关于高速动车组空气动力学的几点计算方法.doc

兰州交通大学毕业设计(论文)第一章 绪论第一节 研究的意义从1964年10月1日的0系高速列车投入东海道新干线高速铁路营业运行以来，日本新干线高速列车已有30多年的发展历史了，相继研制开发了100系、100N系、200系、El(Max)系、400系、300系、500系等高速列车，并为21世纪最高运行营业速度30Okm/h-35Okm/h，开发了WIN350、300X、STAR2l等3种高速试验列车,日本高速列车是在既有线旅客列车技术基础上逐步发展起来的。1872年，日本修建的第一条1067mm轨距的铁路，也是采用动力集中的蒸汽机车牵引；后来在京都地区出现了城市地面有轨电车；1910年出现了电动车组，主要在高速铁路线上运行；到1930年-1940年，电动车组也仅仅在有限的铁路线上运行。这种电动车组主要在40km-5Okm范围的短途运输中采用，而长途的铁路运输主要还是采用蒸汽机车牵引。战后，日本东海道铁路运输量急剧增长，旅客列车严重超员，运输压力增大。到1951年，东京-滨松间已开通电动车组运行，但东京-大扳仍采用机车牵引。随着车辆的轻量化、电机技术的发展和转向架悬挂技术的发展等，均促使电动车组技术的发展。目前，伴随着列车提速引起的空气动力学及空气声学问题作为实际解决的工程问题而倍受关注。随着列车的提速，很多在低速情况下可以忽略的工程问题突现出来了，比如当列车速度达到200km/h时，空气阻力占全部运行阻力的75%以上:另外由于较高的运行速度带来的较大的空气作用力会对列车的诸如倾覆稳定性、运行稳定性、安全线距、周围建筑物和环境噪声，及会车压力波和进出隧道及隧道会车等带来了较大的影响，即这些空气动力学噪音、振动、列车交会引起的脉冲压力、隧道出口的脉冲压力波和列车内部乘客的耳鸣等是列车提速受限的主要因素。1现在，发展高速列车是各国的一个主要战略，许多国家都在运营高速列车，如德国城市快车ICE、日本新干线和法国高速列车TGV；而且，许多国家例如南韩和中国正在建设高速列车。所以相关工作如研究高速列车空气动力学、改进现有的传统铁路和发展新一代的高速列车系统是迫切需要的。1基于此，本文着手研究高速列车空气动力学特性。其中重点研究的是机车外形对其空气动力学的影响,并寻找一种合理可靠的计算列车各项阻力系数的研究方法。第二节 研究的内容和目的研究下列问题，并与一些文献的实验数据对比，总结出一套合理可靠的计算机车绕流的计算方法。研究的主要内容如下:(一)三维圆柱稳态绕流计算：研究模型导入及网格划分。(二)三维圆球稳态绕流计算：研究包络面的建立及其网格划分。(三)三维圆球非稳态绕流计算：研究计算区域的确定及相关系数计算。(四)三维圆柱非稳态绕流计算：研究高质量网格的划分及其绕流计算的合理性。 研究的目的： 根据以上研究的内容： 建立流线型机车造型，划分高质量网格，设定合理的计算参数，进行三维动车组外形模拟及其网格划分，并进行绕流计算。 第三节 研究的方法本文首先借助于ANSYS11.02和Pro/ENGINEETR2.04进行几何模型的建立，其次运用ANSYS11.03对模型进行网格划分，ICEM CFD转换网格形式，最后用商业软件STAR-CD进行绕流计算。 根据数值模拟的可视化计算结果，得出列车周围的流场特征，分析列车周围的速度分布、压力分布及车身表面的压力系数。然后编制程序，进行有关用户参数的求解。第四节 高速机车外形设计的综合因素 高速列车运行时,空气阻力可达列车总阻力的80%,高速列车运行时的空气阻力已成为主要的阻力因素要减少能耗,必须尽可能减少空气阻力。 表1是不同速度等级的机车阻力系数对照表。1从表中可见：中、高速机车的阻力系数比常规机车的阻力系数要小许多,中高速机车之所以比常规机车的阻力系数小是因为它们进行了流线化的外型设计,同时,研究也表明:经过流线化外型设计后的机车其会车压力波。气动侧力及气动噪声也都比常规机车小,因而高速机车外形的流线化是减少运行阻力,保证高速列车运行品质的先决条件。高速机车的外形流线化包括高速机车车体主体结构本身的外型流线化和外露附件的减阻。高速机车车体主体结构本身的外型流线化,又包括车头几何形状的流线化和车身横截面形状的流线化。流线化机车车体外轮廓表面沿长度方向大致可分为机车头部(司机室)和车身(车体中,后部)两部分,目前,根据空气动力学的有关理论,通过计算机模拟和比选,并经过风洞模拟实验,验证得到的高速机车气动外形方案,其空气阻力,会车压力波,侧力及气动噪声都是比较小的,但是,如何将根据上述步骤获得的气动外形方案变成现实的高速机车车体结构,则还有许多工作要做,还要综合考虑许多因素,满足各方面的不同要求。一、高速机车流线化外形设计需考虑的因素在高速机车车体主体结构外型流线化设计中，车身部分的流线化,主要是进行车身横截面形状的流线化,这项工作相对简单；而机车头部(又称司机室部分)进行流线化结构设计就不是这样机车头部设计要综合考虑机车的气动性能,总体布置,结构强度,工业造型和制造工艺等机车车体结构头部外形流线化的实现,取决于司机室的布置及制造工艺的可行性与气动性能相结合的合理性机车头部结构流线化设计包含车体的金属结构,车体结构的强度,刚度,稳定性。车体结构的选材及材料的性能要求,结构制造技术与加工方法.装配工艺等内容还涉及计算几何，测绘技术，工业造型等领域科学的设计应力求使使用要求与气动性能完善统一应该说,在高速机车车体的设计研究中,机车头部(司机室)结构的设计是最复杂,也是难度最大的一个部件，设计司机室结构，实现流线化的外形，除满足气动性能的要求,还要做到:便于承载传力；满足车体整体需要；考虑与其它部件的协调；考虑结构的表达和工艺的实现司机室的结构设计除了满足以上的要求,还应尽可能减轻结构的自重只有综合考虑以上因素，并对车体的气动外形优化后，才可能进行车体的实际结构设计。二、流线化头部结构的主要控制尺寸高速机车与常规机车车体结构显著不同之处在于高速机车实现了流线化，对头部结构而言,其流线化特征主要由以下尺寸描述：图1为高速机车头部外形主视图几何参数,图2为高速机车头部外形俯视图几何参数：(一)L为机车头部长度,L是决定机车头部外形最基本的尺寸,增大L将使头部细长比C加大,这样可减少机车空气阻力并减缓空气压力波,故高速机车比一般机车L取得大些。 (二)B为机车头部最大宽度，B一般受机车车辆限界的制约,变动范围不大；(三)H为机车头部高度，H是从机车底架下平面到机车头部最高处的距离,当机车宽度不变时，H越大则机车迎风面积越大，从而使得总的空气阻力也越大，从减小空气阻力而言,H应取小一点；(四)A1为机车鼻子向上倾角，A1值对列车运行时的空气阻力及列车交汇时的空气压力波皆有很大的影响，取零值时就成为完全的钝头型车头，此时的空气阻力和列车交会时的压力波也很大；如果取值太大，在具有双端司机室的机车与车列之间的三角形区域也加大,对减小空气阻力反而不利高速机车取30b效果较好；(五)A2为司机室顶盖向后倾角，R2为车顶圆角半径，这些参数的合理取值都有利于结构实现流线化，但车顶拐角的三维曲面,给加工造成一定的困难；(六)A5为机车头部在俯视图上的角度A5加大,可减少空气阻力，但列车交会时的空气压力加大,应综合考虑来取值；(七)A4为机车头部侧墙倾斜角度，A4的设置是与A5配合，改善侧面气流的绕流情况，A4的取值不能大。三、流线化头部结构的定形高速机车司机室实现流线化的外形,其钢结构设计要满足两方面的要求:一是确定流线化车体结构的外形轮廓,即定形的作用;另一方面是结构的力学性能,即:强度,刚度,稳定性要求,满足这两个要求,头部结构设计有以下二种思路:一种思路是承载与确定外形轮廓分开考虑,先由几个主要的梁件形成一个承载骨架,再加设辅助梁件用于表面定形。这样做存在一些问题,比如,梁件尺寸要选得大才能保证承载,辅助梁件要选得多才能保证定形,因而就需要较多的梁件,结构显得比较复杂,同时大尺寸的梁件对蒙皮的辅设也造成不便。解决这一问题,还有一些做法是,选用一些强度大的蒙皮材料,实现自定形,这也同样可以减少辅助梁件甚至还有采用一些完全不承载结构用于定型,承载结构按传统思路进行设计。第二种思路是考虑承载与定形相结合进行钢结构设计,即采用较细,较密,较短的纵横网格梁拼接结构,这样既利于定形又能保证强度,刚度,同时由于头部外形变化较大,梁件的弯曲程度也不一致,由短梁拼接的网格梁也利于加工制造，到底采用何种思路可根据具体情况确定。本论文课题选择研究的出发点正是从工程实际应用出发，基于紊流和列车空气动力学理论，利用计算流体动力学软件模拟高速列车的空气动力学特性，开发自身的程序和利用软件的计算及可视化后处理功能溶为一体，实现高速列车空气动力学与车辆动力学研究的良好集成。第二章 高速列车空气动力学第一节 引言早在多年前人们就已经开始关注列车的空气动力特性。尽管列车空气动力特性和其它车辆有很多相似之处，但也有许多很重要的不同之处，例如，飞机气动特性需要考虑流线型机体，而列车却不同，它贴近地面或轨道运行、长径比远大于其它交通工具、有时贴身驶过道旁建筑物或其它列车、易受横风的干扰、运行速度低，通过隧道时则会产生隧道出入口效应。虽然汽车和卡车也行驶于地面，且相互驶过时也会受到横风影响，但是和列车相比，后者的长径比更大、时速更高。Muhlenberg5回顾了关于列车阻力的早期研究，引用了1910年Schmidt6在美国、1913年Strahl5在德国和1927年M.khachev6在俄国发表的公式，同时指出在英国和法国当时也提出了类似的公式。多年来， 1926年发表的Davis公式以及后来的修正形式都一直被广泛应用.对于露天运行的列车，这些公式的统一形式为 (1a)其中R为列车运动总阻力，V为列车相对静止空气的速度当环境风比较明显时， 以上公式可改为 (1b)式中 VG为列车相对地面的速度，而VA为列车相对于空气的速度系数A 为滚动机械阻力，Gawthorpe7把单位列车质量的阻力系数Am取为(0.008-0.02)Nkg，其中m 为列车质量；为其它机械阻力，包括传递损耗和刹车阻力. Gawthorpe7取m为(1.5- 2.0)Nkg，表示单位列车速度(ms)所引起的单位列车质量的阻力系数为空气动量阻力，在列车运行时，发动机热力循环、发动机冷却和车内空调等过程需要吸入大量空气，B2就与加速这些空气所需要的能量有关Gawthorpe7取L为(02025)kg s，是单位列车长度(m)、单位列车速度(ms)的阻力系数，式中L为列车长度最后是外部气动阻力，主要表示为系数C (2)式中P为密度， S为列车迎风面积，为阻力系数如果列车的迎风面积为10m 而长300m，值的范围约在1.0，对于高度流线型的列车此值小一点，对于货运列车此值应小于10-15，因为气动阻力主要起因于表面摩擦阻力，表面摩擦阻力又取决于雷诺数Re，所以气动阻力正比于速度的幂方，而次数略小于2。由于部分表面摩阻已包括在中，在该公式用于速度很高的情况时，根据 推算这些阻力就会过大对于时速为(250-300)kmh的流线型列车来说，总阻力的75-80 起因于外部气动阻力，在这些外部气动阻力中，大约30为表面摩阻，约8-13 为车首对于车尾的压差阻力，38-47为和转向部件相关的干扰阻力，还有8-20为导电架和其它车顶设备的阻力。显然，如果要着手研究运行速度较高的列车，比如磁悬浮列车(Meglev)或其它新概念列车，外部气动阻力应是要考虑的对象。第二节 列车空气动力学研究方法目前世界各国研究列车气动性能所采用的方法主要有试验和数值模拟两种。一、试验研究方法试验方法中，主要有以下几种:(一)水洞试验方法。在水洞中进行研究可使流速大幅度降低。用这种方法可以使列车周围的流动形象化，可以观察头部和尾部周围的气流状况，车体下部转向架等引起的涡流状况，以及特殊流动现象的显示等。可以根据观察到的涡流形状对机车外形进行改进，消除涡流以减少空气阻力。在高速列车应用比较发达的德、法等国，还利用水洞模型试验来研究高速列车会车压力波及在隧道中的气动现象。(二)电模拟试验方法。这种方法主要用来研究燃气轮动车组的进气口形状。(3)风洞试验方法。这是目前国内外研究高速列车气动性能的主要试验方法，是机车车辆及其内部流动优化时必不可少的手段。这种研究主要用来确定高速列车及其有关设备的空气阻力系数和外形表面上的压力分布等。(四)实车试验方法。这是最基本的试验方法，通过现车试验可以获得最合乎实际的数据，可用来校正各种模拟试验数据并最终获得计算用的列车阻力公式。法国曾经在很多高速列车上做过试验，日本及原苏联等国分别在951型电动车组、P200动车等高速列车上做过多种项目的实车试验。二、数值模拟研究方法数值模拟方法主要有以下六种(一)有限差分法(Finite Difference Method或FDM )。建立在经典的数学逼近理论的基础上，简单且易被接受，处理效率较高，是计算流体计算力学的一种古老而又基本的方法，被广泛应用于汽车，轮船，列车等近地面钝体绕流计算。特别是曲线坐标系的应用对有限差分法处理具有复杂表面的三维钝体绕流起到了巨大的推动作用，克服了不规则表面所带来的困难。但是FDM要使差分方程正确反映气流的物理机制，如用中心格式来计算两列高速列车交会时的湍流和交会压力波，只利用解的连续性，在物理上是不合适的。控制微分方程表达了质量守恒与动量守恒的物理定律，而差分方程有时不能严格保持守恒性质，数值解会出现流量、动量的守恒误差。经典FDM往往也不能用来正确计算间断值。经过多年研究总结出了建立守恒逆风差分格式的方向。在二维情况，由于使用泰勒级数展开，故FDM一般只用于矩形或正交曲线网格。因此通常在计算域概化及数值解精度方面，采用FDM存在有根本性的困难。8(二)有限元法(Finite Element Method或FEM )。在计算流体力学CFD中不失为一种有效的计算方法，这种方法已趋成熟，应用面广泛，被广泛用于研究高速列车气动特性的计算上。但当FEM用于气流计算时，它在数学上适于求解椭圆型方程的边值问题，不适于求解以对流为主的输运方程(后来提出逆风、最小二乘、特征耗散Galerkin和Taylor-Galerkin FEM等方法以求解决，但未能令人满意)，Galerkin FEM的性能类似中心差分格式，缺乏足够的耗散。所以有限元在高速列车数值模拟的边界处理上比较困难，非线性项的处理也难以实现，特别是对全N-S方程的扩散项处理上存在着一定的难度。目前国外高速列车计算中，对列车外表面简化程度较大，一般假设为一个理想车体，得出的结果误差较大。(三)有限分析解法(Finite Analytic Solutions或FAS )。是在有限元法基础上的一种改进，其基本思路是:离散单元上的解，不再用插值函数来表达，而是方程局部线性化后的解析解。首先将待求问题的总体区域划分为许多小的子区域，在这些子区域中求局部解析解;然后从局部解析解导出一个代数方程，使子区域上的内结点值与相邻的结点值联系起来;接着把所有的局部解析解汇集在一起，就得到所求问题的有限分析数值解。与有限差分和有限单元法相比，有限分析解可以比较好地保持原有问题的物理特性，能准确地模拟流动的对流效应，同时不存在数值扩散现象，计算稳定性较好，收敛较快，所需计算机计算时间与有限差分法相当，但网格的离散较复杂。(四)面元法(Panel Method )。在处理列车会车压力波-计算和隧道压力波计算方面是目前世界上普遍采用的方法。其基本理论是势流理论，认为流场中的流体是无粘的。这种方法有其优势也有缺陷在列车头部计算结果准确而在后部计算结果是不对的。虽然人们可以通过边界层修正和尾部加涡的方法来模拟粘性流动，但这种方法还不成熟，特别是对于像列车这样具有复杂外表面的计算对象，要做出合理的修正是十分困难的。1(五)边界元法(Boundary Element Methods)。首先将控制微分方程化为边界积分方程，再用有限元的基本思想与方法步骤(在求解域的边界上划分有限单元)来处理边界积分方程。与有限差分法和有限元法(在边界上满足边界条件，在域内只是近似满足控制微分方程)不同，边界元法在域内满足微分方程，而在边界上近似满足边界条件。边界元的最大优势就是将全域的计算化为区域边界上的计算，维数减少了一个，使三维问题化为二维问题，二维问题化为一维问题，为计算带来一系列的简化。由于边界元法近似范围仅在区域边界上，与有限元法相比，其精度一般高于有限元法。但边界元法要采用解析函数的基本解，目前只适用于线性问题，以及基本解已知的问题;对于非线性问题，半无限域问题，以及区域的角点处理等，边界元法尚不成熟。(六)有限体积法(Finite Volume Method或FVM)。和FEM一样将计算域划分成若干规则或不规则形状的单元或控制体。在计算出通过每个控制体边界沿法向输入(出)的流量和动量通量后，对每个控制体分别进行质量流量和动量平衡计算，以便得到计算时段末各控制体的位置和流速。因此，FVM正是对于推导原始微分方程所用控制体途径的回归，与FDM和FEM的数值逼近相比其物理意义更直接明晰。如跨边界通量的计算只使用时段初值，为显式FVM;反之，当涉及时段始末的值时，则为隐式FVM。因为跨控制体间界面输运的通量，对相邻控制体来说大小相等，方向相反，故对整个计算域而言，沿所有内部边界的通量相互抵消。对由一个或多个控制体组成的任意区域，以至整个计算域，都严格满足物理守恒律，不存在守恒误差，并且能正确计算间断。设计FVM格式的关键在于如何计算跨控制体界面的通量.如果采用相邻控制体形心处通量的平均，便相当于中心格式。此时CC(cell-centered)方式的FVM在矩形网格上，相当于二阶中心FDM格式，而CV(cell-vertice)方式的FVM和线性三角形及双线性四边形单元的GalerkinFEM等价。但如采用特征逆风格式计算通量，FVM便适于处理对流占优的运输问题，且在矩形网格上相当于守恒逆风FDM格式。因此能像FEM一样适用于任意的不规则网格(坐标用于预先计算网格几何特征而不影响通量计算)，且着眼于控制体上的逼近，具有守恒性(将直角坐标下的守恒逆风格式推广到一般的不规则网格)，又能像MOC C Method of Characteristics)格式一样具有以特征(而非流速)为基础的逆风性。并且，在具有上述优良性能的同时，处理效率与FDM相近，而远高于FEM。在此意义上可以说，今日的FVM体现了FEM的几何灵活性、MOC的精度和FDM的效率和守恒性，是经典FVM与这些方法的结合。另外，由美国的NASA GRC的研究人员最近发展了一种新的数值计算方法时空守恒元和解元法(Space-Time Conservation Element and SolutionElement Method或CE/SE a，初始目的在于解决分析连续机械中出现的复杂现象，并提高分析的精度。此方法简单、健壮并精确度高。虽己成功应用于计算流体力学、计算空气噪声和计算电磁浮领域，但目前还未得到广泛应用。经以上分析，有限体积法在高速列车数值模拟研究中有着其它计算方法无法比拟的优势，并且也是计算流体力学中目前最为流行的计算方法，因此本文采用了有限体积法进行高速列车的空气动力学数值仿真计算。试验研究方法与数值计算模拟方法是高速列车气动性能研究中两种最基本的方法，互补不足，不可代替。首先，试验研究中存在着费时较多、由试验设备引起的误差难以排除等诸多问题，实车试验在测试方面有一定的困难，初期研究根本不具备现车测试条件，试验线路和时间的安排受到很大限制，且耗资巨大。目前国内主要进行风洞试验和水洞试验。风洞试验一般只能进行稳态流的试验，且较难消除风洞入口到试验模型之间的地面气流附面层的影响。这种试验还存在摩擦阻力不准确的问题，特别是当模型尺寸与实际尺寸的比例很大时，问题尤为突出。Brockie和Backer6专门就小尺寸比下的摩擦阻力与雷诺数的关系进行了研究。由于风洞设计的功率大小和试验尺寸有限，要进行高速列车全尺寸试验是无法实现的。而数值模拟计算则可以克服这些缺点，在设计初期和短时间内，耗资很低的情况下，可以对大量工况进行计算。并针对局部关心的地方通过单元或网格的布置得到更精确的数值。同时，我们也可以将高速列车这样长细比较大的计算对象进行分区计算，来实现全尺寸数值模拟。但数值模拟的计算方法和程序必须用试验结果来检验其正确性和合理性。特别是像高速列车这样具有复杂外表面的钝体绕流，要进行精确模拟很困难，其数学模型的研究也正处于一个发展完善的阶段。第三节 计算流体动力学基础空气动力学的研究主要有试验和理论两种方法:试验方法始终是不可或缺的。然而近年来，随着计算机的发展即计算技术的进步，计算流体动力学的数值研究方法取得了迅猛的发展并逐渐取代了以解析解为中心的理论研究。本文运用计算流体动力学方法来研究高速列车空气动力学特性。计算流体动力学(Computational fluid dynamic)简称CFD，是流体力学的一个分支，是在经典力学、数值计算方法和计算机技术的基础上建立起来的新型学科。CFD方法即是对流场的控制方程用计算数学的算法将其离散到一系列网格节点或中心上求其离散的数值解的一种方法。简言之，CFD包括三方面的内容，一是对流场的研究，二是计算数学的算法，即通常称为数值计算方法，三是求出数值解。对于高速列车周围的流场是紊流场即湍流场，所以本文在这里首先对湍流理论基础作简要阐述，另对数值计算方法及对数值解的处理作了必要的介绍。一、湍流理论基础对于给定的流动形态，雷诺数足够低时，流动一般是层流，并且粘性产生摩擦力，称为粘性流。但随着雷诺数的增大，流动经过一个转折区后最后变成湍流。在湍流中，湍流脉动的作用超过了摩擦作用，湍流脉动导致摩擦力。欣兹将湍流定义为流动状态的不规则性，流动的各种参数(如速度和压强)随时间和空间作随机的变化，但有明确的统计平均值。自然界中的流动绝大多数都属于这类运动，当船舶、汽车、飞机和返回大气层的飞行器通过介质运动时，流动几乎都是湍流。在这类流动中，可以把运动分成平均运动和脉动两部分。流场中总会存在一些小的，或无限小的扰动，如由于流动物性微小变化，壁面粗糙度，自由表面影响的变化，以及其他原因引起的微小扰动。在一定的条件下(通常是低雷诺数)，这类扰动逐渐衰减，流动保持为层流状态。当雷诺数增大时，小扰动会趋于增长，流动是不稳定的。由于方程的非线性，要确定扰动增大以后所导致的最终流动状态，通常是很困难的，最终流动状态与流场结构有很大的关系。对某些流动结构，扰动增大以后仍保持为层流，但稳定在更复杂的流动状态，如产生二次流，或有回流的流动。但对有些流场结构，流动将变成湍流(如雷诺数继续增大时，所有的流场结构最终都变成湍流)，湍流的详细结构与几何结构和雷诺数有关。这就是产生湍流及造成层流向湍流转变的原因。由此可见，对确定的几何结构，雷诺数是判别流动形态的准则。对于轮轨列车来说，当列车运行速度为80km/h时，取列车的宽度3.1m为特征长度，空气在200 C时的运动粘度为15.08x 10-bm2/s，列车周围流场基于宽度的雷诺数为: (3-1) 其中U为流场的速度，这里等效于列车的运行速度，v为流体的运动粘度，w为特征长度，这里取列车的宽度，通过上式可得雷诺数R为4.57 x，可见列车运行时周围流场呈现湍流流态。故流场所遵循的湍流理论是进行计算流体动力学(CFD)模拟的基础，下面就对湍流理论作基本的阐述。二、湍流基本特征湍流最重要的特性可以归纳为:随机性，扩散性，有涡性和耗散性。很多学者都首先把不规则的随机运动作为湍流运动的一种主要特征。在湍流运动中各种流动的特征量均随时间和空间坐标而呈随机的脉动。由于其随机性，可以用统计的方法处理，得到湍流中各种物理量的统计平均值及其它的统计特性，但却很难用确定性的方法解决湍流运动问题。 湍流的扩散性使它可以更为有效地将动量、能量、含有物质的浓度、温度等向各个方向扩散、混合和传输。如果只有物理量的随机性的变化而没有混合和扩散，就不是湍流。湍流的混合和扩散在工程中具有重要意义。例如:污染物质的扩散，由于动量的扩散而产生的阻力，由于动量的混合而使得机翼在大攻角时边界层分离点向尾部移动从而避免失速和减小阻力，湍流扩散大大提高了热量的传播等等。湍流是三维的有涡流动而且伴随着涡的强烈脉动。通过三维涡量场中漩涡的拉伸和变形，形成湍流中各种不同尺度的漩涡。而这些不同尺度的漩涡在湍流运动中起着不同的作用。大尺寸漩涡从时均流动中取得能量，能量由大尺度漩涡向小尺度漩涡逐级传递，并最后在小尺度漩涡中，通过流体的粘性将能量耗散。因此，维持湍流运动必须要消耗相当的能量，这就是湍流的耗散性。三、湍流的时间平均法在湍流流场中某一点处，测量该点的流速随时间的变化，得到一条如图所示的随机变化曲线。时间平均的速度u定义 (3-2)图3-1时间平均速度图可将湍流运动中某一固定点的瞬时速度u分为两部分，即时间平均速度u和脉动速度u如下式:u= +u (3-3)由定义可知脉动速度的时间平均值为零，即: (3-4)根据随机函数的性质，t为任意取值，应不影响时均值的大小，而T必须足够大，也就是说要有足够长的时段才能使时间平均速度成为一个稳定的值，当T继续增大时，定常流动中给出的平均速度u可以保持不变。T的取值一般可根据流动的情况在试验中确定.对于时间平均值，有以下的运算法则:设a, b为两个脉动量，s表示任一独立自变量(如x, y, z, t等)，则有:= =0=+ 其中a=a + a, b = + b，且脉动平均值为零，即0;k为常数对流的各种物理量进行时间平均是解决湍流问题的重要途径。且时间平均法比较容易由试验确定。四、湍流的基本方程粘性流动的运动方程纳维-斯托克斯方程(N-S方程)和连续方程对于湍流的瞬时运动同样适用，已为多年实践所证明。本节推出适合于湍流流动的这些方程，应用时间平均法建立时均的和脉动的湍流方程式。(一)湍流运动的连续方程不可压缩流体连续方程为: (3-6)式中 (i=1,2,3)表示坐标在方向上的分量，表示i方向流速瞬时值，且，对式(3-6)取时间平均，应用时均值的运算法则(3-5)得: (3-7)式(3-7)即为湍流的时均流动的连续方程，联立方程(3-6)和(3-7)可得:(3-8)式(3-8)即为脉动速度的连续方程。(二)湍流运动的动量方程 对于不可压流体，瞬时流动的N-S方程可写为:(3-9)式中F为体积力在i方向的分量，是粘性系数。将和代入式(3-9) 得:(3-10)对此方程取时间平均值并简化得: (3-11)方程左侧第三项中: (3-12)由式(3-8)脉动速度的连续方程可得: (3-13)于是得到: (3-14) 式(3-14)即是用时间平均表示的湍流流动的动量方程，此方程为雷诺首先导出故被称雷诺方程。与N-S方程式(3-9)相比，仅多了方程右端最后一项，即脉动流速相关项，通常称为雷诺应力或湍流应力。由推导过程可看出雷诺应力产生于N-S方程中的非线性迁移项，或称为对流项;也可以说雷诺应力起源于流场在空间上的不均匀性。雷诺应力可以表示为一个对称张量。为: (3-15)其中为正应力项,(ij)表示切应力项. 雷诺应力项代表了湍雷诺应力项代表了湍流脉动对时均流动的影响.（三）湍流流动的能量方程在粘性系数和密度为常数时，将N-S方程式(3-9)的两端同乘以速度u并整理得: （3-16）将各瞬时参数都用平均值加脉动值，即，代入上式中，并对两端求时间平均，然后减去式(3-14)乘以所得的平均动能方程，可得: (3-17)式(3-17)即为湍流能量方程，每一项都表示了一定形式的能量，左边第一项表示湍流动能的时间增加速率，第二项表示平均运动引起的湍流动能的对流扩散，右边第一项为湍流脉动引起的湍流动能的对流扩散，第二项为湍流动能的产生项(从平均运动吸收的能量)，第三项为湍流运动的粘性应力所做的功，第四项为粘性应力引起的湍流动能的耗散。应用雷诺方程与连续方程解决湍流问题时由于雷诺方程中增加了未知的雷诺应力项而形成湍流基本方程的不封闭性。因此要应用这些方程必须首先解决封闭性问题。根据湍流的运动规律以寻求附加条件和关系式从而使方程封闭可解就是近年来所形成的各种湍流模型。随着电子计算机的迅速发展，湍流模型的研究己成为近年湍流研究中发展最快的一个分支，成为解决工程实际湍流问题的一个有效手段。 最初的湍流模型理论是1877年布西内斯克(J.Boussinesq )提出的用涡粘度将雷诺应力与时均流速场联系起来的设想。后来又发展了一系列以普朗特混合长度理论为代表的半经验理论，并得到广泛的应用。这些湍流模型都只是应用湍流的时均方程，并未引进任何有关脉动量的微分方程因而被称为零方程模型。随着湍流模型研究的发展又出现了单方程模型，除时均的雷诺方程和连续方程外增加了一个有关脉动量的微分方程，常用的为脉动动能方程。由于代表脉动动能,这个方程称为k方程。如果进一步考虑再增加一个有关脉动量的方程则称为双方程模型。增加的微分方程式常是关于能量耗散率的方程，称为方程。这样的双方程模型通称k-模型，近年来应用十分广泛。 第四节 仿真软件STAR-CD简介 STAR-CD(Simulation of Turbulent flow in Arbitrary Regions Computational Design)软件是英国Computational Dynamics Limited公司开发的流体分析软件，在国际上应用日益广泛。上世纪90年代已成功应用于法国TGV高速列车空气动力学问题的研究设计。近几年国内也逐渐引进STARCD，主要用于柴油机内部燃烧的数值模拟、汽车发动机换气系统的研究、汽车外形设计、火箭发射、空调设计、人体内血液流动等方面。 STAR-CD软件的理论基础完全符合本章的湍流理论，采用二次k-E双方程湍流模型建立计算数学模型，因此基本方程与本章中的连续方程式(3-6),N-S方程式(3-9)、雷诺方程式(3-I4)、能量方程式(3-17)以及k方程式(3-18)和方程式(3-I9)相同，这里不再一一叙述。 采用SIMPLE算法，此算法最初由Patankar6和Spalding7（1972）提出，基本是在交错网格上对压力计算的假设与修正过程。用假设的压力场求得速度场然后求解离散的动量方程组。由于SIMPLE算法改善了收敛性从而节省了计算时间。 STAR-CD作为国际上较为成熟的商用流体软件，应用领域已十分广泛可与流行的CAD/CAE系统建立链接，方便和增强了其前后处理的功能:非结构化网格和任意界面特征，可对复杂的几何外形以最方便途径生成网格，而不影响网格的连续性:具有的滑移网格功能可以用来处理列车交会和过隧道等相对运动的瞬态过程;采用流行的SIMPLE算法，可以减少计算时间和增强可靠性，减少计算的溢出。由于STAR-CD软件的以上特点，正是本文选用STAR-CD软件进行高速列车空气动力学研究的原因所在。第三章 STAR-CD模拟过程第一节 引言本文着手研究高速列车空气动力学特性,为了使研究结果更可靠，首先进行了由:三维圆柱稳态绕流计算三维圆球稳态绕流计算三维圆球非稳态绕流计算三维圆柱非稳态绕流计算。其中,模型的各项参数都和相关绕流文献中模型数据一致,在这一条件下进行了计算结果的对比。并在误差允许范围内进行了三维动车组的外形设计,网格划分以及相应的绕流计算。第二节 三维圆柱稳态绕流计算一、 几何模型的建立模型的建立是在Pro/ENGINEETR2.0中进行的,用到拉伸命令。 如图1所示: 几何模型的建立图1 模型的建立二、 模型的网格划分绕流模型的网格是在ANSYS11.0中进行，划分形式采用结构化的六面体网格，如图2所示：其中的分析参数类型为FLOTRAN CFD，单元类型为FLOTRAN 142，网格密度比为：10:5:10:15。图2 绕流模型网格三、转换网格形式首先将ANSYS中划分的网格模型保存成只输出网格形式的有限元模型,其中文件的扩展名为*.cdb格式,然后借助于ICEM(CFD)专业划分网格软件保存成STAR-CD可识别并能进行CFD计算的模型,如图3所示:转换网格形式图3 转换网格形式四、STAR-CD求解计算(一)导入模型,如图4所示: 导入模型图4 导入模型(二)主要参数的设定，如图5，图6图5 参数设置图6 参数设置(三)计算边界条件的定义：为了计算各项系数，所以取圆柱壁面为当前模型视图，如图7当前模型视图图7 为当前模型视图(四)求解过程及其输出设置。 如图8，图9，图10求解过程及其输出设置图8 求解过程及其输出设置图9 求解过程及其输出设置图10 求解过程及其输出设置五、STAR-CD计算结果(一)3D Surface Vector Edge:如图11:3D Surface Vector Edge图11 3D Surface Vector Edge(二)Clipped Vector Edge(Y方向): 如图12;图13 Clipped Vector Edge(Y向)图12 Clipped Vector Edge(Y向)图13 Clipped Vector Edge(Y向)图13 圆柱的上壁面出现速度最大的区域(三)Clipped Vector Edge(X方向):如图14 Clipped Vector Edge(X方向)图14 Clipped Vector Edge(X方向) (四)Clipped Vector Edge(Z方向):如图15,16,17,18 Clipped Vector Edge(Z方向)图15为 Clipped Vector Edge(Z方向)图15 Clipped Vector Edge(Z方向)图16 Clipped Vector Edge(Z方向)图17 Clipped Vector Edge(方向)图18 Clipped Vector Edge(Z方向)六、STAR-CD计算各项阻力系数(一)计算U,V,W各项速度及其动能: 程序文件为bcdefi.f,其中关键内容为: (二)计算各项系数程序文件为AerodyCoeff.MAC,其关键内容为:(三)STAR-CD计算系数,如图19,20 为STAR-CD计算系数图19 STAR-CD计算系数图20 STAR-CD计算系数(四)与文献进行系数对比9结论:STAR-CD计算出的阻力系数,升浮力系数结果如下:MESH*ACOEFF,DRAG,UREF,DREF,AREFCALCULATING FORCE COEFFICIENTS FOR THE CURRENT WALL SET.UREF = 0.200000 DREF = 1.00000 AREF = 0.410000E-01COEF = TOTAL FORCE / 0.820000E-03NO. FACES FCOEF - X FCOEF - Y FCOEF - Z2624 6.19551 0.593395E-02 0.364221E-07 POST*对比文献9结果,阻力系数符合要求, 升浮力系数稍偏小。第三节 三维圆球稳态绕流计算一、几何模型的建立由于三维圆球是一个包络曲面,所以一般的建模方法会导致ANSYS划分网格时出现缺少体元素信息。因此,绕流模型要用布尔运算建立。如图:21几何模型图21 几何模型二、模型的网格划分模型网格的划分同样是在ANSYS中进行，划分形式采用结构化的六面体网格和结构化的四面体混合网格。网格数目为30，如图22模型网格图22 模型网格三、转换网格形式同样是在ICEM CFD中进行网格的转换,并保存成*.cel;*.inp;和*.vrt三个可以被STAR-CD识别计算的文件。四、STAR-CD求解计算(一)导入模型,如图23所示: 导入模型图23 导入模型 (二)主要参数的设定，如图24参数的设定图24 参数的设定(三)计算边界条件的定义：为了计算各项系数取圆球壁面为当前模型视图，如图25当前模型视图图25 当前模型视图(四)求解过程及其输出设置.如图26求解过程及其输出设置图26 求解过程及其输出设