1 高速鐵路設計中CAE分析技術的應用

　　在列車時速低于200 km的鐵路設計中，輪軌激勵及其引起的振動是列車結構設計中考慮的主要問題，故在該階段主要使用的CAE分析技術是結構強度、剛度仿真分析，一般剛體動力學仿真分析及與電器電路有關的電磁場仿真分析，很少涉及空氣動力學仿真分析，只有在計算空氣阻力時涉及流體力學的一些理論與基本方法，基本不需要CFD技術.但是，在列車時速超過200 km，尤其是接近350 km或者更高時，不僅列車的主要阻力來源于空氣，高速氣流產生的脈動壓力也成為列車振動的主要外載，空氣噪聲遠遠超過輪軌噪聲成為主要噪聲源.在低速列車中，受電弓處產生的空氣噪聲強度與輪軌噪聲基本相當，而在高速列車中，受電弓處產生的空氣噪聲可以讓輪軌噪聲忽略不計.使用理論方法分析復雜結構具有很大困難，高速風洞的欠缺使試驗測試手段受到制約.因而，在高速鐵路的設計分析中，CFD技術成為目前解決與空氣動力學相關課題的重要手段.從圖1可以清楚看到CAE分析技術在低速鐵路和高速鐵路設計分析中各學科的比例.

　　圖1 CAE分析技術在低速和高速鐵路設計分析中各學科的比例

　　2 高速列車CFD分析的3大任務

　　在高速列車設計和分析中，進行空氣動力學分析的數值方法須完成3個比較重要的任務：(1)高速列車行駛時的空氣阻力;(2)各種行車工況下的脈動壓力;(3)由脈動壓力產生的空氣噪聲.

　　(1)使用一般的CFD計算分析軟件就可以較為準確地獲得高速行駛時空氣阻力的計算結果.目前較為常用的CFD軟件有FLUENT和STAR.CD等.車速在350 km/h時，雷諾數較小，空氣仍然可以看作不可壓縮，此時進行穩態或者瞬態計算分析便可得到列車阻力與車速的關系.主要困難在于，為了降低空氣阻力、提高穩定性，目前對車頭進行流線型側翼添加導流槽設計，給流體分析帶來網格剖分的難度，一般使用高密度網格可以比較好地解決該問題.

　　(2)在高速列車會車時，氣動作用力發生很大變化.兩列車相對運行會車時的氣動作用影響隨車速的2次方函數遞增.因此隨著列車運行速度的提高，會車時產生的氣動壓力波對列車側壁和側窗強度的影響、對車內乘客舒適度的影響以及對列車運動穩定性的影響急劇增加，廣深線準高速列車運行初期因會車導致的破窗事故就多次發生.

　　在計算分析時，不可壓縮與可壓縮的判別非常重要.從理論上講，200 km時速的列車會車時，相對速度已經達到400 km/h，雷諾數較大，應當考慮空氣的可壓縮性，但研究表明，此時空氣的可壓縮性對氣動壓力波影響較小，見圖2.列車以350 km時速交會時，相對速度達700 km/h，必須考慮空氣的可壓縮性，見圖3.從圖2和3可以看出，低速會車時負壓最大為800 Pa左右，而高速會車時負壓已經接近2 500 Pa.

　　圖2低速可壓縮與不可壓縮產生的壓力對比

　　圖3高速會車時的壓力曲線

　　(3)高速列車噪聲的氣動聲學數值分析是高速列車流體分析的重要內容.高速列車噪聲一般產生在艙門、擋雪板、轉向架、雨刷和集電部等5個部分.集電部的噪聲源強度可以達到120 db左右，在進行空氣阻力和會車壓力波分析時，由于以上5個部分結構部件相比車體細小且復雜，所以不能考慮進去，尤其是集電部有眾多電子及絕緣部件必須進行單獨的流體分析。在集電部噪聲源分析技術方面，日本和法國等國家積累的經驗相當豐富，圖4是日本依據CAE分析技術改進后的幾代集電部形態，可以大大降低噪聲.

　　圖4 日本依據CAE分析技術改進的幾代集電部形態

　　3 高速列車空氣動力學CAE分析技術的方向

　　(1)借鑒航空器，尤其是飛機設計中的空氣動力學數值分析技術和手段，建立對高雷諾數流體的數值模擬方法.

　　(2)高速列車在會車時，有明線車、隧道會車，等速及不等速會車，以及直線會車、彎道會車等各種復雜工況，這些數值分析都需要發展動網格和滑移網格技術.雖然已經有研究者在各種分析平臺上實現了這些技術的應用，但是求解規模和效率受到很大限制.

　　(3)開發具有自主知識產權的高速列車空氣動力學分析模塊，建立中國高速列車專用的數值風洞，具有國際戰略意義.中國不僅要在自己的土地上建設世界上跑得最快的火車，而且要擁有自主知識產權，并成為技術輸出大國.建立高速列車數值風洞，意義深遠.