高速列车头部外形的仿生设计与气动性能多目标优化研究
高速列车头部外形的仿生设计与气动性能多目标优化研究
在高速列车的设计中，列车头型的气动性能对列车的整体运行效率、安全性和乘客的舒适度有着重要影响。因此，本文对高速列车头型进行了仿生设计优化，选择游隼、信天翁、鳄鱼和梭鱼作为仿生对象进行设计改进。通过对这几种生物的生活环境、飞行或游泳速度进行分析，选取其头部特征线用于仿生设计，应用非均匀有理B样条（NURBS）技术建立了四种仿生列车头型的计算模型。
在设计过程中，首先对这些生物头部的轮廓进行了提取和简化，确保最终设计既能够符合列车的制造和技术约束，又能够保留生物的仿生特性，使其在外观上符合空气动力学的流线形要求。同时，合理设置了头部尺寸的参数化约束，以保证列车头部既美观又能减少空气阻力。仿生设计的目的是为了利用这些生物在自然进化中优化的流线形特征，从而提升高速列车的气动性能，减小阻力和噪声，提高行驶稳定性。
在仿生列车头型的基础上，采用计算流体动力学（CFD）方法对其进行了气动性能的模拟计算。计算主要针对明线单车和横风条件下的气动性能，具体包括气动阻力和横向力系数的计算分析。对于明线条件下的气动阻力，结果表明，信天翁型列车的气动阻力最低，而鳄鱼型列车的阻力最大，两者之间的气动阻力系数相差30.9%。这种差异的主要原因在于信天翁的头部结构更为流线型，可以有效减少空气在头部的分离区，从而降低阻力。
在气动升力方面，四种仿生列车中头车均受到负升力作用，表现出良好的贴地效果，这有助于保持列车的稳定性；而中间车和尾车则受到正升力作用，但升力数值相对较低。对于横风条件下的横向力系数，计算结果表明信天翁型列车的横向力系数最大，鳄鱼型列车的横向力系数最小，两者相差55.1%。这主要是因为信天翁型列车的侧面曲率较大，迎风面产生了较大的压力差异。而鳄鱼型列车在横风作用下展现出更低的横向力，说明其在保持横向稳定性方面具备一定优势。
此外，仿生列车在横风条件下不同车辆的气动性能差异也较为明显。头车的横向力系数最大，而中间车和尾车的横向力系数依次减小，说明头车在迎风时受到的横向冲击最为强烈，尾车受到的影响最小。同时，横风还导致不同位置的车辆气动阻力产生变化，尤其是中间车和尾车的阻力有所增大，这对列车的整体运行效率和安全性产生了一定的影响。
为进一步提升仿生列车在横风条件下的气动性能，本文对梭鱼型和信天翁型列车进行了多目标优化。优化的主要目标是减少头车的空气横向力和整车的气动阻力，采用了第二代非支配排序遗传算法（NSGA-II）进行优化设计。参数化模型的建立以列车头部形状的特定几何特征为基础，例如头部曲率、长度以及截面变化形式等。
在优化过程中，选取了多个设计变量，对其进行了多目标优化分析。通过多次计算与迭代，得到了这两种车型头部形状的Pareto最优解前沿。优化结果显示，与原始设计相比，梭鱼型列车的头车空气横向力最大降低了3.87%，而整车的气动阻力最大降低了3.23%。信天翁型列车的优化结果则表现出头车横向力降低了2.60%，整车气动阻力降低了4.20%。这表明，通过合理的参数化设计与优化，可以显著改善列车的气动性能，尤其是在横风条件下的稳定性与安全性方面。
在多目标优化后，本文进一步对梭鱼型和信天翁型列车在横风条件下的表面压力分布和背风侧流场结构进行了深入分析。通过对列车车体水平截面和横截面的压力系数分布进行研究，发现两种优化后的列车在迎风侧大部分区域表现为正压，而在背风侧大部分区域为负压。这种压力分布的差异主要是由于风在流经车体时，在迎风侧形成了较高的压力，而在背风侧形成了较大的涡旋区，产生了负压。
在车顶与侧墙的过渡处，由于空气流动发生剧烈的速度变化，压力分布也存在明显差异。在列车的头车与尾车区域，由于其特殊的几何形状，压力变化较大，尤其是在流线化区段表现出较为复杂的压力梯度。为研究背风侧流场的非定常特性，本文采用了Q准则和涡量方法对涡旋结构进行了分析。结果表明，尽管两种优化列车的背风侧涡旋产生位置和发展规律具有相似性，但在相同位置的横截面上，涡旋距车体的位置和涡旋强度存在明显的差异。
这种差异使得梭鱼型列车在横风条件下的稳定性相对更好，其背风侧的涡旋强度较低，说明优化后的梭鱼型列车在面对横风时能够更加有效地减小气动干扰。而信天翁型列车尽管具有较低的气动阻力，但其背风侧涡旋强度较大，表明其在横风环境中的气动稳定性稍逊于梭鱼型列车。通过对涡量的定量分析，可以更加全面地理解列车背风侧的涡旋演变过程，为进一步改进列车头型设计提供数据支持。