（车辆工程专业论文）跨座式单轨车辆气动性能分析.pdf

摘要 跨座式单轨列车作为一种外形独特的城市轨道交通工具，尤其适合像重庆这 样山地较多、地形复杂、建筑物较密集的大型城市以满足其缓解巨大交通压力的 需求。由于跨座式单轨车辆相关技术一直以来被日本所垄断，而在我国针对跨座 式单轨车辆的研究尚处于起步阶段。因此，建立一套适合我国国情的跨座式单轨 车辆自主研发的完善方法成为必然。 本文基于跨座式单轨车外观造型的空气动力学，以列车空气动力学、计算流 体力学为理论基础，在国内首次对迎风、侧风及横风环境下共九种方案的跨座式 单轨车辆的气动性能进行了仿真分析。具体取得了以下成果： 1 、建立了不同造型方案的跨座式单轨车头车简化模型、流线造型的列车简化 模型及不同方案下的计算模型。 2 、进行了跨座式单轨车辆外流场数值模拟的流体状态参数、计算模型、湍流 模型、边界条件及迭代收敛标准研究。 3 、进行了迎风环境下的跨座式单轨列车头车空气动力特性仿真计算，对不同 造型跨座式单轨车头车( 未考虑转向架和考虑转向架) 外流特性进行了基于空气 阻力的比较分析。 4 、进行了迎风环境下的跨座式单轨列车气动性能仿真计算，分析了跨座式单 轨列车外部流场结构及单轨列车气动性能的主要影响因素，并对单轨列车的造型 提出了改进建议。 5 、进行了侧风环境、横风环境下的跨座式单轨列车气动性能仿真计算，分析 了跨座式单轨列车侧风稳定性及横风稳定性的主要影响因素。提出了改善侧风、 横风稳定性的措施。 关键词：跨座式单轨列车；数值仿真；气动性能；侧风效应 a b s t r a c t a so n eo fu r b a nr a i lv e h i c l e s ， h e a ds h a p ei ss u i t a b l ef o rs u c hb i g s t r a d d l e t y p em o n o r a i lv e h i c l eo w n i n gt h es p e c i a l c i t ya sc h o n g q i n g ，w h i c hi sm o u n t a i n o u s ，h a v i n g v a r i e dt o p o g r a p h ya n dm o r eb u i l d i n g s ，t od e a lw i t ht h eh u g et r a f f i cp r e s s u r e o u r c o u n t r yi sa tt h eb e g i n n i n go nr e s e a r c hs t r a d d l e t y p em o n o r a i lv e h i c l e ，f o rt h er e l a t e d t e c h n o l o g i e sw e r em o n o p o l i z e db yj a p a n t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r y t oe s t a b l i s has e to f p e r f e c tm e t h o do nr e s e a r c h i n gs t r a d d l e t y p em o n o r a i lv e h i c l e ，w h i c hi sd e v e l o p e da n d s e tu pb yo u r s e l v e s b a s e do nt h ea e r o d y n a m i c sa b o u ts t y l ed e s i g na b o u ts t r a d d l e t y p em o n o r a i l v e h i c l e ，a e r o d y n a m i c s o ft r a i n sa n dc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，s e v e r a l a e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e so fs t r a d d l e t y p e m o n o r a i lv e h i c l ew e r es i m u l a t e da n d a n a l y z e d ，w h i c hw a sp u t i nt h ew i n da n di nt h ec r o s s w i n d t h ef o l l o w i n g a c h i e v e m e n t sc a nb ec o n c l u d e d ： 1 c a ds i m p l i f i e dm o d e l sa n dc o m p u t a t i o nm o d e l so fh e a ds t r a d d l e t y p e m o n o r a i lv e h i c l ew e r ec o m p l e t e d ，w h i c hw e r ei nd i f f e r e n th e a ds h a p es c h e m e s 2 f l u i ds t a t ep a r a m e t e r s ，c o m p u t a t i o nm o d e l s ，t u r b u l e n c em o d e l ，b o u n d a r y c o n d i t i o n sa n dc o n v e r g e n ti t e r a t i o n w h i c hw e r eu s e di ne x t e r n a lf l o wn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，w e r es t u d i e d 3 a e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e sa g a i n s tw i n d o fh e a ds t r a d d l e t y p em o n o r a i l v e h i c l ew e r es i m u l a t e da n da n a l y z e d o nt h eb a s i so fa e r o d y n a m i cd r a g ，e x t e r n a lf l o w c h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n th e a ds h a p e sa b o u ts t r a d d l e t y p em o n o r a i lv e h i c l ew e r e c o m p a r e da n da n a l y z e d 4 a e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e sa g a i n s tw i n do fs t r a d d l e t y p em o n o r a i l v e h i c l e w e r es i m u l a t e da n da n a l y z e d e x t e r n a lf l o wf i e l ds t r u c t u r ea n dm a j o ri m p a c tf a c t o r so n a e r o d y n a m i c so fs t r a d d l e t y p e m o n o r a i lv e h i c l ew e r es t u d i e da n da n a l y z e d s o m e i m p r o v a b l es u g g e s t i o n sa b o u ts h a p ed e s i g nw e r ei n c l u d e d 5 a e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e su n d e r c r o s s w i n do fs t r a d d l e t y p em o n o r a i lv e h i c l e w e r es i m u l a t e da n da n a l y z e d m a jo ri m p a c tf a c t o r so na e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s u n d e rc r o s s w i n do fs t r a d d l e t y p em o n o r a i lv e h i c l ew e r es t u d i e da n da n a l y z e d i m p r o v e m e n tm e a s u r e sf o rc r o s s - w i n ds t a b i l i t yw e r ei m p l e m e n t e d k e yw o r d s ：s t r a d d l e t y p em o n o r a i lv e h i c l e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；a e r o d y n a m i c p e r f o r m a n c e ；s i d ew i n de f f e c t 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：剀博日期：；声年户月矽日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信 息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利。 学位论文作者躲剀千磐 日期：7 咖年严月，日 指导教师签名： 日期：巩少年夕月1 9 日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名：主1 卞弩 日期：p 7 蛑尹月7 日 指导教师签名：二眨 日期o 和年妒月夕日 第一章绪论 1 1 研究目的及意义i 卜9 1 第一章绪论 城市轨道交通作为一种缓解城市巨大交通压力的有效手段，在国内外越来越 受到重视。它不但给人们带来了巨大的方便，同时也带来了重大的经济效益，随 着运行速度的不断提高以及人们对车辆造型风格的不断追求，列车气动阻力、侧 向力特性、气动噪声等相关空气动力学问题日益受到重视。为实现轨道交通的安 全、舒适、低耗、美观并满足环境保护的要求，世界各国都在逐渐开展了对列车 空气动力学的研究，并在此基础上形成了一个独立的学科列车空气动力学。 虽然列车和汽车都是在地面上运行的交通工具，但二者仍旧存在诸多不同， 与汽车相比，列车由动车和多节呈长方体的车厢串联组成，外形较细长，载重量 更大，运行速度更高。此外列车是在固定轨道上运行，当复线上两列相对运行列 车交会及列车通过隧道所引起的空气动力问题，如果处理不当，将影响行车安全 和旅客的舒适性并制约列车运行速度的提高。日本是最早开行高速列车的国家， 也是在列车空气动力学方面较为领先的国家之一，如今其新干线n 7 0 0 列车的营 运速度已达到3 0 0 k m h ；德国制造的常导高速磁悬浮列车，由于对列车交会问题 未作全面深入的研究，在上海浦东投入使用后出现了两列车高速交会时，车体侧 壁产生较大的弹性变形并伴有爆破声，严重影响旅客的舒适性。因此，在高速轮 轨和磁悬浮列车不断发展的今天，列车自身存在的空气动力学问题使列车空气动 力学成为风工程与工业空气动力学研究领域中一个尤为重要的分支。 列车空气动力的研究涉及到列车的空气阻力、压力波、列车风、会车压力波、 隧道微气压波和气动噪声等多个方面。发展高速列车特别需要这些方面的性能参 数，并且从国外很难引入这方面的技术，而伴随计算机和计算技术迅速发展而蓬 勃兴起的计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，缩写为c f d ) 为列车空气 动力学的研究开辟了新的途径，如今数值模拟已成为车辆空气动力学研究与设计 的基本工具。与传统的风洞试验相比，数值模拟不会受到风洞试验中存在的洞壁 干扰、试验段阻塞效应、雷诺数效应等的限制，它具有计算时间短、耗费少，所 获得的信息多等诸多优点，收敛和精度则是数值模拟中存在的最大的问题。 虽然人们对车辆的外流场的数值模拟进行了大量的研究，但是所研究的对象 大多为轿车、客车、铁道车辆、摩托车、货车等，而针对跨座式单轨车的外流场 数值模拟的研究甚少。另外，由于跨座式单轨列车整体构造、长宽高比例、前端 和尾部造型等一系列自身特点与轿车、客车、摩托车、货车、铁道车辆等均有所 2 第一章绪论 区别，这必将使单轨车的外部流场特征具有明显的不同，以致于在外流场数值模 拟中，轿车、大型客车、摩托车、货车等所适用的计算模型，能否同样适用于跨 座式单轨车的外流场数值模拟中，能否取得较好的模拟效果，至今人们对此并未 做过详细的研究。 本论文的主要研究目的是借助c f d 计算机数值模拟方法，研究分析跨座式单 轨车不同造型头车及流线型列车的相应外部流场结构，分析影响单轨车辆气动阻 力及侧向、横向稳定性的主要因素，以获得迎风、侧风及横风环境下跨座式单轨 车的气动力学特性，为车辆造型的气动优化提供依据，并为改善跨座式单轨车辆 气动性能提供有利借鉴。 尽管本论文的研究对象跨座式单轨列车并非属于高速列车的行列，但是 作为一种行之有效且较富有发展前景的城市轨道交通工具，较好的气动造型性能 既能保证单轨列车行驶安全性、操控稳定性、乘员舒适性又能有效降低单轨列车 进出隧道所产生的列车风、会车时产生的压力波、气动噪声等负面影响，同时也 能为乘员提供赏心悦目的视觉效果。由此可见，对跨座式单轨列车进行空气动力 学研究是必须且必然的。 1 2 列车空气动力学的研究内容和方法1 3 , 1 0 - 1 4 1 1 2 1 列车空气动力学的研究内容 在过去，空气动力学的研究主要集中在航空航天和汽车工业，它对飞行技术 的发展作出了巨大的贡献。相对而言，空气动力学在轨道车辆方面的研究则较少， 为了提高列车速度，研究者们的精力更多倾注于牵引动力的改进，而不是研究列 车周围的流场特性。近年来，国内外列车均处于不断提速的良好状态，高速列车 的运行速度已经超过3 0 0 k m h 甚至和过去的飞机速度相当，因而流体动力学家们 已经逐渐将更多的注意力投入到列车的空气动力学问题上来。高速列车空气动力 学具有其自身的特点，例如：沿地面固定轨道或高架轨道行驶，有较大的长细比， 穿过受限制的隧道，两列车可能相会等等。 高速列车空气动力学的研究主要包括以下几个方面： ( 1 ) 列车空气阻力 列车行驶过程中所受到的阻力分为空气阻力和行驶阻力两部分。研究表明， 空气阻力和速度的平方成正比，行驶阻力则与速度成正比。对于低速行驶的列车， 行驶阻力占首要位置，空气阻力对列车行驶的影响次之。随着列车速度的提高， 列车所受的空气阻力也随之快速增加。高速列车的阻力主要是气动阻力，当高速 列车行驶速度为2 0 0 k m h 时，空气阻力占总运行阻力的7 5 以上；当车速达到 第一章绪论 3 3 0 0 k m h 时，空气阻力所占比例会增至8 0 - - - - 9 0 。因此，减小列车运行时的气 动阻力对保证列车安全稳定的行驶以及列车提速方面均具有重要的意义。 列车的气动阻力包括压差阻力、摩擦阻力和附加阻力。列车的压差阻力主要 取决于列车头部和尾部的形状；列车的摩擦阻力主要取决于列车的长度；列车的 附加阻力包括转向架、车底及车厢连接处产生的阻力。 ( 2 ) 会车压力波 会车压力波是指当两列相对行驶的列车交会时，尤其是在一列车的头部或尾 部通过另一列车的瞬间，将会使另一列车交会一侧表面的空气压力发生剧变，压 力波动急剧传递，在几十毫秒内相继出现正负压力峰值的现象。也可以说，列车 会车压力波是一种瞬间的空气压力冲击，而这种冲击会给乘客带来不舒适感 当列车会车时，受到迎面列车头部及尾部通过时所引起一定的压力冲击作用，由 于车体结构并非完全封闭，车体外部空气压力的变化势必导致车厢内部空气压力 的变化，进而导致乘员耳膜产生不舒适感。此外，会车压力波对列车还会产生一 个横向冲击，影响列车运行稳定性，因此在确定轨道线间距时它通常被视作主要 考虑因素。 减小会车压力波的主要措施有：选择流线型车头外形，增大车头部分的长细 比，轨道线路设计时考虑适当放宽线间距，为高速列车提速后在控制会车压力波 方面提供方便。 ( 3 ) 列车风 列车风是指列车行驶于地面时，由于空气的黏性作用迫使距列车表面一定距 离内随列车一起流动的那部分空气。 列车行驶速度、距列车侧面的距离、列车外形及自然风条件决定了列车风的 强度。列车风会对站台上的人员产生较大的作用力从而危及人身安全，通常距离 列车越近，列车风的气动力越强烈，人体受到的危害越大；它会卷起站台边缘或 路基侧边的杂物，造成列车事故；还会对路边建筑物等施加脉动风载，对其产生 破坏作用。 ( 4 ) 气动噪声 列车行驶时所产生的气动噪声也会影响着列车的运行品质。低速行驶的列车， 列车噪声主要来自于轮轨接触的碰撞及传动部分摩擦振动等引起的机械噪声，空 气动力噪声不很明显。当列车行驶速度达到1 6 0 k m h 以上时，空气动力噪声便成 为列车的主要噪声源之一。 影响列车气动噪声主要有：受电弓及导流罩；车辆进排气结构；车辆顶部空 调、电池板、配电系统；列车头部形状及结构；车辆表面光滑度；车体表面凸凹、 间隙及孔穴等。列车气动噪声严重时会对乘员的听力造成损伤甚至导致耳聋。通 4 第一章绪论 常，选择合理的列车车体气动外形、车厢内部加装吸音壁、减少并限制列车表面 裂缝等均作为降低列车气动噪声的主要手段。 1 2 2 列车空气动力学的研究方法 列车空气动力学的研究方法主要包括三种：实车路试、风洞试验和数值模拟计 算。 ( 1 ) 实车路试 作为列车外流场研究最基本的方法，实车路试在国内外高速铁路发展初期得 到了广泛的使用。凭借这种方法，能够加强对列车流场的认识，得到最符合实际 的数据，并依此来校正各种模拟试验数据，为列车空气动力学的深入研究打下良 好的基础。 然而，实车试验存在着较多的不足之处。首先，由于测量数据的数量有限， 测量精度受诸如环境、设备、车辆等外部因素的影响，因此增加了测试方面的难 度。其次，实车试验的耗资巨大，而在高速列车的研究初期很难满足条件。 ( 2 ) 模型试验 列车的模型试验主要包括风洞和水洞( 槽) 试验两种，其中风洞试验是国内外 研究高速列车气动力学的主要手段。因为模型试验与实车路试不同，它不会受到 环境、线路等外部因素限制，可以反复进行，因此，在研究列车空气动力学时， 这是一种行之有效的方法。 同样模型试验也有自身不足之处。首先试验必须要拥有充分的试验设备和仪 器。其次构建风洞需要巨大的成本，风洞试验本身也费用高昂。由于风洞设计的 尺寸有限，列车全尺寸试验难以实现。当模型的尺寸比例较大时，测量数据的可 靠性会降低。同时风洞的阻塞效应也会对数据的准确性产生影响。此外，模型试 验只是对流场的部分位置进行测量并获得数据，却不能得到整个流场中任意一点 的数据。 ( 3 ) 数值模拟计算 弥补了实车试验和模型试验的缺陷，近年来随着计算机的计算能力不断提高， 高速列车空气动力学的数值模拟得到较大的发展，计算流体动力学在列车高速化 过程中也越显重要。数值模拟计算具有成本低、模拟周期短、应用范围广等优点， 比试验研究更为灵活，能够获得从整体到局部的详细流场数据。此外，数值计算 方法还可以通过改变列车模型及外部计算域来模拟不同情况下的列车流场，这对 列车外形和结构的设计有着试验无法比拟的优势。此外，通过数值计算可以优选 试验方案，使试验变得更具针对性。 由于数值计算对计算机的运行速度和内存资源有着非常高的要求，这一定程 第一章绪论 5 度的影响了模拟计算结果的精度。而在数值模拟中，对数学方程进行离散化时， 还会遇到稳定性和收敛性的问题。因此，选择合适的硬件资源、正确选定数值离 散方法及算法、确定合理的湍流模型和计算条件是数值模拟计算成功完成的关键。 1 3 国内外列车空气动力学现状1 6 , 1 弛1 l 1 3 1 国外发展状况 当今世界各国竞相发展高速轨道交通，陆续开发了造型、种类多样的高速车 辆，并在在主干线和既有线上相即取得了成功。以日本为例，日本的原朝茂是较 早研究列车空气动力学的学者之一，早在6 0 年代就提出了列车空气阻力的计算方 法，该方法至今仍被认为是精度最高的方法之一。随着列车空气动力学研究的不 断发展与深入，日本国内的轨道列车的速度提升方面随之发生着日新月异的变化。 在1 9 6 4 年东海道新干线最高运行时速就达到了2 1 0 k m h ；而从1 9 8 5 年东北新干 线提速到2 4 0 k m h 以后，在随后继续修建的山阳、东北、上越等高速铁路上的运 行的7 0 0 系速度最高运营速度可以达到2 7 0 k m h 。2 0 0 7 年7 月，正式投入使用 的由“中央日本铁路”和“西日本铁路”两家私营公司联合设计的节能型新干线列车 n 7 0 0 ，其独特的鸭嘴形设计结合了空气动力原理，大大减少运行过程中所受的阻 力，使得最高运行速度达到3 4 0 k m h 。在高速试验方面，已达到的最高速度有 w i n 3 5 0 的3 5 0 4 k m h 、s t a r 2 1 的4 5 0 k m h 、磁浮式车辆m l 5 0 0 的5 1 7 k m h 、 m l u 0 0 1 的4 0 0 k m h 、m l u 0 0 2 的4 3l k m h 、超导磁浮列车山梨l j 二7 的5 8 1 k m h 。 如今新干线的营业速度已经超过了轻型飞机的起飞速度，可与轻型飞机的续航速 度、喷气式飞机的起飞速度相匹敌，未来高速列车的速度将远远超过喷气式飞机 的起飞速度。由此可见，空气动力学不再只限于航空航天和汽车工业方面，列车 空气动力学在现代工业发展中同样占据举足轻重的地位。 欧洲的列车空气动力学研究可追溯到上世纪3 0 年代，当时英国对运行的列车 在横风作用下所承受的力和力矩，采用缩比1 2 5 列车模型进行了风洞模拟试验研 究。2 0 世纪5 0 年代后期，英国学者围绕高速列车减阻及高速列车与运行环境相 互影响等问题展开对列车空气动力学较为系统的研究。随后，德国、法国于2 0 世纪7 0 年代也相继开展试验研究工作。在一项由联邦研究技术部资助并由德国航 空和宇宙飞行研究试验局的气动力学设计和气动力学试验研究所负责的协作项目 中，研究人员设计出高速动车组用的车头形状，并从理论和实验上进行了研究， 提出压力分布和压力波的计算结果，以及压力测量、压力分布测量结果，并讨论 它们之间的关系。根据结果提出选择试验动车组和示范动车组车头形状的建议。 与此同时，一些欧美学者也致力于隧道中列车空气阻力的研究，在解析计算与数 6 第一章绪论 值计算两种方法中都取得了较大的发展。为了准确研究机车的气动力学状况，维 也纳的s g p 交通技术公司不仅进行深入的理论研究外，还在维也纳a r s e n a l 国家 试验和研究所进行了比例为1 ：2 0 的模型风洞试验。通过风洞试验方法和测量使 得在结构和设计工作的准备阶段与外形的气动力学状态有关的重要问题的解决方 案变得十分清晰，并且能够模拟所有的重要运转状况特别是高速时气动力学状态， 随之对其进行深入的研究。研究显示奥地利联邦铁路s g p 交通技术公司生产的 1 0 1 2 型大功率机车在运行时所产生的列车风能使噪声水平降低，同时由于空气阻 力引起的能量消耗也能得到明显的改善，故得出1 0 1 2 型大功率机车将能v , 很z 好的满 足严格的气动力学标准。鉴于此对于未来的高速机车，可以通过气动力学结构优 化的方法来降低噪声和减小能量消耗，将高速机车事业提高至一个崭新水平。 1 3 2 国内研究现状 中国对列车空气动力学的研究工作是从2 0 世纪6 0 年代开始的，主要针对铁 路货车翻车和脱轨问题。8 0 年代末期，围绕列车提速问题，对时速为1 6 0 k m h 的 “东风1 1 型”( 内燃) 、“韶山8 型”( 电力) 准高速机车外形优化设计进行了试验 研究；2 0 世纪9 0 年代初期，中国发展高速铁路的计划正式启动，列车空气动力 学的研究进入一个新的阶段，尽管中国的研究工作起步较晚，但进展很快。1 9 9 8 年，中国自行设计、速度为2 0 0 k m h 的首列动力集中型客运电动车组车正式投入 营运，相继有2 0 0 k m h 动力分散型、2 7 0 k m h 动力集中型( 中华之星号) 等多种 类型的国产高速、准高速电动和内燃动车组在线路上行驶，均具有良好的空气动 力性能。 四川联合高速水利学国家重点实验室给出了具有细长比的流线型高速列车车 头在隧道中行驶时的沿程摩擦损失和局部摩擦损失的简化公式并给出了隧道中列 车头部空气阻力的简化计算方法，为车头选型和隧道中列车空气阻力的计算提供 了依据。 中南大学高速列车研究中心，根据数值模拟计算和风洞试验的结果，研究了 列车交会压力波与相对速度、绝对速度、速度比、线间距、列车外形以及列车编 组方式等之间的关系。研究结果已经在我国流线型车体设计上正式采用，并为合 理确定线间距提供了科学依据。 西南交通大学空气动力学研究所主要从事列车空气动力学的研究，具有国内 唯一的高速列车隧道压力波浅水试验台，可以模拟单车和两车交会时列车引起的 隧道空气压力波；具有双试验段工业风洞，具备模拟风剖面的条件，配有7 8 0 b 电子扫描压力测量装置和s t r e a m l i n e 多通道热线风速仪等先进的测压、测速 和测力设备。主要研究空气对列车的气动作用，包括列车及附属设备受到的气动 第一章绪论 7 力、横风气动力等，以及列车外形的优化；研究列车引起的空气流动对环境的作 用，例如列车附近空气压力和速度变动、会车压力波、隧道压力波、微气压波、 气动噪声等，研究线间距和站台安全距离，以及减d , y 0 车对环境的技术措施。 此外，国内一些专家和学者也在列车空气动力学方面分别作出了很大的贡献 并取得了诸多的成果：田红旗系统的论述了列车空气动力学研究方法、空气动力 特性、形成机理及规律、影响因素、分析理论与工程应用。中国铁道研究所的部 分研究人员利用s t a r c d 流体软件作为核心进行列车外部流场计算，在模拟计 算中采用了六种计算模型，并对计算结果进行了比较，得出了一些有价值的结论。 梁习锋等采用二维模型研究了客车、敞车、棚车及罐车四种不同外形铁路车辆在 路堤高度、横风风速相同的条件下的横向气动性能差异，并对强侧风环境下棚车 气动外形进行了优化研究。李人宪等建立二维模型，采用有限体积法计算了不同 车轨结构的磁悬浮列车横风稳定性，并与轮轨型列车的横风稳定性进行了对比分 析。高广军等通过数值模拟计算分析了双层集装箱平车的气动系数与车辆速度和 风速间的变化关系，并从动力学角度分析了气动力对车辆倾覆稳定性的影响。根 据动力学力矩平衡原理研究了兰新线列车最高安全运行速度与环境风风速间的关 系，并分析了各种因素对车辆运行稳定性的影响。熊小慧等对试验列车车体表面 压力分布情况进行分析，采用分块积分法得出试验列车的气动力并进行了数值模 拟计算，与实车试验结果进行了对比分析。张健根据国外通勤客车所做的风洞模 型试验的到的试验数据，分单线路堤和复线路堤两种情况对横风下铁道车辆所受 气动侧向力的主要影响因素和防风栅作用等问题进行了分析和比较。根据日本对 防风栅、车辆、线路等组合进行了一系列的风洞模型试验，根据所得的试验数据 对防风栅降低铁道车辆所受气动侧向力的抗风性能的主要影响因素及防风栅实际 应用情况等进行了分析和探讨。 1 4 本论文的研究内容 主要研究内容如下： ( 1 ) 研究迎风环境下跨座式单轨车不同造型的头车气动性能比较：跨座式单轨 车体与众不同的造型特点，决定了跨座式单轨车体的外流场结构必将有其独特之 处，通过研究不同造型单轨车头车的外流场特点，分析了影响头车气动性能的主 要因素，并分析了新车造型的优势所在。 ( 2 ) 研究迎风环境下流线造型跨座式单轨列车的气动性能：仿真计算跨座式单 轨列车气动力学参数，分析单轨列车外流场的流动特征以及整车气动性能的主要 影响因素，对跨座式单轨列车的造型提出改进建议。 8 第一章绪论 ( 3 ) 研究侧风环境下流线型跨座式单轨列车气动性能：针对侧偏角为1 度、3 度、5 度三种方案下流线型跨座式单轨列车进行侧风稳定性数值模拟，仿真计算 出三种方案下的侧向气动力学参数，并根据三种方案下气动力学曲线图及压力场、 速度场云图对侧向气动性能及其主要影响因素进行详细分析。 ( 4 ) 研究横风环境下流线型跨座式单轨列车气动性能：对横风环境下流线型跨 座式单轨列车横向气动性能进行数值模拟，仿真计算跨座式单轨列车气动性能参 数，分析其外部流场结构及影响横风稳定性的主要因素，提出改善侧风、横风稳 定性的措施。 第二章计算流体动力学基本理论 9 第二章计算流体动力学基本理论 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c 简称c f d ) 是通过计算机数值 计算和结果图像显示，对诸如流体流动和热传导等相关物理现象所做出的系统分 析。计算流体动力学的基本思想为：将原有的在时间域或空间域上连续的物理量 的场如速度场、压力场、温度场等，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来 代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量间关系的代数方程 组，而后求解代数方程组获得场变量的近似值。c f d 可以看做是在流动基本方程 控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，可以得到极其复杂问题的流场内 各个位置上基本物理量的分布，以及这些物理量随时间分布的变化情况，进而确 定流场特性。 流体的运动是自然界最为复杂的运动状态之一，控制方程的高度非线性和流 动区域几何形状的复杂性是其主要体现。随着流体力学的不断发展，流体运动的 数学物理模型，包括适用于不同性质的流体和流体的不同流动状态下的控制方程 已经建立并日趋完善。以高性能计算机为手段并借助数值计算方法模拟流动区域 的复杂特性使得求解流体运动问题变得容易。跨座式单轨列车的外流场是一个较 为复杂的物理现象，运用计算流体动力学理论对其进行研究与分析是便捷可行的。 2 1 流体动力学的基本方程 2 2 - 2 5 1 2 1 1 质量守恒方程 所有和流动有关的问题都必须满足质量守恒定律。质量守恒定律即单位时间 内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量，具体 方程见下： 望t - 型+ 型+ o ( p w ) ：0 ( 2 1 ) 引入矢量符号机( a ) = o a ，o x + o a y o y + a a ：七 式( 2 1 ) 可写成 粤+ d v ( 伊) ：o ( 2 2 ) a ”7 、 式中p 是密度，t 是时间，u 是速度矢量，u 、v 、w 是速度矢量u 在x 、y 、z 方向的分量，质量守恒方程( 2 1 ) 、( 2 2 ) 通常也被称为连续性方程。 1 0第二章计算流体动力学基本理论 2 1 2 动量守恒方程 与质量守恒方程相似，任何流动系统也必须要满足动量守恒定律。动量守恒 定律即微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用于该微元上的各种力之 和。具体方程见下： 了a ( p u ) + 历，( p u u ) = 硪1 ，( g r a d u ) 一宅+ 瓯 ( 2 3 a ) 了a ( p v ) + d i v ( p w ) ：西v ( g r a d v ) 一罢+ 鼠 ( 2 3 b ) 了a ( p w ) + 疣y ( 户w u ) = 历1 ，( g r a d w ) 一宅+ s w ( 2 3 c ) 式中，g r a d of a o 良+ a o 砂+ a o 如，符号、墨、s w 是动量守恒方程 中的广义源项，最= c + 足，鼠= 弓+ 0 ，& = e + 巴，t ，c 和c 是微元体上 的体力，其中是、彭、邑的表达式如下： 巳= 丢( 罢 + 品( 象 + 鲁( 芸) + 昙( 旯讲) c 2 加， 巳2 瓦【、瓦j + 万l 瓦j + 瓦l 面，j + 瓦【删舢) 心4 们 哆= * 针孔豺* 豺导( ) 泣伯， 哆2 瓦l 万j + 万l 面j + 瓦l 万j + 万【删舢) 心4 巳= 丢( 罢) + 参( 磋心( 警) + 昙( 胁u ) 眩4 c ， 巳2 瓦l 瓦j + 万l 瓦j + 夏l 瓦j + 瓦( 删w u j 他_ 式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 统称为动量守恒方程，又称作n a v i e r - s t o k e s 方程。 2 1 3 能量守恒方程 能量守恒方程是包含热交换的流动系统必须满足的基本定律。该定律可描述 为：微元体中的能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元 体所做的功。 流体的能量e 通常是内能f 、动能k = 1 2 ( u 2 + ，2 + w 21 和势能p 三项之和， 可以针对总能量e 建立能量守恒方程。但是，这样得到的能量守恒方程一般从中 扣除动能的变化，从而得到关于内能i 的守恒方程，所以适用性不强。根据流体 力学知识可知，内能i 与温度t 之间存在一定关系，即f = c 。t ，其中c 。是比热 容。这样，可得到以温度t 为变量的能量守恒方程： 第二章计算流体动力学基本理论 _ a ( p 1 3 t - d i v ( p u t ) ：d i v l 善- g r a d t1 + 爵 ( 2 5 ) t t t 。p 式中c 。是比热容，t 为温度，k 为流体的传热系数，s r 为流体的内热源及由 于粘性作用流体机械能转换为热能的部分，通常简称s ，为粘性耗散项。 在一个特定的系统中，可能存在质的交换，或者存在多种化学组分，每一种 组分都需要遵守组分质量守恒定律。对于一个确定的系统而言，组分质量守恒定 律可表述为：系统内某种化学组分质量对时间的变化率，等于通过系统界面净扩 散流量与通过化学反应产生的该组分的生产率之和。 根据组分质量守恒定律，可写出组分s 的组分质量守恒方程： 掣+ 优y t t u c s ) = d i v ( d s g r a d ( p c ，) ) + 墨 ( 2 6 ) 式中，c ，为组分占的体积浓度，胪，是该组分的质量浓度，见为该组分的扩 散系数，s 。为系统内部单位时间内单位体积通过化学反应产生的该组分的质量， 即生产率。上式左侧第一项、第二项、右侧第一项和第二项，分别称为时间变化 率、对流项、扩散项和反应项。 为了便于对各控制方程进行分析，须建立各基本控制方程的通用形式。 2 1 4 控制方程的通用形式 通过比较以上四个基本控制方程( 2 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 5 ) 和( 2 6 ) ，可以看出，它们 均反映了单位时间单位体积内物理量的守恒性质，在形式上具有相似性。如果用 表示通用变量，可归纳得出以下通用形式： 掣+ 机油矽) = d i v ( f g r a d ) + s ( 2 7 ) 其展开形式为： a 矽) a 汹) a ( p v ) 。a ( 伽) ii 一 a ta x籼娩 ：丢( r 丝a x 、1 ) + 导( r 型a y 、1 ) + 丢( f 警) + s 2 名 式中，矽为通用变量，可以代表u 、v 、w 、t 等求解变量：1 1 为广义扩散系 数；s 为广义源项。式( 2 7 ) 中各项依次为瞬态项( t r a n s i e n tt e r m ) 、对流项 ( c o n v e c t i v et e r m ) 、扩散项( d i f f u s i v et e r m ) 和源项( $ 0 u i c et e r m ) 。对于特定的 方程，西f 和s 具有特定的形式。经过适当的数学处理，将控制方程中的因变量、 时变项、对流项和扩散项写成标准形式，而后将方程右端的其余各项集中定义为 1 2 第二章计算流体动力学基本理论 源项，这样所有的控制方程便可化为通用微分方程，只需要考虑通用微分方程 ( 2 7 ) 的数值解，写出求解方程( 2 7 ) 的源程序，就能够满足不同类型的流体流 动及传热问题的求解。对于不同的矽，只要重复调用该程序，并给定r 和s 的适 当表达式以及适当的初始条件和边界条件，便可求解。 2 2 湍流模型2 4 2 5 1 2 2 1 湍流特征 层流和湍流是流体运动的两种基本形态，当r e y n o l d s 数小于某一临界值时， 流动是平滑的，相邻的流体层彼此有序地流动，这种流动称作层流。当r e y n o l d s 数大于临界值时，流动会出现一系列复杂的变化，最终导致流动特征发生本质变 化，流动呈无序的混乱状态。此时，流动是不稳定的，速度、压力等流动特性都 随机变化，这种状态称为湍流。湍流流动是自然界常见的流动现象，在多数工程 问题中流体的流动往往处于湍流状态，湍动特性在工程中占有重要的地位，因此， 湍流研究直受到业内人士的高度重视。由于湍流运动自身的复杂性，其基本机 理至今仍未被完全掌握，此外至今尚未准确的定义并定量的给出湍流的运动特性。 湍流是三维非定常的有旋流动，而且伴随着旋涡的强烈脉动。从物理结构上 看，可以把湍流视作由各种不同尺度的涡叠加而成的流动，这些涡的大小及旋转 轴的方向分布均是随机的。大尺度的涡主要取决于流动的边界条件，其最大尺度 可与平均运动的特征长度相比，大涡主要由于受到惯性影响而存在，这是引起低 频脉动的原因；小尺度的涡主要是由黏性耗散速度所决定，其尺寸可能仅是流场 尺度的千分之一，小尺度涡是引起高频脉动的原因。整个湍流过程类似于细胞分 裂的过程却非全然相同大尺度的涡破裂后形成小尺度的涡，较小尺度的涡破 裂后形成更小尺度的涡。此间大涡不断地从主流获取能量，通过涡间的相互作用 又将能量传递给小尺度的涡。最终由于流体黏性作用，小尺度的涡逐渐消失，机 械能便转化为流体的热能。同时由于边界的作用、扰动及速度梯度的作用，新的 涡旋又不断产生，这就构成了整个湍流运动。 鉴于以上理论，跨座式单轨列车外流场中的气体流态主要分为两种：层流和 湍流，前者气流流动过程中分层而互不干扰，后者则与其相悖，各个空间物理量 随着时间和空间的变化均很不规则，并伴有涡旋的产生。根据流体力学理论跨座 式单轨车外流场可以分为内外两层：粘性层和无粘层。当雷诺数足够高时，粘性的 影响只在靠近物理边界很薄的一层起主导作用，这时外部流动可视为无粘流来处 理，这个薄层即为边界层。 第二章计算流体动力学基本理论1 3 2 2 2 湍流模型的选取 本课题所使用的通用流体动力学数值计算软件，有着丰富的物理模型可以满 足单轨列车外流不可压缩湍流数值计算和精度要求，主要物理模型见下： ( 1 ) k 一占系列模型 准k 7 一占模型 标准k 一占模型是由湍动能k 和湍流耗散率s 表征的二方程湍流模型。 湍动能k 方程表示为 型+掣=北+箦吼；ax,jat 唧 仁9 ， 瓠ja x j 心j o k l 一。 湍流耗散率s 方程表示为 型o t + 掣= 珊+ 丝o e 糊+ ) 。，奶吗j k 刖7 、 标准k 一占模型是通过假设雷诺应力与平均速度梯度的线性关系建立起来 的，假设流动为完全湍流且可以忽略分子粘性影响，故仅适合完全湍流过程的数 值模拟。此模型对于一些各项异性较强的流动如有分离的流动，不能恰当的描述 流动发展，会产生较大误差。 r n g k 一占模型 r n g k 一占模型的湍动能方程和湍流耗散率方程在形式上与标准k g 模 型相似。与标准k f 模型比较，r n g i c 一占模型不同之处在于：修正了湍流粘 度，考虑了平均流动中的旋转及旋流流动；在s 方程中增加了一项使得产生项即 与流动情况有关，还与流动空间有关。然而r n g k 一占模型仍是针对充分发展的 湍流起作用，而对于近壁区内的流动及雷诺数较低的流动数值模拟不够精确。 ( 2 ) s p a l a r t a l l m a r a s 系列模型 s p a l a r t a l l m a r a s 模型是相对简单的单方程模型，只需求解湍流粘性的输运方 程，不需要求解当地剪切层厚度的长度尺度；由于没有考虑长度尺度的变化，这 对一些流动尺度变换比较大的流动问题不太适合，比如平板射流问题，从有壁面 影响流动突然变化到自由剪切流，流场尺度变化明显等问题。 s p a l a r t a l l m a r a s 模型中的输运变量在近壁处的梯度要比k - e 中的小，这使得该模型对网格粗糙带 来数值误差不太敏感。 ( 3 ) r s m 系列模型 放弃等方性边界速度假设，r s m 使得雷诺平均n s 方程封闭，解决了关于方 程中的雷诺压力，还有耗散速率。由于r s m 比单方程和双方程模型更加严格的 1 4 第二章计算流体动力学基本理论 考虑了流线型弯曲、漩涡、旋转和张力快速变化，它对于复杂流动有更高的精度 预测的潜力。但是这种预测仅仅限于与雷诺压力有关的方程。压力张力和耗散速 率被认为是