基于STAR—CD軟件的高速列車(chē)側(cè)風(fēng)中運(yùn)行時(shí)外部流場(chǎng)研究

趙鶴群 孫佳瑩

摘 要：本文采用基于有限體積方法的STAR-CD軟件，對(duì)側(cè)風(fēng)環(huán)境中高速列車(chē)外部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。通過(guò)分析，建立了完整的數(shù)學(xué)和物理模型，為以后進(jìn)行高速列車(chē)設(shè)計(jì)改進(jìn)研究提供了一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：空氣動(dòng)力；高速列車(chē)；數(shù)值模擬；側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性

概述：隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展而蓬勃興起，數(shù)值模擬方法為列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的研究開(kāi)辟了新的途徑。通過(guò)計(jì)算機(jī)求解相應(yīng)的數(shù)學(xué)方程組，研究列車(chē)流場(chǎng)的流體運(yùn)動(dòng)特性，給出流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為列車(chē)車(chē)身設(shè)計(jì)等提供科學(xué)依據(jù)。同試驗(yàn)方法相比，數(shù)值模擬具有可預(yù)先研究、成本低、不受條件限制、信息豐富、周期短等特點(diǎn)。因此本文采用了數(shù)值模擬的方法研究列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)高速列車(chē)側(cè)風(fēng)環(huán)境下不同車(chē)速運(yùn)行時(shí)外部流進(jìn)行數(shù)值模擬研究[1][2]。

一、研究思路與方法

主要包括以下內(nèi)容：（1）通過(guò)Pro/E建立列車(chē)模型；（2）并用

ICEMCFD軟件劃分網(wǎng)格；（3）應(yīng)用STAR-CD軟件數(shù)值模擬計(jì)

算；（4）進(jìn)行多工況研究，分析不同溫度環(huán)境下運(yùn)行條件的列車(chē)外部流場(chǎng)特性。

通過(guò)以上研究，可以建立一套完整的、快捷的計(jì)算列車(chē)外部流場(chǎng)的物理模型和數(shù)學(xué)模型。首先應(yīng)用PRO/E建立列車(chē)模型，再利用ICEM劃分網(wǎng)格，最后應(yīng)用STAR-CD軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。將計(jì)算的結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，來(lái)驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算模型和方法的正確性。并使用正確模型進(jìn)行參數(shù)研究、網(wǎng)格獨(dú)立性研究、不同車(chē)速工況下外部流場(chǎng)特性探究。具體實(shí)施步驟如圖1所示。

圖1 具體實(shí)施步驟

二、數(shù)值計(jì)算模型及計(jì)算區(qū)域

圖2 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)使用ATM模型及本文計(jì)算使用列車(chē)模型

通過(guò)Pro/E軟件建立ICE2高速列車(chē)模型如圖2所示?？紤]到建立網(wǎng)格的復(fù)雜性以及參考文獻(xiàn)中使用模型，去除了轉(zhuǎn)向架、受電弓、空調(diào)罩等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，但保留了風(fēng)擋等對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)影響效果顯著的關(guān)鍵部位，為今后進(jìn)行實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)對(duì)比計(jì)算以及諸如地面效應(yīng)等更深入的列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究打下基礎(chǔ)。

高速列車(chē)對(duì)周?chē)諝獾臄_動(dòng)隨著離開(kāi)列車(chē)的距離增大而減小。理論上講，列車(chē)對(duì)周?chē)諝獾挠绊懛秶菬o(wú)窮遠(yuǎn)的。但由于硬件限制，數(shù)值計(jì)算區(qū)域不可能選取無(wú)窮大，因此計(jì)算中通常以不影響車(chē)體附近的流體流動(dòng)為限來(lái)確定計(jì)算區(qū)域的邊界。參考前人的研究，本文湍流特征尺度L取車(chē)寬值0.3m，計(jì)算域的邊界距車(chē)體6倍車(chē)寬以上，其中模型側(cè)面為橢圓區(qū)域長(zhǎng)軸為

17L，短軸為12.5L。計(jì)算區(qū)域入口距車(chē)頭6.25L，計(jì)算區(qū)域出口距車(chē)尾30L。計(jì)算區(qū)域雷諾數(shù)Re=1.4×106，速度U取來(lái)流速度70m/s，偏航角選取30度，空氣運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)v （20℃）取15×

106m2/s。車(chē)體幾何尺寸、計(jì)算區(qū)域及坐標(biāo)軸方向如圖3所示。

圖3 計(jì)算區(qū)域示意圖

模型網(wǎng)格劃分使用ANSYS ICEM CFD軟件，它是生成網(wǎng)格的專用軟件，可生成塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以及H型自適應(yīng)網(wǎng)格。本文建立了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，如圖4所示：

圖4 車(chē)體周?chē)蜋M截面網(wǎng)格示意圖

三、研究結(jié)果分析與討論

通過(guò)上述工作建立的計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，處理計(jì)算結(jié)果，在表1中給出了計(jì)算得到的三個(gè)方向的升力系數(shù)與風(fēng)洞試驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)值計(jì)算得到結(jié)果比對(duì)分析狀況，對(duì)比發(fā)現(xiàn)本文計(jì)算結(jié)果誤差值較小，計(jì)算結(jié)果真實(shí)可信。

表1 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)結(jié)果對(duì)比

在驗(yàn)證后的計(jì)算模型基礎(chǔ)上改變列車(chē)運(yùn)行速度，計(jì)算得到30°偏航角下的三個(gè)方向的升力系數(shù)結(jié)果如表2所示，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著車(chē)速的提高，各項(xiàng)系數(shù)都顯著提高，特別是車(chē)速超過(guò)300 km/h后，提高幅度更加顯著。分析原因認(rèn)為當(dāng)車(chē)速超過(guò)300 km/h后，空氣變的可壓縮，使得列車(chē)周?chē)h(huán)境更加復(fù)雜，阻力呈現(xiàn)非線性增長(zhǎng)。

表2 不同偏航角工況氣動(dòng)力系數(shù)對(duì)比

在驗(yàn)證后的計(jì)算模型基礎(chǔ)上改變外部溫度，計(jì)算得到的三個(gè)方向的升力系數(shù)結(jié)果如表2所示：

表3 不同外部溫度下計(jì)算結(jié)果對(duì)比

不同外部溫度模型外部壓力系數(shù)云圖如圖5所示，結(jié)果表明不同外部溫度計(jì)算的結(jié)果存在一定差別，30℃時(shí)列車(chē)背風(fēng)側(cè)的旋渦結(jié)構(gòu)最為清晰，隨著溫度的降低，背風(fēng)側(cè)的旋渦越來(lái)越弱，旋渦結(jié)構(gòu)變?nèi)?。分析原因發(fā)現(xiàn)對(duì)于氣體，溫度降低時(shí)氣體分子運(yùn)動(dòng)減弱，由于氣體粘性切應(yīng)力主要來(lái)至于層流分子間分子的動(dòng)量交換，所以粘性降低，導(dǎo)致流體的湍流強(qiáng)度變化，背部渦流變?nèi)酢?/p>

圖5 30℃、20℃和-20℃三種模型壓力系數(shù)云圖對(duì)比

四、結(jié)論與展望

本文基于CFD技術(shù)，以ICE2高速列車(chē)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榛A(chǔ)，建立數(shù)值模擬模型，進(jìn)行側(cè)風(fēng)條件下列車(chē)外部流場(chǎng)數(shù)值模擬研究。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了本文研究方法可行，數(shù)值模擬結(jié)果可信。

確定結(jié)構(gòu)化最為合理的網(wǎng)格系統(tǒng)后，首先進(jìn)行不同車(chē)速下列車(chē)外部流場(chǎng)計(jì)算，結(jié)果表明隨著車(chē)速的提高，阻力、升力、側(cè)向力系數(shù)都顯著提高，特別是車(chē)速超過(guò)300 km/h后，提高幅度更加明顯。

針對(duì)東北低溫氣候條件下列車(chē)外部流場(chǎng)特征進(jìn)行研究，計(jì)算結(jié)果表明，高速列車(chē)在側(cè)風(fēng)環(huán)境下對(duì)溫度反應(yīng)十分敏感，隨著溫度的變化，各項(xiàng)空氣動(dòng)力發(fā)生顯著變化，側(cè)向力和升浮力隨著溫度變化顯著，列車(chē)發(fā)生脫軌、翻車(chē)的危險(xiǎn)性增大。

五、對(duì)未來(lái)研究的建議

（1）對(duì)帶有轉(zhuǎn)向架、受電弓等零部件的真實(shí)列車(chē)模型進(jìn)行數(shù)值模擬。（2）本文只使用了高雷諾數(shù)模型進(jìn)行研究，建議今后采用大渦模擬的方法對(duì)列車(chē)外部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，可以求得更加真實(shí)精確地外部流場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國(guó)鐵道部網(wǎng)站：http：//www.china-mor.gov.cn

[2] 李佳圣.列車(chē)側(cè)風(fēng)效應(yīng)的數(shù)值模擬研究[D].成都，西南交通大學(xué)，2004.