随着高速列车运行速度的提升，其空气动力学性能对能耗、运行稳定性及乘客舒适度的影响愈发显著。其中，气动阻力已成为制约列车能效比的关键因素，探索先进的气动减阻技术已成为当前亟待突破的重要科学问题。随着列车流线化程度的提高，传统的基于压差阻力的列车减阻外形优化设计已趋近优化极限，而摩擦阻力作为列车另一主要的气动阻力来源，仍存在较大的优化空间。仿生微结构流动控制技术受鲨鱼表面微观构造的启发而设计，近年来已被证实在高雷诺数湍流边界层内起到减阻效果。然而，该技术在高速列车中的应用仍面临诸多挑战，包括微结构的流动控制机理不完善、数值模拟方法的适用性不足、缺乏针对工程应用的系统性设计等问题。

本研究针对高速列车气动减阻的需求，围绕仿生微结构的流动控制机理、数值模拟方法、减阻效果评估及优化设计开展系统研究，主要工作包括以下四个方面：

1）分析流动分离对仿生微结构减阻机理的影响。本文建立倾斜前向台阶模型，以模拟高速列车头部及局部几何突变所引发的流动分离现象，并在台阶后缘布置仿生微结构，探讨流动分离对微结构流动控制效果的影响。采用大涡模拟（LES）方法，结合速度场、涡量场、湍流统计量及象限分析，揭示微结构对湍流结构的调控机制。研究表明，上游流动分离增强了下游仿生微结构的减阻效果，主要原因在于分离流动的强化导致Q2（喷射）运动增强，从而提升微结构对湍流结构的调控能力。此外，微结构的布置位置对流动分离强度具有显著影响，靠近分离点的微结构可能促进流动分离，进而增加压差阻力，因此在工程应用中应合理布局，以避免不利影响。

2）建立改进的仿生微结构数值模化方法。由于高速列车绕流问题的计算域规模较大，而仿生微结构的特征尺寸远小于列车整体尺寸，直接进行高分辨率数值模拟的计算成本极高。为此，本文提出了一种改进的基于壁面修正的微结构模化方法，以提高计算效率。该方法通过修正k-ω 湍流模型中的ω 壁面边界条件，以准确再现微结构表面在对数区的速度变化特征，从而有效模拟微结构对壁面摩擦阻力的影响。相比于现有的微结构模化方法，本研究的方法在预测精度、网格敏感性及泛化能力方面均有所提升。通过平板流动实验及风力机翼型实验进行了数值验证，表明该方法能够准确捕捉微结构的减阻特性。

3）研究仿生微结构在高速列车上的流动控制效果。基于改进的微结构模化方法，本文开展了宽高比s/h=1 的V形仿生微结构在高速列车表面的系统性研究。首先，采用1:8缩比高速列车模型，分析列车气动阻力的分布特性，并在此基础上展开微结构尺寸及布局优化，实现全车减阻率3.26%。随后，在CR450高速列车的全尺寸模型上，针对不同运行速度（350 km/h、400 km/h、450 km/h）下的微结构减阻效果进行研究。结果表明，在不同速度下，最优尺寸微结构诱导的减阻率分别为2.5%、2.3%和2.4%，验证了仿生微结构在实际运行条件下的有效性。

4）优化仿生微结构形状设计与尺寸分布。在明确微结构的减阻机理与作用规律后，本文进一步开展微结构优化设计研究。首先，通过大涡模拟评估不同形状（梯形、矩形、V形）微结构的流动控制效果，优选减阻效率最高的构型。随后，以各节车厢微结构尺寸参数为优化变量，采用基于代理模型的气动优化算法，探索高速列车的最优微结构尺寸布局。优化设计后，时速400 km/h的高速列车可实现3.0%的最优减阻率，为新一代高速列车的空气动力学减阻设计提供了理论指导。