本研究针对某型高速列车明线运行工况下的气动阻力特性展开分析，选取我国标准动车组1:1实车模型构建数值计算模型(如 图1 所示)。实验模型采用八编组列车，考虑到受电弓及风挡装置对气动阻力的影响，完整保留了两者的结构特征。列车采用四动四拖混合编组模式，各车厢按运行方向自头车至尾车依次编号为1~8号。受电弓分别安装在3号与6号车厢顶部。在转向架区域两侧加装裙板结构实现半包覆设计，形成完整的气动外形特征。实验设定车体特征高度H (地面至车顶垂直距离)为10.82 m，测得列车横截面积为11.93 m²。

计算域尺寸为74.3H (长) × 20H (宽) × 11H (高)，来流距离车头鼻尖15H，出口距离尾车鼻尖40H，见 图2 ，计算域包含路堤和轨道板，不含轨道(但预留轨道所需空间)。定义列车中心为x = 0，y = 0，轮轨接触点为z = 0。定义空气流动方向为x轴正方向，竖直方向为z轴正方向，y轴正方向可由右手定则确定。

本节采用列车静止、给定来流速度的方法模拟列车运行的流动特征。数值模型边界条件设置如下：顶部及两侧采用滑移边界条件；车体结构表面应用无滑移静止壁面条件。为准确模拟列车运行产生的地面效应，特别将轨道系统(含地面基础、路基结构及轨道板)构建为移动壁面边界，其速度矢量与来流方向保持同步，同时满足无滑移条件。

本文使用流体仿真软件STAR CCM+进行网格划分，计算区域网格采用切割体Trimmer网格，壁面采用棱柱层Prism网格，总网格数为2120w。列车纵断面和车头及其部分部件表面网格见 图3 。为准确捕获车头、车尾的流动特征，对相应区域实施局部网格加密处理。针对转向架区域、受电弓装置及车厢连接处的风挡结构等关键部位，考虑到其流场存在显著流动梯度变化且易产生涡旋现象的特点，专门设计了符合空气动力学特性的加密策略。其中车尾因尾流结构较为复杂，特别采用了多层级加密方案进行精细化模拟。

为解析车身近壁面流场信息，采用Prism网格。壁面共设置6层Prism网格，第一层网格对应的无量纲数y+均落在标准壁面函数最佳适用范围之内(y+ = 30~150)，具体数据见 表1 。

本模型采用静态绕流方式进行，为使流场得到初始解，先使用RANS进行计算，待计算稳定后，再使用分离涡模拟方法进行续算非定常流场 [8] ，时间步选取2E−3，最大内部迭代为8。

本文设定列车运行速度为350 km/h (对应马赫数为0.29)，计算采用三维可压缩N-S方程组作为控制方程。通过分别运用基于SST k-ω两方程湍流模型的RANS方法和DES分离涡模拟技术，对明线工况下高速列车气动阻力特性展开对比研究。数值求解过程中，壁面边界处理选用全y+壁面函数策略，方程组求解采用SIMPLE压力–速度分离求解算法完成计算迭代。

为验证本文模型设置的合理性与正确性，使用三编组高速列车风洞试验进行验证。列车模型放置于8 m × 6 m的风洞试验室内，采用前端吹风的形式来模拟列车运动，列车模型采用三编组，无受电弓等细节结构，但保留了列车转向架和风挡，来流风速为60 m/s，采用1:8缩尺试验，遵循缩尺试验的相似原理 [9] ，数值模拟计算区域见 图4 。 表2 为风洞试验数值模拟结果，其中将头车阻力系数试验值进行归一化处理，其余系数依此进行加密处理。可以看到头车、中间车和尾车对阻力的捕捉能力较好，证明该数值模拟方法和网格划分是合理的。

本节对高速列车外部空气流动特点进行分析，当列车速度为速度350 km/h时，揭示速度场和压力场的分布特征与列车外形之间的关系。

图5 为高速列车模型处在时速350公里来流区域下的y = 0 m平面的速度云图，(a)、(b)分别为车体周围速度分布和尾车鼻尖附近的速度分布。由 图5(a) 详细表示了各个关键部件附近的流场形态，由于头车鼻尖和排障器区域对空气流动造成阻碍，使该区域流速趋于零，进而使该处压力增大。受到阻碍影响的流体沿车头向上和沿车底向下发展，向上发展的流体同时向车头两侧流动，向下发展的流体受到转向架区域的影响，流速有所降低。流体在通过列车肩部以后，沿车体壁面向后传播，并形成边界层，越靠近列车壁面的流体，速度越低，远离列车表面的流体逐渐恢复到来流速度。随着列车运动，车尾形成的边界层最厚，但在经过风挡和受电弓等结构时，边界层会发生紊乱，同时在列车受电弓区域形成较为复杂的涡旋流动区域，使该处的流体流速降低，由于该模型采用全风挡结构，故在该处只形成单一的涡旋结构。

在列车底部与轨道板之间，流动空间较小，流速较为稳定，随着气流的向后发展，流速逐渐降低。在转向架区域的流动过程中，由于转向架系统结构复杂，对空气的流动影响较大，转向架舱的空气流速几乎为零。

由 图5(b) 可知，在流体流经尾车鼻尖处时，会发生流动分离。首先，尾车顶面的气流沿着尾车传播，流体在壁面摩擦力和逆向压差力的双重共同影响下发生流动分离，形成半鞍点S'，一部分流体向尾车后方传播，另一部分流体向排障器区域发展，这一部分流体与车底流体汇合，形成中心点V₁和鞍点S，最终流体均向列车尾部发展。

图6 为y = 0截面的压力云图。由图可知，气流以时速350公里的速度运动，并在列车前端形成一个由气流停滞形成的滞止区，使该处压力增大，随着气流沿着列车上表面运动，在司机室下端出现一个压力变化区域，这是因为气流在此处形成了一个回流，在头车肩部形成一个较大范围的负压区。当气流沿着列车上表面流动，流经风挡和受电弓等部件时，气流受到干扰，使压力出现变化，例如，受电弓迎流区的滞止区域，由于流速降低形成正压区，当流体绕过到达背风区，形成一个背风区，压力变为负压。尾车与头车相近，均出现明显的正负压区域。每个部件单独或者列车整车前后将产生正负压差，造成了压差阻力，最终形成列车空气阻力。列车底部压力接近参考值，在流经转向架区域时会出现较明显的压力变化。

图7 为列车车身Q等值面，其中使用涡量幅值对其进行着色。由图可知，在列车表面存在大量高强度的小涡，在列车周围区域形成的涡结构强度较小，但其尺度较大。流体流经列车时，头车涡结构仅存在车底，在传至3车时，涡结构已经溢出至车厢中部，至尾车处，涡结构已覆盖整个尾车流线型头部，这些涡结构作用在车身表面时，造成列车的气动载荷，影响列车运行稳定性。另外，流体经过3车和6车受电弓时，产生大量大强度、大尺寸的涡结构，并向后传播。

本节对来流速度为350 km/h时，高速列车车厢及其各部件阻力进行分析，揭示了单列车明线运行的空气阻力分布特征。

图8 分别给出了列车在定常与非定常流场中沿着车身周围的压力分布。计算结果表明，列车车身周围压力分布与 图6 所示相同，车头位置呈现先正后负，车尾位置呈现先负后正的分布特征，并且车头位置的正负峰值均比尾车峰值大，中间车(2~7车)压力分布趋于0 Pa，在7个风挡位置出现较大的压力波动；比较定常流场和非定常流场的压力变化，可以发现，定常与非定常压力峰峰值相近，具有相似的压力分布特征，但非定常流场中靠近尾车的3个风挡压力出现波动，这是由于非定常流场中车身周围滑流区域对风挡造成的干扰。

图9(a) 分别给出了列车以时速350公里运行时各车厢空气阻力占总空气阻力的比值情况。由图可知，头车和尾车阻力占比最大，分别占比为21.73%和16.06%，对于高速列车气动阻力主要包含为压差阻力和摩擦阻力，压差阻力占比较大，其中压差阻力主要集中在头尾车，故使头尾车空气阻力占比较大。由于3车和6车带有受电弓系统，其空气阻力占比较大，其余车厢总占比为36.03%，其中4车空气阻力所占比例最少，为7.41%。 图9(b) 为列车空气阻力分量(压差阻力及摩擦阻力)占比，由图可知，高速列车压差阻力占比较大，约占总阻力的80%。

图9(c) 给出列车各部件空气阻力占比。由图可知，从各部件来看，列车车厢阻力占比较大，为53.03%；转向架空气阻力比例约占40%，这主要是由于转向架区域流场结构复杂，导致转向架前后压差较大；受电弓和风挡所占比例较小，两者之和约占8%。