摘要：当动车在空气中运动时，会受到空气的作用力，且空气阻力随车速的增加而迅速增加，从而对动车高速行驶时的动力学性能产生显著的影响。计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)软件Fluent具有实体造型、空气动力学计算和计算结果图形化等功能，可以应用到对动车气动特性的研究中。基于Fluent软件对动车行驶的外流场进行了仿真，可以直观地得到外流场压力和速度的分布图，并通过计算结果相关数据对动车气动特性进行

了分析。结果表明：基于Fluent软件的动车外流场仿真结果与实际情况较为吻合，是动车研发及改进过程的可行手段。

关键词：Fluent；气动特性；阻力；仿真；动车；空气动力学；外流场

现代火车设计越来越打破传统观念，在安全第一的前提下，更注重车身造型高档化、内部空间舒适化、仪器仪表智能化和车身结构轻量化，特别是在造型中追求外形符合空气动力学的要求，以便降低空气阻力，这就对火车行驶的气动特性的研究提出了更高要求。对于高速行驶的火车，其阻力与速度的平方成正比，如何减小空气阻力也成为研究火车气动特性的主要目的之一。由于动车外形的复杂性，气流在车身表面多处分离，使得对动车外形的气动性能预测颇为困难，对动车行驶气动性能研究一直以风洞测试为主，而风洞测试需要样车及高额的经费。采用计算流体力(Computational Fluid Dynamics)软件模拟动车外形二维维流场的方法，则可以缩短汽车的开发设计周期，节约资金。作为专业的CFD软件，Fluent可以较为精确地模拟动车外流场，适用于动车行驶的外流场分析及气动特性分析。
l气动特性

动车空气动力学是依据动车车身造型风格，对动车车身整体和局部形状采用试验或计算的方法作出调整、完善的学科，其目的是使动车更加符合气动特性的要求。也就是说在造型过程中引入空气动力学原理，使设计的动车不仅具有美观的外形，而且还具有良好的气动特性。本研究中，经过Fluent的数值模拟，对以下指标进行计算。

1)空气阻力系数。空气阻力和阻力矩主要由车身表面的压力变化引起，而车身表面的压力变化与理想流体的动压直接相关。实际作用力与作用面积成正比。

定义一个无量纲的空气阻力系数。为（１）：

式中：为空气阻力；A为迎风面面积；动压力q=p／ｖ*ｖ，p为空气密度，ｖ为车速。

2)动车外表面压力分布。该指标可作为动车在行驶中的稳定性的度量，同时也可以通过局部的压力分布不平衡判断动车外形设计的缺陷。

3)动车外形的二维流场速度分布。表示动车在行驶过程中与周围流场的相互作用，可以用来判断整个动车外形是否符合空气动力学规律。

2分析过程

2．1 Fluent简介

Fluent软件主要由前处理器、求解器以及后处理器三大模块组成。其中Gambit作为前处理软件，具有超强的组合建模能力，Fluent可导入其他CFD软件或CAD／CAE软件提供的几何模型。Fluent软件的核心部分是基于纳维．斯托克斯(Namer—Stokes)方程组的求解模块，黏性流体的流动分析均可归结为对此方程组的研究。其展开形式如下口：

（３）

考虑湍流脉动的影响，对Namer—Stokes方程进行时均化处理，由于方程组不封闭，故引入湍动能k和湍流耗散率ｅ，即湍流模型采用k-e模型。对上述方程采用有限体积法离散方程，其计算精度和稳定性都要优于传统编程中使用的有限差分法。离散格式为对流项采用二阶迎风插值格式，其数值耗散较低，精度高且构造简单。对不可压缩流动采用分离隐式求解。Fluent软件的后处理器模块具有三维显示功能来展现各种流动特性，可帮助操作者以非常直观的形式查看模拟效果。本文充分利用了Fluent图形化功能，对动车在空气中行驶流场进行仿真，并对结果进行分析。

2．2建立动车模型

采用GAMBIT建立流线型模型，如图l所示。模型对车体表面作了简化处理，省略了动车底部结构等，这些改变对流场总体特性影响不大，但可以提高计算效率。动车以ＣＨＲ５Ａ的尺寸为标准。全长为８０．１２ｍ，高为３．２米。

图１

2．3生成计算网格和确定边界条件

利用Gambit中的mesh模块，对已经建立的动车流场２D模型进行网格划分，如图２所示。

图２

动车外流场的数值模拟是在有限区域内进行的，因此在计算区域边界上要设置合适的边界条件。具体设置如表１所示。

表１

2．4求解过程

将Gambit生成的mesh文件导人Fluent进行求解运算。本研究设置动车120 km／h的相对行驶速度，此时空气流场属于二维定常不可压黏性流动。使用非耦合隐式算法进行求解，离散格式使用二阶迎风格式，湍流模型使用k-e方程。迭代100步和263步后得收敛残差曲线图如图３和图４。

图３

图４

2．5计算结果后处理

利用Fluent的后处理功能，可以绘制出车身表面的压力、切应力、马赫数分布图以及外流场速度分布图，如图5—9所示。

图５　压力分布

图６马赫数分布

图７切应力

图８阻力

图９速度矢量

2．6气动特性分析

1)车身表面压力分析。由压力等值线图(图5)可知：动车头部表面压力最大，这是由于气流速度与车头相遇，气流遇到车头而受到阻滞，使气流速度大大降低，因而在车头形成正压区。之后，气流分绕上表面，流向动车上方的气流，在流经车头上缘角时，由于上缘角曲率大，气流来不及转折而出现局部分离，这时的气流速度也较大，因而在此处形成负压峰值。然后气流又重新附着于动车主车体之后，气流流动较为顺畅，流速较快，压强为负值。气流顺着后车体流动速度加快，并沿后车体后端上表面切向流出，又形成负压区。流向车头下缘角时，同样由于下缘角曲率大，气流将出现局部分离而在此处形成负压区。然后，气流进入地面与车底之间的间隙，由于地面的存在，气流通道狭窄，气流较快，故压强基本为负值。

2)气流流向分析。图９为某轿车外部流场速度矢量图，从图9可看出：气流从车头绕过下缘的时候即发生分离，但是由于前方来流的影响，很快又附着在车体上；流向车头的气流，由于前挡风玻璃与车头尖部之间形状的突变，加上气体的黏性作用，气流在车头尖部罩上的某一位置发生分离，其后的气流为紊流。当气流继续流动，到挡风玻璃上的某一位置，气流再次附着在车身上，继续流向动车顶盖，流向顶盖的气流是比较均匀的，基本上是呈层流流动。到了上表面气流在绕过顶盖后缘之后，由于过大的曲率导致的逆压梯度的作用，很快就在后车头上分离。

3 结论

本文利用Fluent软件对动车外形进行二维流场计算，得到了车身表面压力分布、二维流场速度分布等结果，并通过图形化功能将这些结果直观地表现出来，对高速行驶的动车进行了气动特性的分析。

利用Fluent对动车气动特性的分析可用于动车车外形设计等领域，摆脱了以往仅仅靠风洞试验的单一手段获得汽车外形空气动力学性能，再来指导动车外形设计的局面，对于动车外形开发设计部门早期掌握产品性能、节省试验经费、缩短开发周期、提高产品的自主开发设计具有重要意义，为动车外形设计开辟了一条值得探索的途径。

但由于实际空气流动特性较为复杂，利用CFD软件对动车行驶的流场进行模拟与实际情况有不可避免的偏差，因此在解决空气动力学的实际问题中，需要风洞试验和软件仿真相配合和补充，取得符合实际的精确结果。

参考文献：

【１】 王福军．计算流体动力学分析——cFD软件原理与应用[M]．北京：清华大学出版社。2004：7一11．

【２】铁路论坛　bbs.railcn.net