列车采用1:8缩尺比例三编组模型，列车长9.76 m，本文定义列车车高为特征长度，即H = 0.5 m，忽略列车受电弓等细节结构，但保留转向架、风挡结构，见 图1 ，为与风洞试验保持一致在三节车底各保留一个天平支架，各节车之间保留5 mm间隙，三节车分别测量气动阻力。

风洞试验在中国空气动力研究与发展中心8 m × 6 m风洞 [10] 中进行。为保证计算域范围不影响结果，最终确定计算域尺寸见 图2 。计算域地面安装路基、轨道模型和天平支架，列车安装在天平支架上。

本文模型的网格设计使用流体仿真软件STAR CCM+进行，主要对计算区域及列车进行网格划分，其中主要使用切割体Trimmer网格进行流场空间区域的网格划分。地面和列车表面的流动边界层使用棱柱层Prism网格技术进行网格划分。

针对流动剧烈以及流场变化剧烈的位置进行进一步加密，网格加密思想根据Muld [11] [12] 进行，分别设置加密块。其中：对车身整体设置一个车身加密块；考虑车头鼻尖及流线型头部影响空气流动故设置一个车头加密块；由于尾流对车体产生较大影响，在车尾尾流区域设置两个均匀过渡的尾流加密块；车体之间的间隙中，针对各节车风挡设置一个风挡加密块；因列车转向机区域流动较复杂，同样设置转向架加密块。列车外部流动的体网格如 图3 所示。

由于来流风速为60 m/s，列车附近产生复杂的高雷诺数三维湍流。本报告使用SST k-ω雷诺平均纳维-斯托克斯湍流模型进行湍流建模。其中SST k-ω湍流模型中湍动能和比耗散率的传输方程如下：

$\frac{\partial }{\partial t}\left(\rho k\right)+\nabla \cdot \left(\rho k\bar{V}\right)=\nabla \cdot \left[\left(\mu +{\sigma }_k{\mu }_t\right)\nabla k\right]+P_k-\rho {\beta }^{*}{f}_{{\beta }^{*}}\left(\omega k-{\omega }_0{k}_0\right)+S_k$ (1)

$\frac{\partial }{\partial t}\left(\rho \omega \right)+\nabla \cdot \left(\rho \omega \bar{V}\right)=\nabla \cdot \left[\left(\mu +{\sigma }_{\omega }{\mu }_t\right)\nabla \omega \right]+P_{\omega }-\rho \beta f_{\beta }\left({\omega }^2-{\omega }_0^2\right)+S_{\omega }$ (2)

其中， $\bar{V}$和 ${\mu }_t$分别为来流速度和湍流涡粘度， ${\sigma }_k$、 ${\sigma }_{\omega }$、 ${\beta }^{*}$和 $\beta$均为模型系数， $P_k$和 $P_{\omega }$分别为湍动能和比耗散率的产生项， $f_{{\beta }^{*}}$和 $f_{\beta }$分别为自由剪切修正因子和涡流延伸修正因子， $S_k$和 $S_{\omega }$为源项， ${\omega }_0$和 $k_0$为环境湍流值。

对于边界条件的设置，将列车壁面视为静止边界条件，使用速度入口边界条件，来流沿x方向，使用压力出口边界，其值为参考压力，即大气压，侧墙、顶板、地面和列车表面等设置为无滑移静止固体壁面。因本文仍使用风洞试验进行数值验证， 表1 给出了风洞试验和数值计算结果的对比，其中将头车阻力系数试验值进行归一化处理，同时其余阻力系数也进行无量纲处理。其阻力数值结果相较于风洞试验相对误差范围均在5%左右，可见该网格划分对阻力捕捉较好，也对本文的数值验证进行补充。

列车外部周围流场决定其压力分布。 图4 表示了高速列车气动模型处在60 m/s来流区域下的纵向中心截面的车体周围压力分布，图中黑色箭头为来流方向。由 图4 可知：动车组鼻见鼻尖区域因流体动压滞止效应产生显著高压梯度场，该高压域沿纵向发展至驾驶舱轮廓转折点后，在气动分离界面诱发湍流剪切层，导致列车肩部背流区出现剧烈压力突变，导致出现负压值。

列车周围的压力分布与其外形关联度较高。在列车前端区域(包含车头、排障装置等非平整结构部位)，流场中的压力梯度表现出显著波动特性。针对关键部件的压力分布特征分析显示：风挡装置周边形成了具有明显压差梯度的流场结构，具体表现为其背风面形成高压区，迎风面则产生低压区。值得注意的是，在挡风玻璃与车体构成相对封闭的腔体结构内，测得压力值趋近环境基准压力，这种现象揭示该区域空气介质受外部主气流扰动作用较弱。

列车尾部空气离开其平直车体时出现影响范围较大的负压区。当空气流过列车尾部时，从列车上方加速的空气向后、向下逐渐发展为正压区。车尾压力分布与车头压力分布相似。

综上所述，可以看出列车外部压力分布的三个基本特征：

(1) 空气高速流向列车时，空气在车头鼻尖、排障器附近形成滞止区，进而产生正压区，当空气绕过鼻尖等部件后，压力剧烈突变，压力低于参考压力；

(2) 列车表面空气动力特性与其气动外形呈现密切关联。特别是在车体前部区域(如车头整流罩、排障装置等几何突变部位)，流场参数表现出显著的压力梯度特征，关键部件前缘与后缘形成高压区和低压区分布，这种动态压力差直接导致列车运行过程中所受的气动阻力占比；

(3) 当气流通过列车尾部区域时，形成与车头压力对称的负正压差。

图5 表示了高速列车气动模型处在60 m/s来流区域下的纵向中心截面的车体周围速度矢量图，该图示清晰展示了关键结构周边的流体分布特征，黑色箭头标识处代表空气来流方向。根据 图5 分析可知：列车前端鼻锥与排障装置对周围空气产生压缩和排导作用，导致局部形成气流停滞区域。这种阻滞效应不仅存在于车体近端区域，同时沿列车行进反方向延伸扩展，促使流体速度呈现渐进式提升，并展现出显著的三维流动特性。当气流通过驾驶舱顶部结构后，沿车体外表面产生分流现象，逐步形成具有边界层特征的流动模式。

列车高速运行时会挤压空气介质产生三维流动效应：在垂直方向(z向)因车体占据空间促使该方向气流产生加速现象，使其瞬时速度超过环境气流基准值；当与车体表面的间距增大时，流体粘滞效应呈现衰减趋势，气流速度逐步回归环境基准值。观察车顶区域的流动特征可见，表面边界层厚度沿车体纵向呈现递增态势，但受风挡装置、受电弓装置等突出构件的影响，其发展连续性会产生间断现象；当气流运动至车尾区域时，边界层发展达到最大厚度值。在车体底部与路基形成的受限空间内，流体运动呈现多尺度涡旋特征，底部近壁面区呈现准静止流态；而在转向架区域，因机械构件复杂的几何特征形成显著流动阻滞效应，导致气流速度呈现梯度递减现象，特别是尾端转向架周边的低速区范围明显大于前端转向架区域。

综上所述，可以看出列车外部速度分布的六个基本特征：

(1) 空气高速流向列车时，在车头鼻尖、排障器附近形成滞止区，其影响区域还会向上扩展；

(2) 当列车在空气中高速运行时，沿车体纵向会形成流动边界层，该边界层的厚度在靠近车尾区域增至最大，且其发展过程受到车身表面凹凸结构的干扰；

(3) 风挡等部件的后部均存在较强的回流运动；

(4) 转向架系统与地面之间的流场速度梯度很大，流动结构复杂；

(5) 在列车关键区域周边，气流运动与尾迹分布展现出显著的三维特性，其流场形态沿车体中心线呈非对称分布；

(6) 头车转向架系统下方轨道上方的空气流速接近列车速度，尾车转向架系统下轨道上方空气流速低于头车，且头尾车由轨道至转向架机构空气流速减小，转向架机构附近空气流速几乎为零。

本小节主要对高速列车气动模型进行棱柱层网格参数设计，与此同时对车底和风挡处的切割体网格也进行修改并分析。基础模型车身棱柱层层数为6层，风挡也采用相同棱柱层参数，因转向架结构细节较复杂，故对转向架不设置棱柱层。 图6 为以基础模型为例修改棱柱层网格参数的设计树状图，首先增加转向架棱柱层网格，其次将结果较好模型修改部件周围的体网格尺寸，最后也对四周壁面和钢轨棱柱层网格进行设计。由图可知，对棱柱层的探究主要从转向架棱柱层和车身棱柱层层数方面进行，另外，在此基础上也对车底、风挡加密块进行网格尺寸的修改。

对高速列车气动模型进行棱柱层网格设计的气动阻力系数结果见 图7 。图中水平线及其色带表示风洞试验归一化结果及其误差带，柱状色条表示各模型头车、中间车和尾车的阻力系数误差，可以看到11个模型尾车阻力系数相对误差均在5%以内，保证较好的误差水平，表示修改转向架棱柱层和车身棱柱层网格对尾车阻力影响较小，同时也表示基础模型捕捉尾车阻力能力较好；对于中间车，模型1、2和9中间车阻力较好，但其余模型计算中间车阻力结果偏小；对于头车也存在整体模型结果偏小的现象，其中模型2修改了风挡5 mm间隙的网格，对头车阻力的计算结果偏大，说明列车风挡处的体网格对阻力计算结果影响较大。各模型关于三节车的阻力系数计算结果与试验结果的相对误差见 表2 。

通过对转向架棱柱层和车身棱柱层网格的修改及结果可以得出：由模型0、1、3、4和5结果可知，为保证棱柱层网格能精准捕捉边界层的流动信息，车身棱柱层至少需要6层，对于转向架棱柱层可以不要求，若需要生成转向架棱柱层，其棱柱层层数不应与车身棱柱层层数差距过大，这主要保证车身网格和棱柱层网格之间的过渡；由模型2和6结果可知，在模型0基础上修改风挡间隙和风挡处的网格，使相对误差增大，表明该处的网格较为独立；由模型7和10结果可知，加密一次车底加密块后，计算结果仍保持在可接受范围内，再加密后，中间车阻力误差增大，这可能是增大了舍入误差；由模型3和9结果可知，在进行风洞试验验证过程中，若存在钢轨，则需要对钢轨生成棱柱层。

本小节主要对高速列车气动模型进行切割体网格参数设计。基础模型车身棱柱层层数为6层，风挡也采用相同棱柱层参数，因转向架结构细节较复杂，故对转向架不设置棱柱层。列车周围加密块主要为车头、车身、车底和车尾加密块，因上小节解释了车底加密块对列车车厢阻力的影响特征故本节不对其做过多解释，对于列车车身主要捕捉其边界层流动特征，由棱柱层网格进行控制，本小节不对车身加密块网格进行单独说明，故探究切割体网格对列车车厢阻力的影响特征主要是针对车头head加密块、车尾tail1和车尾tail2网格。

表3 表示切割体网格设计的计算结果统计。由表可知，加密车头(head)加密块的网格尺寸会导致列车车厢阻力结果变差，而车尾加密块对计算结果影响较小，这说明，基础模型11网格设计较为合理，且针对车身周围加密块的网格尺寸对列车车厢阻力影响较小。