高速檢測(cè)車明線運(yùn)行輔助變流器進(jìn)排風(fēng)口表面壓力數(shù)值分析

王東屏，趙強(qiáng)，兆文忠

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028;2.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連116028)

0 引言

隨著列車速度不斷提高，列車與空氣的相互作用變得十分強(qiáng)烈，如何有效地利用空氣動(dòng)力學(xué)特性降低空氣阻力等問題的研究變得愈來(lái)愈重要［1-4］.

明線列車空氣動(dòng)力學(xué)研究的是高速列車在開闊地面上運(yùn)行和通過橋梁時(shí)所誘發(fā)的空氣動(dòng)力學(xué)問題，其中，列車?yán)@流特性的研究是設(shè)計(jì)列車外形，確定客車空調(diào)，輔助變流器通風(fēng)設(shè)備送，排風(fēng)口位置的基礎(chǔ)［5］.列車明線高速運(yùn)行時(shí)車體表面會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，負(fù)壓不利于通風(fēng)設(shè)備的進(jìn)風(fēng)，盡量避免在負(fù)壓區(qū)內(nèi)設(shè)置通風(fēng)設(shè)備進(jìn)風(fēng)口是及其必要的.

輔助變流器位于列車車廂內(nèi)，起著給列車輔助設(shè)備變流的重要作用，其通風(fēng)的進(jìn)風(fēng)口開在列車的上部，排風(fēng)口置于車廂底板即設(shè)備艙頂面上.輔助變流器通風(fēng)是否合理順暢是其散熱好壞的關(guān)鍵，而散熱直接影響著輔助變流器的工作性能，因此對(duì)輔助變流器通風(fēng)的設(shè)計(jì)就顯得十分重要.目前，國(guó)內(nèi)對(duì)高速列車明線運(yùn)行輔助變流器通風(fēng)數(shù)值模擬還不是很多，然而輔助變流器進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力數(shù)值是通風(fēng)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，通過模擬出的進(jìn)排風(fēng)口壓力數(shù)據(jù)和壓差，可以判斷進(jìn)排風(fēng)口的位置設(shè)計(jì)是否合理，對(duì)實(shí)際輔助變流器通風(fēng)設(shè)計(jì)有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義.本文對(duì)350 km/h高速檢測(cè)車明線運(yùn)行空氣動(dòng)力特性進(jìn)行數(shù)值分析研究，模擬了輔助變流器不工作情況下和工作情況下(通風(fēng)方向由上至下)進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布情況，為輔助變流器通風(fēng)設(shè)計(jì)提供必需的壓力數(shù)據(jù)，從而為通風(fēng)設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù).

1 計(jì)算模型

在計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域，可以抓住主要矛盾對(duì)列車某些結(jié)構(gòu)尤其是車體底部進(jìn)行簡(jiǎn)化建模.

本次計(jì)算模型具體簡(jiǎn)化措施為:

(1)簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)向架及車底設(shè)備艙內(nèi)設(shè)備;

(2)檢測(cè)車計(jì)算模型取三車編組，即:頭車+中車+尾車.

數(shù)值模擬邊界條件如表1所示:

表1 邊界條件設(shè)置

網(wǎng)格的劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域采用分塊劃分網(wǎng)格原則，對(duì)車體近壁層區(qū)域的網(wǎng)格細(xì)化，遠(yuǎn)離車體的網(wǎng)格采用稀疏網(wǎng)格，以減少計(jì)算量和加快收斂速度.列車表面劃分三角形網(wǎng)格，插入邊界層.空間采用四面體和五面體六面體混合網(wǎng)格，空間體單元約為1 000萬(wàn).

目前對(duì)具有復(fù)雜幾何特征的實(shí)車模型進(jìn)行明線運(yùn)行氣動(dòng)特性分析時(shí)一般采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算.本文應(yīng)用大型計(jì)算軟件SC/Tetra(日本CRADLE軟件公司開發(fā)的計(jì)算流體力學(xué)軟件)，基于三維、定常、不可壓縮的粘性流場(chǎng)，對(duì)高速檢測(cè)車在350 km/h明線運(yùn)行工況下的外流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬.數(shù)值計(jì)算方法采用有限體積法中常用的SIMPLE(Semi－Implicit Method for Pressure－Linked Equations)壓力連接方程的半隱式求解離散方程組.其中在離散方程中，對(duì)流項(xiàng)及湍流模型RNG k-ε方程采用二階迎風(fēng)格式［5-6］.基于本次模擬明線流場(chǎng)三維模型的復(fù)雜性較高，在網(wǎng)格數(shù)量很大的情況下，需要進(jìn)行并行計(jì)算.本次并行計(jì)算采用16個(gè)CPU，分為輔助變流器不工作和工作兩種工況進(jìn)行模擬，每個(gè)工況計(jì)算耗時(shí)約16 h.

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 列車明線運(yùn)行車體表面壓力分布情況

檢測(cè)車以350 km/h速度明線運(yùn)行，計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)為190 m，寬30 m，高25 m.通過模擬計(jì)算得到車體表面壓力系數(shù)如圖1所示.

列車運(yùn)行時(shí)，由于車頭的擠壓，使周圍流場(chǎng)呈正壓狀態(tài).當(dāng)氣流繞過迎風(fēng)面到達(dá)整流罩上方，隨著空氣繞流列車速度的增加，壓力逐漸降低，并在接近列車最大的橫截面處出現(xiàn)第一個(gè)負(fù)壓峰值，列車中部表面壓力變化較平緩，承受負(fù)壓狀態(tài)，壓力系數(shù)在0附近變化，而對(duì)于車尾，在導(dǎo)流罩與車頂?shù)倪^渡處，側(cè)墻向車頂過渡處，負(fù)壓值達(dá)到最大.從上圖可知，最大壓力發(fā)生在車體鼻尖部位，模擬計(jì)算所得的最大壓力系數(shù)是0.99，而理論值應(yīng)該是1.計(jì)算值和理論值之間的誤差為1%，在允許誤差之內(nèi).可見計(jì)算所得到的趨勢(shì)是正確的，計(jì)算結(jié)果有可信度［7-10］.

圖1 車體表面壓力系數(shù)分布云圖

2.2 列車明線運(yùn)行輔助變流器不工作時(shí)進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布情況

為了模擬輔助變流器進(jìn)風(fēng)口，排風(fēng)口的壓力分布，必須考慮空調(diào)機(jī)組和冷凝風(fēng)機(jī)的影響.本檢測(cè)車共有三個(gè)輔助變流器，既有3個(gè)輔變進(jìn)風(fēng)口，3個(gè)輔變排風(fēng)口;3個(gè)空調(diào)機(jī)組，既有3個(gè)新風(fēng)口，3個(gè)冷凝風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口，3個(gè)冷凝風(fēng)機(jī)排風(fēng)口.按照列車運(yùn)行的方向分別編號(hào)為1，2，3號(hào)，具體如圖2、3 所示.

圖2 車體上部設(shè)備開口位

圖3 輔助變流器進(jìn)風(fēng)口排風(fēng)口位置

為了驗(yàn)證通風(fēng)的設(shè)計(jì)方向是否便于輔助變流器通風(fēng)，需要分析輔變進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布.本檢測(cè)車中車有3個(gè)輔助變流器，按照列車運(yùn)行的方向(X軸正方向)分別編號(hào)為1，2，3號(hào)輔助變流器.在輔助變流器不工作的情況下，對(duì)檢測(cè)車明線運(yùn)行外流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值分析.圖4為1號(hào)輔助變流器進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布.圖5是2號(hào)輔助變流器進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布.圖6為3號(hào)輔助變流器進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布云圖.

從圖4～圖6中可以看出，3個(gè)輔助變流器進(jìn)風(fēng)口的壓力分布趨勢(shì)是相同的.最大進(jìn)風(fēng)口壓力出現(xiàn)在進(jìn)風(fēng)口左側(cè)，最小進(jìn)風(fēng)口壓力出現(xiàn)在進(jìn)風(fēng)口右側(cè)，進(jìn)風(fēng)口平均壓力相差不大.由于輔助變流器排風(fēng)口位于車廂底板上，車下設(shè)備艙內(nèi)設(shè)備放置比較復(fù)雜，3個(gè)輔助變流器排風(fēng)口壓力分布趨勢(shì)是不相同的，且排風(fēng)口平均壓力成遞減趨勢(shì).

圖4 1號(hào)輔助變流器進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布(不工作)

圖5 2號(hào)輔助變流器進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布(不工作)

圖6 3號(hào)輔助變流器進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布(不工作)

在輔助變流器不工作的情況下，輔助變流器1，2，3進(jìn)風(fēng)口排風(fēng)口的最大壓力，最小壓力，平均壓力和輔助變流器進(jìn)排風(fēng)口壓差見表2及表3.

表2 輔變不工作時(shí)進(jìn)風(fēng)口排風(fēng)口最大壓力，最小壓力，平均壓力 Pa

表3 輔變不工作時(shí)進(jìn)風(fēng)口排風(fēng)口平均壓力和進(jìn)排風(fēng)口相同時(shí)刻的壓差 Pa

由表2及表3可知，輔助變流器不工作的情況下進(jìn)風(fēng)口的平均壓力隨列車運(yùn)行方向變化不大，且都為正值;排風(fēng)口1的平均壓力為正，排風(fēng)口2，3的平均壓力為負(fù)值，且排風(fēng)口1的壓力明顯大于2和3.進(jìn)排風(fēng)口的壓差都為正.

2.3 列車明線運(yùn)行輔助變流器工作時(shí)進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布情況

在輔助變流器正常工作既按現(xiàn)有的通風(fēng)情況下(從上至下)，對(duì)檢測(cè)車明線運(yùn)行的空氣流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值分析.圖7為1號(hào)輔助變流器進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布.圖8是2號(hào)輔助變流器進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布.圖9為3號(hào)輔助變流器進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布云圖.

圖7 1號(hào)輔助變流器工作時(shí)進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布

圖8 2號(hào)輔助變流器工作時(shí)進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布

圖9 3號(hào)輔助變流器工作時(shí)進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布

從圖7～圖9中可以看出，3個(gè)輔助變流器進(jìn)風(fēng)口的壓力分布趨勢(shì)是相同的.最大進(jìn)風(fēng)口壓力出現(xiàn)在進(jìn)風(fēng)口左側(cè)，最小進(jìn)風(fēng)口壓力出現(xiàn)在進(jìn)風(fēng)口右側(cè).3個(gè)輔助變流器排風(fēng)口壓力分布趨勢(shì)是不太相同的，但是最大壓力都出現(xiàn)在排風(fēng)口右側(cè).

在輔助變流器正常工作的情況下，輔助變流器1，2，3進(jìn)風(fēng)口排風(fēng)口的最大壓力，最小壓力，平均壓力和輔助變流器進(jìn)排風(fēng)口壓差見表4及表5.

表4 輔變正常工作時(shí)進(jìn)風(fēng)口排風(fēng)口最大壓力，最小壓力，平均壓力 Pa

表5 輔變正常工作進(jìn)風(fēng)口排風(fēng)口平均壓力和進(jìn)排風(fēng)口相同時(shí)刻的壓差 Pa

與輔助變流器不工作時(shí)相比，進(jìn)排風(fēng)口的壓力變化規(guī)律相同，但進(jìn)風(fēng)口平均壓力減小，1號(hào)排風(fēng)口壓力增加，所以進(jìn)排風(fēng)的壓差為負(fù)壓.2號(hào)進(jìn)風(fēng)口平均壓力降低，排風(fēng)口負(fù)壓值增大，所以進(jìn)排風(fēng)口的壓差減少.3號(hào)進(jìn)風(fēng)口平均壓力降低，進(jìn)排風(fēng)口壓差減少.計(jì)算結(jié)果表明，1號(hào)輔助變流器排風(fēng)口的壓力偏高，進(jìn)排風(fēng)口的壓差為負(fù)值，不利于輔助變流器由上至下通風(fēng)，所以此位置不適合設(shè)置排風(fēng)口.

4 結(jié)論

本文對(duì)350 km/h檢測(cè)車明線運(yùn)行時(shí)外流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值分析，詳細(xì)獲得輔助變流器在不工作情況下和正常工作情況下進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布情況，得到有意義的結(jié)論如下:

(1)通過數(shù)值模擬仿真得到的壓力系數(shù)數(shù)值與理論值誤差是1%，在允許范圍之內(nèi)，計(jì)算模型可靠，計(jì)算結(jié)果可信;

(2)輔助變流器不工作時(shí)，列車明線運(yùn)行輔變進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口的壓差為:1號(hào)輔變進(jìn)排風(fēng)口壓差1.84 Pa;2號(hào)輔變進(jìn)排風(fēng)口壓差128.95 Pa;3號(hào)輔變進(jìn)排風(fēng)口壓差184.45 Pa.由3個(gè)輔助變流器的不工作時(shí)進(jìn)排風(fēng)口的壓差可得:1，2，3號(hào)輔助變流器通風(fēng)方向按由上至下設(shè)計(jì)較為合理;

(3)輔助變流器正常工作(通風(fēng)方向從上至下)時(shí)，列車明線運(yùn)行輔變進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口的壓差為:1號(hào)輔變進(jìn)排風(fēng)口壓差－81.43 Pa;2號(hào)輔變進(jìn)排風(fēng)口壓差78.87 Pa;3號(hào)輔變進(jìn)排風(fēng)口壓差89.55 Pa.由3個(gè)輔助變流器的進(jìn)排風(fēng)口的壓差可得:1號(hào)輔助變流器現(xiàn)有通風(fēng)方向設(shè)計(jì)不合理，建議通風(fēng)方向?yàn)橛上轮辽匣蛘吒淖冚o助變流器排風(fēng)口位置;2，3號(hào)輔助變流器按現(xiàn)有通風(fēng)方向保持不變.

［1］田紅旗.中國(guó)列車空氣動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展［J］.交通工程學(xué)報(bào)，2006，6(1):1-9.

［2］田紅旗.列車空氣動(dòng)力學(xué)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2007.

［3］武青海，周虹偉，朱勇更.高速列車湍流流場(chǎng)數(shù)值仿真計(jì)算探討［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2002，24(3):99-103.

［4］武青海.列車空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真研究［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2002，23(4):132-135.

［5］(美)約翰 D，安德森.計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)及其應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［6］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［7］張軍海，王吉橋，吳向東.高速列車湍流特性的數(shù)值模擬［J］.鐵道機(jī)車車輛，2010，30(1):11-15.

［8］陳燕榮，肖友剛.高速列車空氣動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算［J］.鐵道車輛，2009，47(1):14-16.

［9］王東屏，兆文忠.數(shù)值仿真在高速列車中的應(yīng)用及驗(yàn)證［C］.2005Fluent中國(guó)用戶大會(huì)論文集，2005:59-66.

［10］梅元貴，周朝輝，許建林.高速列車隧道空氣動(dòng)力學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2009.