其气动性能影响分析

乘波体是一种利用激波包裹特性获得高升阻比的高速飞行器构型.已有研究中,乘波体气动性能的改善主要依赖于给定源流场条件下的前缘型线优化.本文采用数值优化和计算流体力学模拟为主要手段分析了乘波体压缩面变化对其气动性能的影响,以期有效拓展乘波体的设计空间.主要内容如下:首先给出了一种基于表面局部变形的乘波体设计方法.其次结合运用增量修正参数化方法、计算流体力学分析和微分演化算法构造了乘波体压缩面外形气动优化设计流程,以一种椭圆锥形流场生成的乘波体作为基准构型开展了无黏优化.之后从优化结果中选择升阻比递增的6个典型构型进行前缘钝化处理后,基于N-S方程对其气动性能进行了评估.最后综合依据无黏/黏性计算结果分析了乘波体压缩面变化对其气动性能的影响.结果表明该部分形状的改变对乘波体气动性能影响十分明显,在升力面积不变的条件下,乘波体压缩面形状变化可导致其升阻比出现成倍变化,即使在升力不减条件下,升阻比较基准构型也可获得超过14%的提升.此外,还可导致乘波体相对压心系数出现明显偏移.     

无砟轨道结构对高速列车气动性能的影响

基于计算流体力学,采用滑移网格方法数值模拟了在有、无横风两种环境下高速列车以300km/h速度通过不同无砟轨道模型的空气动力学性能,研究了车体底板及转向架的表面压力特性,分析了列车与轨道周围的流场特性,研究了轨道结构对气动性能的影响.研究结果表明:当列车通过框架型轨道模型时,由于框架的存在,列车底板及转向架表面压力均呈现周期性波动现象,其压力波动的主频接近16.90Hz.在无横风环境下,列车车体底板的压力变化规律基本一致,且不同模型同一位置处的压力均值相差不大;在横风环境下,利用传统方法计算得到的车体底板压力幅值略大于框架型和平板型轨道模型的计算结果.     

基于自适应多可信度多项式混沌-Kriging模型的高效气动优化方法

多可信度代理模型已经成为提高基于代理模型的优化算法效率和可信度水平最有效的手段之一.然而目前流行的co-Kriging和分层Kriging (HK)等多可信度代理模型泛化能力不足,缺乏对高阶/高非线性建模问题的适应性,难以广泛应用.文章基于发展的自适应多可信度多项式混沌-Kriging (MF-PCK)代理模型,在提高建模效率和对高阶/高非线性问题近似准确率的同时,建立了基于该自适应MF-PCK模型的高效全局气动优化方法.在发展的方法中,提出了基于MF-PCK模型的新型变可信度期望改进加点方法,使代理优化算法效率进一步提高.为了验证发展方法的全面表现,将其应用在经典的数值函数算例以及多个跨音速气动外形的确定性优化和稳健优化设计中,并与基于Kriging和HK模型的代理优化算法进行了全面比较.结果表明,发展的新型多可信度全局气动优化方法其优化效率相对于基于Kriging和HK模型的优化效率显著提高,结果更好也更加可靠,并且稳健优化设计效率和结果也更符合工程应用需求,证明了其相对于基于Kriging和HK模型的代理优化算法的显著优势.     

高速列车外形的气动性能数值计算和头部外形的改进

运用流体力学数值计算软件CFX对我国200km／h电动旅客列车的空气动力性能进行了数值模拟计算，针对列车气动外形存在的问题，对列车头部外形进行了改进，并提出了三种列车头部外形改进方案且对其进行了数值模拟研究。计算结果表明，方案三优于其它两种方案，且较改进前列车的空气动力性能有了较大改善。     

Aerodynamic design on high-speed trains

Compared with the traditional train, the operational speed of the high-speed train has largely improved, and the dynamic environment of the train has changed from one of mechanical domination to one of aerodynamic domination. The aerodynamic problem has become the key technological challenge of high-speed trains and significantly affects the economy, environment, safety, and comfort. In this paper, the relationships among the aerodynamic design principle, aerodynamic performance indexes, and design variables are first studied, and the research methods of train aerodynamics are proposed, including numerical simulation, a reduced-scale test, and a full-scale test. Technological schemes of train aerodynamics involve the optimization design of the streamlined head and the smooth design of the body surface. Optimization design of the streamlined head includes conception design, project design, numerical simulation, and a reduced-scale test. Smooth design of the body surface is mainly used for the key parts, such as electric-current collecting system, wheel truck compartment, and windshield. The aerodynamic design method established in this paper has been successfully applied to various high-speed trains (CRH380A, CRH380AM, CRH6, CRH2G, and the Standard electric multiple unit (EMU)) that have met expected design objectives. The research results can provide an effective guideline for the aerodynamic design of high-speed trains.     

高速磁浮列车气动噪声分布规律研究

本文基于上海线高速磁浮列车现场噪声测试，结合数值仿真分析了磁浮列车行驶时的噪声特性以及气动噪声分布规律．数值仿真采用延时分离涡结合声比拟的方法，并对比现场测试噪声数据，给出了高速列车气动噪声特性以及噪声源分布规律．研究结果表明：列车行驶时噪声时程呈现很强脉冲性，频率小于100 Hz噪声主要来源于与高架桥梁结构振动相关的二次辐射噪声，特别是次声频段内，桥梁自振会产生显著的噪声．磁浮列车表面气动噪声分布规律与噪声频率相关，低频噪声与列车的车尾涡脱相关，高频噪声由车头边界层分离以及再附着、车身边界层流动等引起，而中频噪声主要产生于列车底部、抱轨与轨道梁表面相对运动作用．因此，高速磁浮列车除了要重点考虑车头、车尾的气动外形对气动噪声的影响外，还应考虑轨道间隙处气动噪声及其分布规律．     

考虑地面效应的高速列车远场气动噪声计算方法研究

为研究高速列车远场气动噪声的计算方法,根据高速列车近地面运行的实际情况,利用半自由空间的Green函数求解FW-H方程;建立考虑地面效应时的远场声学积分公式,并研究地面效应对高速列车远场气动噪声的影响.研究表明,由于存在地面效应,原来的自由声场变成了相当于真实列车声场与镜像列车声场的叠加,并且作用在镜像列车上的力源和法向运动速度与真实列车上的相同.当列车运动速度为350 km/h时,不考虑地面效应时,远场测点的等效连续A计权声压级的最大值为90.76 dB;考虑地面效应之后,远场测点的等效连续A计权声压级的最大值为94.72 dB.     

Study on the operational safety of high-speed trains exposed to stochastic winds

The characteristic wind curve （CWC） was com- monly used in the previous work to evaluate the operational safety of the high-speed trains exposed to crosswinds. How- ever, the CWC only provide the dividing line between safety state and failure state of high-speed trains, which can not evaluate the risk of derailment of high-speed trains when ex- posed to natural winds. In the present paper, a more realistic approach taking into account the stochastic characteristics of natural winds is proposed, which can give a reasonable and effective assessment of the operational safety of high-speed trains under stochastic winds. In this approach, the longitudi- nal and lateral components of stochastic winds are simulated based on the Cooper theory and harmonic superposition. An algorithm is set up for calculating the unsteady aerody- namic forces （moments） of the high-speed trains exposed to stochastic winds. A multi-body dynamic model of the rail vehicle is established to compute the vehicle system dynamic response subjected to the unsteady aerodynamic forces （mo- ments） input. Then the statistical method is used to get the mean characteristic wind curve （MCWC） and spread range of the high-speed trains exposed to stochastic winds. It is found that the CWC provided by the previous analyticalmethod produces over-conservative limits. The methodol- ogy proposed in the present paper can provide more signif- icant reference for the safety operation of high-speed trains exposed to stochastic winds.     

Optimization of high-speed railway pantographs for improving pantograph-catenary contact

A crucial system for the operation of high-speed trains is the pantograph catenary interface as it is the sole responsible to deliver electrical power to the train. Being the catenary a stationary system with a long lifespan it is also less likely to be redesigned and upgraded than the pantographs that fit the train vehicles. This letter proposes an optimization procedure for the improvement of the contact quality between the pantograph and the catenary solely based on the redesign of the pantograph head suspension characteristics. A pantograph model is defined and validated against experimental dynamic characteristics of existing pantographs. An optimization strategy based on the use of a global optimization method, to find the vicinity of the optimal solution, followed by the use of a deterministic optimization algorithm, to fine tune the optimal solution, is applied here. The spring stiffness, damping characteristics and bow mass are the design variables used for the pantograph optimization. The objective of the optimal problem is the minimization of the standard deviation of the contact force history, which is the most important quantity to define the contact quality. The pantograph head suspension characteristics are allowed to vary within technological realistic limits. It is found that current high-speed railway pantographs have a limited potential for mechanical improvements, not exceeding 10%–15% on the decrease of the standard deviation of the contact force.     

中国高速列车研发与展望

十几年来, 以高速列车为代表的高速铁路装备在长期技术积累和自主研发的基础上,经过引进消化吸收再创新、自主提升创新、全面创新和持续创新,成功研制了多代先进的高速列车产品. 通过不断的技术创新,突破了高速列车系列关键技术, 形成了自主研发能力,不断提升高速列车的安全性、可靠性、经济性、环保性及智能化.我国高速列车的运行速度、综合舒适度、安全性、可靠性、节能环保等各项综合性能指标优良,部分指标达到国际领先水平.论文系统回顾了我国和谐号动车组、复兴号动车组、城际动车组、前沿动车组产品的发展成就及主要技术突破,分析了高速列车研发过程中面临的复杂环境适应性、大系统复杂耦合作用、安全可靠设计、智能化应用等关键技术挑战,系统概述了高速列车故障预测与健康管理技术、车体轻量化技术、被动安全防护技术、碳纤维复合材料应用、气动外形设计技术、高速转向架技术、噪声控制技术、牵引制动技术等关键技术的研究进展及主要技术突破, 并展望了高速列车动力学技术、结构安全技术、被动安全防护技术、流固耦合技术、牵引制动技术、智能控制安全技术、故障预测与健康管理技术、综合节能技术等关键技术的未来发展方向.      

随机风速下高速列车的运行安全可靠性

基于可靠性理论提出了随机风速作用下高速列车风致安全分析的新方法, 这种方法可以对随机风速作用下高速列车的运行安全可靠性进行有效评估.首先基于Cooper理论和谐波叠加法计算随车移动点的脉动风速, 建立随机风速作用下高速列车非定常气动载荷的计算方法, 并通过数值仿真得到气动载荷系数的标准差随侧偏角的变化规律. 然后建立高速列车车辆系统动力学模型, 并对计算模型的正确性进行验证.最后以随机风速、侧力系数、升力系数、侧滚力矩系数、摇头力矩系数和点头力矩系数为基本随机变量, 研究随机风速作用下高速列车的运行安全可靠性和可靠性灵敏度, 给出随机风速作用下高速列车的概率特征风速曲线.研究结果表明:随着车速和风速的增大, 系统的失效概率增大;通过可靠性灵敏度分析发现侧力系数和侧滚力矩系数对高速列车的运行安全影响最大, 应该特别注意这两个参数的变化对高速列车运行安全性的影响;传统确定性方法得到的高速列车的安全域曲线偏于保守, 基于可靠性的方法可得到更合理的安全域曲线.     

随机风作用下高速列车非定常气动载荷的计算方法

基于Cooper理论和谐波叠加法计算随车移动点的脉动风速,分析不同风向角下脉动风速的功率谱密度特性.在横风下高速列车非定常气动载荷计算方法的基础上,建立了侧风下高速列车非定常气动载荷的计算方法,并用此方法分析了侧向随机风作用下非定常气动载荷的统计特性,给出了各气动载荷的峰值因子.研究表明,当风向角接近90°时,无量纲功率谱会往高频移动,风向角对脉动风速的影响较小;在各个风向角下,气动载荷的标准差与平均值的比值仅依赖于侧偏角,侧力与侧滚力矩的峰值因子相同,摇头力矩与点头力矩的峰值因子相同.     

高速列车服役模拟建模与计算方法研究

高速铁路的出现, 使得轮轨交通技术达到更高的层次.速度提升不仅对列车的牵引动力与动力学性能提出更高要求. 而且,列车与线路、气流等运行环境的耦合作用加剧,并直接影响到了列车的运行品质和安全性. 在高速列车发展初期,研究关注的是如何保证高速列车能高速、平稳和安全运行. 随着运行速度的提高,系统间耦合加强, 服役模拟也越来越受到重视. 而今天,高速列车的服役模拟、健康管理与故障预警成为研究热点,掌握系统全局动态行为、了解微观局部振动是车辆系统动力学研究的方向.本文以高速列车服役模拟为需求, 提出基于循环变量法的长编组列车建模与计算方法,实现任意列车编组的仿真, 得到不同编组位置车辆的服役状态;提出滑移窗口的轨道建模与车线耦合计算方法,得到列车在任意长线路上运行的服役状态; 提出基于时变参数的长期服役计算方法,实现列车在不同服役状态与服役时间的服役模拟. 因此, 基于本文提出的模拟方法,能够实现列车在不同寿命阶段的服役模拟, 而且还可以应用于高速磁浮列车,甚至未来超高速真空管道磁浮列车.