基于STAR-CCM+的高速列車空氣動力學性能數值分析

劉濤，劉鳳華，余以正，姜旭東，王云霄

(中國北車集團 長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130000)*

0 引言

計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)是一種由計算機模擬流體流動、傳熱及相關傳遞現象的系統(tǒng)分析方法和工具.近年來，隨著計算機技術與數值模擬方法的快速發(fā)展，CFD技術以其快速、經濟、高效等特有的優(yōu)勢已被廣泛應用于各個工程科學領域，并逐漸成為工程設計人員用于分析和解決問題強有力的工具.

隨著我國高速鐵路行業(yè)的快速發(fā)展，列車的空氣動力特性越來越受到廣泛的關注.它不僅關系到列車牽引效率，而且還影響旅客乘坐舒適性和列車運行安全性.特別是自CRH5與CRH3型動車組上線運營以來，國內眾多科研院所和高校在列車空氣動力學方面做了大量工作［1］，研究其周圍流場特性.

列車的空氣動力學性能與列車外形有著密切的關系，其外形的流線型程度直接影響整列車的空氣動力性能［2］.頭、尾車的阻力系數、升力系數的絕對值深受流線型頭部的影響，頭車、尾車的阻力系數越小，同樣編組情況下的列車總阻力就越小，能耗也越少.因此，如何在造型階段控制整車阻力系數是整車氣動性能研發(fā)工作中的重中之重.

國內外對高速列車空氣動力學的研究主要有兩種方法:一種是以風洞實驗為主的實驗法，另一種是利用計算流體動力學(CFD)技術進行數值模擬.傳統(tǒng)的列車空氣動力學研究是在風洞中進行實驗，存在著研發(fā)周期長、費用昂貴等問題.另外，在風洞實驗時，只能在有限個截面和其上有限個點處測得速度、壓力和溫度值，而不可能獲得整車流場中任意點的詳細信息.隨著CFD技術的不斷發(fā)展，特別是CFD商業(yè)化軟件的推出，列車外流場的計算機數值仿真由于其具有可再現性、周期短以及低成本等優(yōu)越性而成為研究列車空氣動力學性能的另一種有效方法.應用STAR-CCM+軟件對某高速車體外流場進行三維模擬計算，不僅可以為指導設計以獲得良好的列車外形造型提供依據，而且可以為后續(xù)的結構分析提供必需的壓力數據［3］.

1 模型建立

1.1 基本理論

研究高速列車的空氣動力特性，其實質是研究流體流動的問題.流體運動是最復雜的物理行為之一，與結構設計領域中應力分析等問題相比，其建模與數值模擬要困難很多.控制所有流體流動的基本定律是:質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律.由它們可以分別導出連續(xù)性方程、動量方程(又稱納維爾-斯托克斯方程)和能量方程.由它們聯(lián)立得到納維爾-斯托克斯方程組，簡稱N-S方程組，N-S方程組是流體流動所需遵守的普遍規(guī)律.一般情況下，列車的運行速度與飛機相比較低(Ma＜0.3)，空氣密度的變化對流動的影響可以略去不計，此時，可以采用不可壓縮流動假設，其控制方程組為［4］:

式中，ui為列車周圍流場速度，分別代表u、v、w三個坐標方向的速度分量;xi為坐標的三分量，分別代表x、y、z三個方向坐標;ρ為空氣密度.

求解偏微分方程的數值方法主要分為有限差分法、有限元法及有限體積法3種.STAR-CCM+使用的是有限體積法，它是近年發(fā)展非常迅速的一種離散化方法，其特點是計算效率高.其基本思路是:利用計算網格把流動區(qū)域劃分為離散的控制體積，將待解的控制方程對每一個控制體積分，形成諸如速度、壓力、溫度等未知離散變量的代數方程，然后把離散的非線性方程組線性化，求解該方程組獲得新的變量值［5］.

1.2 網格模型

為了簡化計算，本文采用三車編組，模型比例為1∶8的縮比模型.對列車外流場進行仿真分析，首先是車身模型的建立和簡化處理，如圖1所示，包括車身表面、受電弓、轉向架、空調箱等.在CATIA環(huán)境下，將裝配好的列車頭車模型文件igs格式轉化成stl格式，并導入STAR-CCM+中.STAR-CCM+搭載了CD-adapco獨創(chuàng)的最新網格生成技術，可以完成網格創(chuàng)建所需的一系列操作.對質量較差的表面進行包面處理，對空調導流罩等部件進行網格加密，保持相對完整的結構特征，包面處理后的列車模型，如圖2(a)所示.對已有的表面進行再次三角化的網格重構，以便提高表面網格質量，為進一步自動生成體網格和模擬計算做準備，網格重構后的列車模型，如圖2(b)所示.

圖1 三車編組的catia模型

圖2 列車模型

1.3 體網格生成

采用六面體核心(Trim)網格和邊界層(Prism Layer)網格對計算區(qū)域進行離散(相比較于傳統(tǒng)的四面體網格，使用切割體網格，在保持相同計算精度的情況下，可以提高計算性能3～10倍).考慮到壁面邊界層的影響，在車體表面以及地面選取合適的邊界層尺寸，使最終計算的車體表面粘性長度值在一個合理的范圍內.為提高模擬精度并控制網格數量，對計算區(qū)域采用密度漸變的網格布局.本例中設定計算區(qū)域長35m，寬10m，高8m.

因為車身的幾何形狀復雜，整個外流求解域大，網格數目多，通過體積源項(Volume Source)進行局部體網格加密，捕捉細節(jié)，這樣既能保持計算的精度、提高計算的收斂性和穩(wěn)定性，又能控制網格的總體數量，獲得更加精確的流場信息.本例分別在車尾、車身和受電弓區(qū)域設置了三個體網格加密區(qū)，三個加密區(qū)在三個方向的區(qū)域位置和加密尺寸均逐級擴大，如圖3所示.STAR-CCM+的集成化和參數化操作可以快速高效地生成質量很好的計算網格，最終總計生成網格數約626萬，生成體網格后的模型截面，如圖4所示.

圖3 設置三個加密區(qū)后的體網格截面

圖4 生成體網格后的模型截面

1.4 邊界條件

邊界條件的設置對求解十分重要，列車外流場的數值模擬是在有限區(qū)域內進行，因此在區(qū)域的邊界上需要給定邊界條件.列車外流場的邊界條件設置如下:入口來流取理論上的無窮遠處均勻分布的來流速度，方向與列車運行速度相反，氣流速度為車速250 km/h;車身后遠端端面為出口邊界，壓強為0 Pa(相對于大氣壓)，其余各變量分量梯度為0;列車車身表面、計算域的側壁和頂壁均按光滑壁面處理，取滑移、流線不穿透邊界條件;計算域下底面設置無滑移邊界條件和移動壁面邊界條件，無滑移邊界條件模擬地面與氣流的摩擦作用，移動壁面邊界條件以消除假設條件為來流吹襲、列車靜止而引起地面附面層對列車氣動性能計算的影響［6］.

1.5 計算設置

求解模型建立后我們希望得到穩(wěn)定的外流場情況，所以選擇:Steady，Gas，3D，采用分離求解器Segregated flow，該求解器在求解低速不可壓縮流動時比分離求解器收斂性更好，求解更高效.同時選擇理想氣體，湍流模型選擇Realizable K-Eplison模型，需要說明的是STAR-CCM+軟件中對該湍流模型的壁面修正默認采用的是壁面函數法，即All y+Wall Treatment.

1.6 監(jiān)測曲線和監(jiān)測點設定

在Reports下創(chuàng)建阻力系數監(jiān)測工具，建立頭車阻力系數監(jiān)測曲線Cd，并將監(jiān)測點建立在頭車鼻端處，便于監(jiān)測模型的阻力情況.

1.7 求解參數設置

一般情況下，根據計算模型需要設定計算步數，本例中由于網格量較大，可設定較多步，初定為1000，在計算中，根據收斂判據、各監(jiān)測曲線及輸出欄的輸出數據，判定是否收斂和是否結束計算.STAR-CCM+軟件的便捷之處在于，在求解過程的任一時刻，都可以停止保存文件，下次求解啟動時，會在之前的求解基礎上繼續(xù)求解，除非在求解前先清空之前的求解數據，才能進行新的求解.

2 解析計算

2.1 阻力系數

由圖5阻力系數曲線可以看出，模型阻力計算曲線在開始一直呈振蕩變化狀態(tài)，振蕩程度呈逐漸減緩的趨勢，到第500步左右時趨于收斂，阻力系數值維持在0.45～0.5之間，經計算后500步平均值為0.488.

圖5 列車阻力系數曲線

2.2 速度分布

圖6是列車縱向對稱面速度矢量圖，從圖中可以看出，大部分流場均以層流的形式出現，而車身頭部及車身尾部出現了較大的渦流，且受電弓、風擋和轉向架區(qū)域的空腔內存在較為明顯的回流、漩渦現象，這是由于空氣沿列車表面流動受到外凸物的阻擋時，會出現氣流滯止區(qū)，使氣流速度降低，導致外凸物的表面壓力升高，這些部位的流場對列車阻力均有較大的影響.

圖6 列車縱向對稱面速度矢量圖

2.3 表面壓力分布

圖7為列車縱向對稱面壓力云圖，從圖中可以看出，壓力最大的部分是車頭正面鼻端部分，并且壓力沿著過渡區(qū)域逐漸降低.車頭部分的壓力主要為正壓力，這是由于列車在向前行駛過程中，將迎面靜止氣流向外排開，氣流受到鼓動開始運動，在此形成正壓區(qū).車頭頂部和底部出現小部分負壓，這是由于氣流在列車鼻尖處氣流發(fā)生分離，一部分流向車頂，另一部分流向車底.上部氣流在流經列車頭部上緣時，氣流發(fā)生局部分離，氣流在此形成負壓區(qū).下部氣流在列車底部形成為負壓區(qū)［7］.車尾部分的壓力主要是負壓，且壓力變化較小.正是由于列車前后存在的壓力差造成了列車的壓差阻力，這部分阻力對列車的總阻力影響較大.

圖7 列車縱向對稱面壓力云圖

3 結論

在我公司已成功搭建了具有自主知識產權和世界一流水平的時速380 km/h動車組技術平臺的背景下，高速列車新開發(fā)項目越來越多.在列車設計研發(fā)中，采用CFD的方法對整車外形進行空氣動力學的分析已經成為整車開發(fā)前期對氣動性能進行評估的有效手段之一.分析表明:

(1)車身頭部及車身尾部會出現較大的渦流，且受電弓、風擋和轉向架區(qū)域的空腔內也存在較為明顯的回流、漩渦現象，這些部位的流場對列車阻力均有較大的影響;

(2)列車的總阻力主要來源于列車所遭受的壓差阻力，且鼻端處壓力值最大并沿著過渡區(qū)域逐漸降低.合理設計高速列車兩端的端車頭部的流線型，將直接影響沿列車頭部壁面的壓力分布，進而影響阻力變化;

(3)應用CFD技術對列車外流場進行建模和仿真模擬，是一種對其進行氣動性能分析快速有效的方法.

［1］李樹民.高速列車空氣動力學及其相關問題的研究與建議［R］.綿陽:中國空氣動力研究與發(fā)展中心，2012.

［2］田紅旗.中國列車空氣動力學研究進展［J］.交通運輸工程學報，2006，6(1):1-6.

［3］王東屏，兆文忠.CFD數值仿真在高速列車中的應用及驗證［C］.2005Fluent中國用戶大會論文集，2005:59-66.

［4］田紅旗.列車空氣動力學［M］.北京:中國鐵道出版社，2007:26-32.

［5］王福軍.計算流體動力學分析［M］.北京:清華大學出版社，2004:25-26.

［6］李明.STAR-CCM+與流場計算［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2011:211-212.

［7］劉鳳華.高速列車氣動阻力仿真分析與試驗對比研究［R］.長春:長春軌道客車股份有限公司，2010.