31-高速列车头型气动力优化(2011)

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高速列车通过隧道时产生的空气动力学问题

。
边界层方法
03
对隧道和列车周围的流场进行精细建模，适用于研究列车与隧
道之间的相互作用。
实验研究方法
风洞实验
在风洞中模拟列车通过隧道的情境，以观察和测量列车和隧道周围的流场特性。
实物模型实验
使用实际列车和隧道进行实验，以测量和评估列车通过隧道时的空气动力学性能。
热线风速仪测量
用于测量列车和隧道之间的局部风速和风压，以评估空气动力学性能。
采用扁平车头设计，以减少空气阻力和压力波的产生。
流线型车头设计
采用流线型车头设计，以降低空气阻力和涡流产生。
优化车头形状
根据空气动力学原理，优化车头的形状，以降低空气阻力和压力波的产生。
改善隧道内通风系统
加强隧道通风设施
加强隧道内的通风设施，如风机、通风口等，以加快空气流通和减少压力波的产生。
02
隧道内空气流动的基本原理
流体动力学基础
01
02
03
流体的定义
流体是指可以流动的物质，包括液体和气体。
流体的性质
流体具有连续性、不可压缩性和粘性。
流体的运动
流体的运动可以通过速度、方向和加速度等参数来描述。
隧道内空气流动的特点和规律
空气流动的驱动力
隧道内空气流动的驱动力主要包括列车行驶时产生的压力波和空
目前，针对高速列车通过隧道时的空气动力学问题，国内外学者提出了多种数值模拟方法和实验模型，这些方法为深入研究列车与隧道间的相互作用提供了有力支持。
未来，随着计算流体力学、实验流体力学等学科的发展，高速列车通过隧道时的空气动力学问题研究将更加深入，有望在列车设计、运行控制等方面实现突破。同时，随着科技的发展，研究手段和方法也将不断创新和完善，为解决实际问题提供更多选择和支撑。

基于最优拉丁超立方设计的高速列车流线型头型减阻优化研究

基于最优拉丁超立方设计的高速列车流线型头型减阻优化研究刘加利（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111）摘要：为研究流线型头型对高速列车气动阻力性能的影响特性，利用B-Spline曲面建立高速列车流线型头型三维参数化模型，并提取5个头型设计变量。

在此基础上，结合最优拉丁超立方设计和计算流体力学方法，研究高速列车流线型头型控制型线对高速列车气动阻力的影响特性，确定出关键控制型线。

计算结果表明：随着流线型头型控制型线的变化，高速列车气动阻力发生明显改变，变化范围为3183～3509N，相对变化量约为10.2%。

最优设计点头型下的气动阻力较原始头型降低3.5%。

对高速列车气动阻力影响最为显著的控制型线为纵向对称线，其次是车底最大轮廓线和水平最大轮廓线，而鼻尖高度控制线和中部辅助控制线对高速列车气动阻力的影响相对较小。

关键词：高速列车；流线型头型；最优拉丁超立方设计；气动阻力；鼻尖高度中图分类号：U270.2文献标识码：A文章编号：1001-683X（2020）02-0081-06DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2020.02.0810引言高速列车具有安全、可靠、舒适、准时等优势，在很多国家获得广泛重视和快速发展。

然而，随着运行速度的不断提高，高速列车与周围空气间的相互作用变得越来越强烈，并由此产生了大量空气动力学问题，如气动阻力、气动升力、气动噪声、隧道压力波及微气压波、强风下的列车运行安全性等［1-3］，空气动力学问题已经成为高速列车设计研发中需要解决的关键问题之一。

研究表明，当高速列车运行速度达到300km/h时，高速列车气动阻力在总运行阻力中所占的比重将达到75%［4］，气动阻力已成为高速列车阻力的主要来源。

阻力直接影响列车运行能耗，气动减阻设计已成为高速列车气动设计研发的关键。

姚拴宝等［5-6］详细分析了高速列车气动阻力的分布特性，发现当运行速度达到350km/h时，高速列车压差阻力在总气动阻力中所占比重达到75.3%，减小高速气动阻力应从降低压差阻力入手，重点对流线型头型三维外形进行优基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFB1200504-F）；中国铁路总公司科技研究开发计划项目（2015J009-D）作者简介：刘加利（1985—），男，高级工程师。

基于压力分布的高速列车气动力计算方法

基于压力分布的高速列车气动力计算方法曹志伟;姚拴宝;陈大伟;林鹏;邓小军【摘要】Based on the radial basis function (RBF) method and the friction computation model, a method to calculate the aerodynamic force of the high-speed train when it is running on the railway is proposed.The pressure of many points on the carriage body should be measured to fit the pressure distribution of the carriage surface with the RBF, and then the pressure force and shear force can be obtained with the numerical integral method and the flat plate boundary layer friction computation model.The geometry of affiliated parts is so complex that the surface pressure distribution cannot be calculated by RBF.Therefore, the contribution of affiliated parts is given based on the eight car real shape so that the proposed method can be used to the railway test and moving model test.To validate effectiveness of the method, the CFD results and the calculation results of the aerodynamic drag force and lift force of the streamline parts of simplified high speed train with a leading car, a middle car and a trailing car are discussed.Besides, the wind tunnel test results and the calculation results of the real shape with a leading car, a middle car and a trailing car are compared.The results show that the computation method proposed in this paper can meet the engineering accuracy.%基于径向基函数的气动压力插值方法和摩擦力计算模型,提出了一种可用于高速列车线路试验的气动力快速计算方法.该方法只需测得车体表面若干测点的压力,然后基于这些测点的压力值,使用径向基函数插值方法得到车体表面压力分布;并采用数值积分方法与平板边界层摩擦力计算模型能够快速得到气动压差力和气动摩擦力.列车附属部件几何外形复杂,难以通过插值方法获取表面压力分布;为此,基于八辆编组真实外形,给出了各附属部件对列车气动力贡献度,从而使本文提出的方法能够应用于线路试验和动模型试验.为验证计算方法的有效性,针对高速列车三辆编组简化外形头尾车流线型部分,采用数值计算方法对比分析了气动阻力和气动升力计算结果与计算结果;针对三辆编组风洞试验外形分析了气动阻力试验值和计算值.结果表明:提出的计算方法能够满足工程精度要求.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2017(017)005【总页数】9页(P289-297)【关键词】气动力;压力分布;摩擦系数;径向基函数;高速列车【作者】曹志伟;姚拴宝;陈大伟;林鹏;邓小军【作者单位】中车青岛四方机车车辆股份有限公司, 国家总成工程技术研究中心, 青岛 266111;中车青岛四方机车车辆股份有限公司, 国家总成工程技术研究中心, 青岛 266111;中车青岛四方机车车辆股份有限公司, 国家总成工程技术研究中心, 青岛 266111;中车青岛四方机车车辆股份有限公司, 国家总成工程技术研究中心, 青岛 266111;中车青岛四方机车车辆股份有限公司, 国家总成工程技术研究中心, 青岛 266111【正文语种】中文【中图分类】U238交通运输空气动力学问题是高速列车设计、研发和维护过程中需要重点关注的问题之一，涉及到高速列车的横风稳定性、隧道效应、环境友好性和乘坐舒适性等关键设计指标[1]。

铁道部2010年铁道统计公报

2010年铁道统计公报铁道部统计中心2011年5 月9 日2010年，在党中央、国务院的正确领导下，铁路系统以科学发展观为指导，认真贯彻落实党的十七大和十七届四中、五中全会精神，立足服务经济社会发展大局，坚持建设和运营两手抓，铁路发展取得新的成果，全面完成了“十一五”规划任务。

一、运输生产旅客运输。

全国铁路旅客发送量完成167609万人，比上年增加15158万人、增长9.9%。

其中，国家铁路164761万人，增长9.3%；非控股合资铁路1211万人，下降1.9%；地方铁路477万人，增长13.8%。

全国铁路旅客周转量完成8762.18亿人公里，比上年增加883.29亿人公里、增长11.2%。

其中，国家铁路8725.72亿人公里，增长11.3%；非控股合资铁路30.15亿人公里，下降9.1%；地方铁路6.31亿人公里，增长11.9%。

货物运输。

全国铁路货运总发送量（含行包运量）完成364271万吨，比上年增加30923万吨、增长9.3%，增量首次突破3亿吨。

其中，国家铁路309541万吨，增长11.5%；非控股合资铁路35641万吨，增长11.7%；地方铁路19089万吨，下降20.0%。

全国铁路货运总周转量（含行包周转量）完成27644.13亿吨公里，比上年增加2404.96亿吨公里、增长9.5%。

其中，国家铁路25937.35亿吨公里，增长9.7%；非控股合资铁路1590.72亿吨公里，增长8.8%；地方铁路116.07亿吨公里，下降8.3%。

全国铁路货物发送量完成362929万吨，比上年增加30887万吨、增长9.3%。

其中，国家铁路308209万吨，增长11.6%；非控股合资铁路35630万吨，增长11.7%；地方铁路19089万吨，下降20.0%。

全国铁路货物周转量完成27332.68亿吨公里，比上年增加2389.19亿吨公里、增长9.6%。

其中，国家铁路25626.19亿吨公里，增长9.7%；非控股合资铁路1590.45亿吨公里，增长8.8%；地方铁路116.04亿吨公里，下降8.3%。

高速列车头车外形结构优化风洞试验研究

ｘ６ｍｎｕｎｅｎｌｗ —ｓｅｄａｒｄｎｍｉｎｓｉｕｅｏｉａＡｅｏｙａｉｓＲｅｅｒｈ＆ＤｅｅｏｗｉｄｔｎｌｉｏｐｅｅｏｙａｃｉｔｔｔｆＣｈｎｒｄｎｍｃｓａｃｖｌｐｍｅｎｅ．ｎｔＣｅｔｒ
第９卷第２期２１０２年４月
铁道科学与工程学报
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＲＡＩＷＡＹＬＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＥＮＧＩＥＲｌＮＥＮＧ
Ｖｏ．ＮＯ２１９．Ａｐ２２ｒ０ｌ
＿．．
同列车头车外形结构优化风洞试验研究速
（．ｉｌｎｉｅｒｇＤｐｒｅｔＳｕｈｅｔｉｅｓｙｏｃｎｅａｄＴｃｎｌｇ，ａｙｎ２００Ｃｉａ１Ｃｖｇｅｉｅａｔｎ，ｏｔｗｓＵｎｒｉｆｉｃｎｅｈｏｙＭｉｎａｇ６１１，ｈｎ；ｉＥｎｎｍｖｔＳｅｏ２ＣｉａＡｒｄｎｍｉｅｅｒｈａｄＤｖｌｐｅｔｅｔｒＭｉｎａｇ２００，ｈｎ）．ｈｎｅｏｙａｃＲｓａｃｎｅｅｍｎＣｎｅ，ａｙｎ１０Ｃｉａｓｏ６
角为Ｏ时，３７／的试验风速范围内，速的变化对头型ＮＷ —Ａ的气动特性的影响很小；。在５～０ｍｓ风Ｅ当侧偏角不变时，型模ＮＷ —Ａ的头车、间车和尾车气动阻力最小，头型当中ＮＷ — 头型的空气动力性能最好。Ｅ中４种ＥＡ
ห้องสมุดไป่ตู้

法国高速铁路技术(4)

5.4 TGV—A型第二代高速电动车组5.4.1 TGV—A型动车组总体特性及主要技术参数TGV—A型动车组是在第一代TGV—PSE型动车组基础上，进行研究开发与改进，保留了第一代的一些基本技术特点，如铰接式联结方式，牵引电机体悬方式，三爪万向轴传动装置等。

同时，又积极采用了自换向同步牵引电动机交流传动，高性能的制动系统，空气弹簧悬挂系统及车载微机控制系统等新技术，将TGV高速动车组的性能推向新的高水平。

TGV—A型动车组仍为动力集中模式，编组形式为1L+10T+1L(见图2—5—31)。

全列车有15台转向架，其中动力转向架只有4台，非动力转向架11台。

其总定员为485人，10辆拖车中有3辆头等车，定员116人，6辆二等车，定员369人，1辆酒吧车。

每列车还设有37个折叠椅，供临时超员时使用。

〖ＴＰＴ，＋２２１ｍｍ。

１４７ｍｍ，ＢＰ，ＤＹ＃〗TGV—A作为TGV第二代动车组的显著特点是采用了自换向同步牵引电机交流传动，这在高速列车技术发展方面是一个很大的突破。

其牵引特性曲线见图2—5—32所示。

TGV—A仅采用8台同步牵引电机，输出轮周持续功率可达8 800kW，启动牵引力为220kN，而且在300km/h时尚有牵引力105kN。

即使有两台牵引电机发生故障，则6台牵引电机的牵引力，在300km/h时尚有65kN，仍能维持动车组以300km/h高速运行。

在14辆编组时，启动加速度０．５８ｍ/ｓ２，剩余加速度０．１１ｍ/ｓ２。

１８辆编组时为０．４８ｍ/ｓ２，剩余加速度０．０７ｍ/ｓ２。

TGV—A型动车组的造价为每列(2M+10T)7900万法郎，与TGV—PSE相比，造价降低了12%，维修费用减少了20%，平均每一座席的电力消耗节省了10%。

TGV—A型动车组的主要技术特征及技术参数参见表2—5—1所列。

5.4.2 TGV—A型动车组的动力车(1)总体布置〖ＴＰＴＩＥＴ２５３２，＋９７ｍｍ。

６８ｍｍ，ＢＰ＃〗图2—5—32 TGV—A型动车组的牵引及阻力特性曲线TGV—A型动力车的总体设备配置如图2—5—33所示。

高速列车头部气动性能的模拟计算与试验

［］谭深根，４李雪冰，张继业，路堤上运行的高速列车等．在侧风下的流场结构及气动性能［］铁道车辆，Ｊ．
２０，６（４８，６０８４８）：— ４．
［］梅元贵，朝晖，５周许建林．速铁路隧道空气动力学高［．Ｍ］北京：科学出版社，０．２９０［］田红旗．车空气动力学［．６列Ｍ］北京：中国铁道出版
Ｅ－ａｌｍａｎｎｇｉｍｉ：ｒｅｌｎ＠１６．ｏｎ．２ｃ
４
大连交通大学学报
第３３卷
４风洞模型试验与仿真分析结果的对比分析
风洞模型试验与仿真分析结果存在差异的
原因：
风洞试验法、线路试验以及动模型试验，在高
速列车头型设计的初期风洞试验是主要的设计验证手段．数值模拟方法主要是利用ＣＤ程序对列Ｆ车周围的流场进行模拟计算来反映列车外部复杂流动特性的一种方法．ＦＣＤ方法作为一种强有力
分析方法的选择与结合提供参考．
２高速列车车头的数值模拟
ＣＤ方法可以看作是流动基本方程（量守Ｆ质恒方程、量守恒方程、量守恒方程）制下对动能控
流动的数值模拟，过数值模拟，以得到极其复通可杂问题的流场内各个位置的基本物理量的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，定漩涡分确布特性、空化特性及脱流区等．面利用通用下流体分析软件ＦＵＮ，列车头部及车身周围ＬＥＴ对

像子弹一样飞向未来——高速动车组车头设计揭秘

文图/梁建英（国家高速列车技术创新中心主任）像子弹一样飞向未来—高速动车组车头设计揭秘每次坐高铁，都会被那些漂亮的车头所惊艳。

车头是高铁给人的第一印象，是一张张看得见的高铁“面孔”。

当高速列车从眼前飞驰而过，常会让人想到它们是怎么设计出来的？背后又蕴含着怎样的高科技？高“颜值” 高科技含量车头是我们辨认不同高铁车型的主要标志。

每一列高铁动车，都有属于自己独具特色的头型。

事实上，车头不光是高铁的“脸面”，更是高铁的一大关键核心技术。

对于高铁来说，头型的设计非常重要。

从技术层面讲，高铁车头的科技含量，主要在于高速列车要面临空气动力学的问题。

因为高铁速度非常快，随着速度的提高，周围空气的动力作用会对列车和列车运行性能产生极大的影响。

列车在运行中受到多个力的作用，其中有空气阻力、升力、横向力以及纵向摆动力矩、扭摆力矩和侧滚力矩等。

高速列车所受到的空气动力作用，首要的是空气阻力。

列车速度越快，气动阻力越大。

它们的关系是，随着速度的攀升，气动阻力成平方增长。

因此，列车在高速运行时最大的“敌人”，不是自身重量，而是空气阻力。

头型设计必须降低气动阻力，以节约能耗。

高速列车来自空气的另一个重要“敌人”是升力。

高速运行时，气流会给列车向上的抬升力。

速度越快，升力越大。

要尽量降低气动升力，让升力趋近于零，不让列车“飞”起来，以保障列车运行的稳定性。

另外，侧风带来的侧向力，可能使车头摇摆，增加阻力。

上述空气动力作用是在一般工况下。

此外，高速列车还要面临两车交会时SPECIAL REPORT特别策划10JAN.2024的交会压力波和通过隧道时的隧道压力波。

当列车与另一列车会车时，由于相对运动的列车车头对空气的挤压，会使列车侧壁上的空气压力产生很大的波动。

会车速度越快，会车压力波的强度便越大。

列车通过隧道时，也会引起隧道内空气压力急剧波动。

压力波动产生的冲击力，可造成门窗密封被破坏，压力波会传到车内，这就是当列车会车或过隧道时，我们的耳部会有不适感的原因。

基于人机工程学的高速动车组新头型优化设计

第３４卷第５期２０１３年１０月
大连交通大学学报
Ｊ０ＵＲＮＡＬＯＦＤＡＬＩＡＮＪＩＡ０Ｔ０ＮＧＵＮ．５０ｃｔ．２０１３
文章编号：１６７３ — ９５９０（２０１３）０５ — ００５０．０４
人机工程学标准等设计原则，确定了新头型头部设计约束条件．然后采用三维变量化技术建立高速动车组头型的参数化模型．该模型采用一系列
研究表明，采用合理的流线型外型设计能够有效降低列车的空气阻力、会车压力波和气动噪
基于人机工程学的高速动车组新头型优化设计
李明，李国清，邵蓉，孔繁冰，韩璐
（中国北车集团唐山轨道客车有限责任公司产品技术研究中心，河北唐山０６３０３５）爿 ÷
摘
要：在高速列车头型设计工作中，综合考虑速度能力及司机室人机工效等设计要素，基于司机室驾驶
米收稿日期：２０１３ — ０３ — ０１
基金项目：国家科技支撑计划资助项目（２００９ＢＡＧ１２Ａ０４）作者简介：李明（１９８３一），男，工程师，博士，主要从事多学科优化及空气动力学方面的研究
Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｊｃ —ｌｉｍｉｎｇ＠ｔａｎｇｃｈｅ．ｏｏｍ．
０引言
高速列车是世界轨道车辆发展的亮点，是铁

高速列车车内空气压力舒适度标准的研究

高速列车车内空气压力舒适度标准的研究何德华【摘要】介绍和分析国内外高速铁路以及民航的压力舒适度标准;对我国各型动车组压力变化试验结果进行了汇总,并结合乘客舒适度调查试验,对压力变化与耳感舒适度进行了相关性分析;最后,对我国铁路压力舒适度标准的制定提出了建议.【期刊名称】《铁道机车车辆》【年(卷),期】2016(036)003【总页数】7页(P1-6,10)【关键词】高速铁路;压力舒适度;空气动力学【作者】何德华【作者单位】中国铁道科学研究院机车车辆研究所,北京100081【正文语种】中文【中图分类】U292.91+4高速列车通过隧道以及在隧道内与其他高速列车交会时车外产生较大压力变化。

由于列车不是完全密封，车外的空气压力波动会通过车体上可能存在的缝隙或空调系统的进、排风口传到车内。

在人耳的鼓膜和外耳道之间产生一个压差，这个压差会导致耳膜震动或偏移，刺激旅客的耳鼓膜，引起耳胀耳痛，从而影响乘客的舒适度，超过一定限值时，会造成健康伤害[1-13]。

一个合理的压力舒适度限值，可为高速列车密封性能、动车组压力保护系统，以及隧道截面积、缓冲结构等的设计提供依据。

在发展高速铁路过程中，许多国家开展了压力波对旅客乘坐舒适度影响研究，根据实车或压力舱试验结果，并参考海军和航空航天医学方面的研究成果制定了相关标准[10]。

近年来，乘客对高速铁路的乘坐舒适度提出了越来越高的要求，经常反映高速动车组通过隧道时车内压力变化快，引起不适。

我国对高速列车车内压力舒适度也有标准，但《高速动车组整车试验规范》、《联调联试动态验收技术规范》和《动车组招标技术文件》这3个标准(文件)的要求不一致，存在过于严格或不够严密的问题，不能真实反映乘客的舒适度，因此适用性较差。

试验结果表明，压力波动的舒适度，与一定时间内压力变化幅度和压力变化率有关。

本文在梳理国内外相关压力舒适度标准的基础上，对我国既有高速列车的试验结果进行汇总，并对乘客舒适度准则进行调查分析，为制定一个可靠、合理、能反映乘客压力舒适度标准提供依据。

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CRH3型高速列车气动头型优化计算研究Optimization of the Head Shape of the CRH3 HighSpeed Train孙振旭宋婧婧安亦然北京大学工学院，北京，100871摘要: 本文针对CRH3型高速列车的气动外形设计问题，提出了一套高效的头型气动力优化方法。

使用NS方程进行流场求解，结合遗传优化算法和任意网格变形技术，避免了流场计算时几何变形和网格剖分的庞大时间开销，提高了优化计算的效率。

通过对设计空间中的设计点进行统计分析，研究了优化设计变量与优化目标之间的相关性，分析出了影响优化目标的几个关键变量，并采用Kriging算法对关键设计变量与优化目标进行了响应面分析，得到了关键设计变量与优化目标之间的非线性关系。

最后，通过优化头型与原始头型的气动性能比较，对CRH3型高速列车原始头型的气动稳定型进行了评估。

关键词:优化，任意网格变形，响应面分析，Kriging算法、modeFRONTIERAbstract： Aiming at optimizing the head shape of the CRH3 high speed train, an efficient optimization approach is proposed. The CFD analysis by solving Navier-Stokes equations is coupled with optimization calculation based on the multi-objective genetic algorithm, meanwhile the arbitrary shape deformation technique (ASD) is also introducedinto the design flow, which greatly shortens the time consumption for geometry regeneration and flow field remeshing. As a result, the efficiency of the optimization calculation is highly improved. Statistical analysis is done to the designs in the design space, and the correlation between the design variables and the objective is studied to find out the key variables that most affect the objective. Response surface analysis is also performed to get the nonlinear relationship between the key design variables and the objective with the Kriging algorithm. Finally, after the optimization,an aerodynamic performance comparison between the optimal shape and the original shape reveals that the original shape of CRH3 high speed train owns a very stable aerodynamic performance and can be trustingly used in industry.Key words:optimization, arbitrary shape deformation, response surface analysis, Kriging algorithm, modeFRONTIER1前言高速铁路的发展对我国国民经济发展和社会进步起着至关重要的作用。

国际上以日本和欧洲为代表的发达国家在高速铁路领域已经进行了大量的科学研究，积累了丰富的知识和经验，在这些工作的基础上不断开发出新型的高速列车，且速度越来越快。

高速列车运行时的安全性、舒适性、低能耗以及对周围环境影响等都和高速列车的空气动力学性能紧密联系在一起。

列车的空气动力性能与列车外形有着密切的关系，外形的流线型直接影响着列车空气动力性能[1-3]。

头、尾车的阻力系数、升力系数的绝对值深受流线型头部的影响。

而头车、尾车的阻力系数越小，同样编组情况下的列车总阻力就越小，能耗也越少。

总之，应尽量使得列车的空气阻力变小。

新型高速列车的研发必须按照这一原则来进行气动力外形优化。

现代工程设计对象要求优化的因素是多方面的，经常又是彼此矛盾的[4]；而优化又必须在诸多现实可行的条件，如体积不得大于X、重量不得超过Y等的约束下进行。

这样一类数学问题必然需要分解成比较单纯的小型数学问题，并加以组合以达到最后目标。

计算这类具有不同约束的数学问题必须要对各个子问题的组织和协调进行深入研究。

因而，对于这样的问题必须以‘系统工程’的角度来审视，来优化。

国内外研究高速列车外形优化主要有两类方法：实验方法和数值模拟方法。

实验方法以风洞实验为主，其他还有水洞实验方法、电模拟实验方法、实车实验方法等。

目前，国内外主要还是采用实验研究方法。

随着计算机技术的飞速发展，数值模拟已成为可能：实验研究存在着的耗资大、费时较多，由实验设备引起的误差等诸多问题，在数值模拟中都可以克服。

在短时间内，耗资很低的情况下，可以对大量工况进行计算分析。

当前一般的数值模拟研究程序是：先对几种特定工况进行实验分析，根据实验结果来检验计算方法和计算程序的正确性，然后利用数值模拟进行大量工况计算，对计算结果进行有效分析，找出规律。

最后再从中选定几个方案进行风洞实验，与计算结果进行比较分析，得出一般性的结论。

从本质上讲上述方法属于优选方法，且过多地依赖于工程经验。

即使计算了许多工况并找到了一些规律，但这些规律也只是单个设计变量与优化目标之间的规律，并不能得到多个设计变量与优化目标的非线性关系。

为了摆脱这一方法的局限性而得到真正的最优化外形设计，必须采用直接优化方法。

直接优化设计方法是在满足一定约束的条件下，用数学方法对某些设计目标寻求尽可能最大或最小（如翼型升阻比的最大化、机车阻力的最小化等），从而将外形设计问题转化为一个约束优化数学问题。

根据优化算法的不同，直接优化设计方法可以概括为局部方法和全局方法两类。

梯度法为局部方法的代表[5-6]，它是采用目标函数的梯度作为方向的一种搜索算法，但这种方法只能够保证得到一个局部最优解。

全局方法的优点是可能得到全局最优解，不受计算目标对设计变量灵敏度的限制。

但这类方法属于随机搜索方法，需要多次进行几何变形、网格重构和流场计算，因此计算效率相对较低[7]。

通常情况下流场的优化受到计算条件的制约，难以应用于实际工程问题。

而高速列车头型优化问题是一种三维流场变几何优化问题，在采用全局算法优化时计算效率较低。

本文利用各类可解‘子问题’的现成软件加以组织结合而实现了全局优化的设计方法。

该软件概念清晰、操作简易、效率较高，克服了几何变形和网格重构带来的困难，并可以在设计空间中搜索到全局最优解。

2 优化思路流场中的三维几何优化主要存在三个挑战：（1）反复求解NS方程的效率；（2）数学上准确描述任意三维几何模型的能力；（3）在几何变形后保持或者获得新的流场合适网格的能力。

针对第一点，为了提高CFD计算的效率，应该保证每次求解NS方程时给定一个比较合理的初始值，以减少计算迭代的步数，使计算更快地收敛；为了实现第二点，人们寻找一个通用的方法，先将原始几何参数化[8]。

对第三个挑战，有两种不同的方法来完成。

第一种方法就是在每次几何变形后重构网格。

这对大多数工程问题来说基本上不现实，因为它取决于相应的网格自动生成是否可行，但后者的研究在目前看来远远没有达到成熟的地步。

第二种方法就是在优化过程中当几何变形的时候同时对原来的网格进行变形，并在变形的过程中保持网格质量[9]。

传统的优化方法往往采用第一种方法，大量计算时间应用于几何变形和网格重构上，这大大降低了优化的效率。

本文在优化过程中采用了第二类方法，即使用任意几何变形（Arbitrary Shape Deformation，ASD）技术。

ASD技术基于计算模型建立新的控制面，通过移动控制面的控制点以直接改变计算网格，达到网格变形的目的。

这省去了几何重构的过程，提高了优化的效率。

本文采用多种优化软件耦合CFD计算软件CCM+进行高速列车气动头型优化。

优化软件包括SCULPTOR和modeFRONTIER两种。

SCULPTOR虽然拥有新颖的ASD技术，但是因为其本身所带的算法大多为基于梯度的优化算法（如最速下降法、牛顿法、广义既约梯度法、序列二次规划法等），优化时往往会局限于局部最优点，这大大限制了优化的精度。

而modeFRONTIER是一种比较成熟的非线性多目标优化集成平台，包含许多成熟的优化算法，从实验设计算法到优化算法（如MOGA-II，MOSA等），可以比较准确地捕捉设计空间中的最优解。

本文取长补短，在modeFRONTIER中耦合了SCULPTOR中的网格变形技术，同时耦合CCM+用来对每一个设计进行CFD计算，得到相应的气动阻力，以完成优化目标的求解。

为了提高优化效率，节省流场计算时间，首先对高速列车原始头型进行了气动力计算并保存，后续网格变形后的设计求解均以此为初值进行续算，直至收敛。

本文对CRH3高速列车头部外形进行优化，以列车受到的阻力作为优化目标。

针对高速列车头部外形的设计参数，优化时采用以下几个优化变量，具体包括：鼻端高度（Nose Height），鼻端长度(Nose Forward)，鼻端厚度(Nose Thickness)，以及司机室上壁面的高度(Nose Top Channel)。

这四个变量可以大致刻画出高速列车头部流线型，通过对这四个变量的调整即可以修正头部流线型。

原始头型对应各个设计变量值均为零，当NoseForward变量值为负时表示鼻锥向前拉伸，NoseThickness变量值为负时表示鼻锥变薄，NoseHeight为负时表示鼻锥向地面移动，NoseTopChannel为负时表示司机室上壁面下移，所有变量值为正时变化方向相反。

同时因高速列车头部长细比不能太长，机车内零部件便于安装、司机视角不受影响、司机室空间适当等诸多因素，这四个外形设计参数又受到一定的约束，即需要限定它们的变化范围。