（车辆工程专业论文）跨座式单轨车辆外流场仿真流程自动化及主参数提取.pdf

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：纭杰 日期：动jj 年争月少日 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。 学位论文作者签名：旁艮书，指导教师签名： 竺竺竺竺三竺! 卫。 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 l ( 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：多k 才1 日期：划年午月矽日 指导教师签名：舷 日期：、年、月弋日 摘要 跨座式单轨列车的空气动力学性能如何是车辆设计水平的重要指标之一。开 展跨座式单轨车辆外流场模拟研究，并实现流程自动化是本论文的重要研究目标。 本文以列车空气动力学和计算流体力学的相关理论为基础，基于重庆轨道交 通2 号线跨座式单轨列车头车模型尺寸建立c a d 简化模型，运用计算流体力学软 件详细地分析了跨座式单轨车辆的外流场特性，研究不同的几何形状部位对整个 外流场特性的影响程度。并基于各个细部对整个外流场的贡献，提出四个影响其 空气动力学特性的主要形状参数：头部、尾部、裙板、转向架( 包含轮胎) 。通过 改变这些参数，进一步分析其空气动力学性能。 由于跨座式单轨车辆自身的结构特点，其外流场模拟的流程相对比较复杂， 尤其体现在不同参数模型间进行优化设计、比较论证中，重复的操作工作耗用大 量的时间。鉴于此，本文又基于s t a r - c c m + 的二次开发平台j a v a a p i 制定一个客 户化操作界面即跨座式单轨车辆外流场仿真流程自动化功能界面，减少由软件本 身操作所投入的时间，大大提高仿真模拟效率。 仿真结果定性和定量地模拟了跨座式单轨车头车外流场特性及各块形状参数 对其的影响，提出了相应改型建议，为即将进行的风洞实体实验提供了重要参考。 关键词：跨座式单轨车辆；外流场性能；数值模拟；s t a r - c c m + z 次开发；形状 参数 a bs t r a c t a e r o d y n a m i c so fs t r a d d l e - t y p em o n o r a i lv e h i c l ei s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n t i n d e x e sf o rv e h i c l ed e s i g n t h ei m p o r t a n tr e s e a r c hg o a li nt h i sp a p e ri st oc a r r yo nt h e s i m u l a t i o no fe x t e r n a lf i e l da e r o d y n a m i cf o rs t r a d d l e - t y p em o n o r a i lv e h i c l ea n dr e a l i z e t ot h ep r o c e s sa u t o m a t i o n b a s e d0 1 1t h ea e r o d y n a m i c so 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 ，r e f e r e n c e o fc h o n g q i n gr a i lt r a n s i tl i n e2h e a dt r u c ko fs t r a d d l e - t y p em o n o r a i lt r a i n ss i z e ，t h e s i m p l i f i e dc a dm o d e li se s t a b l i s h e d b yu s i n g o fc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s s o f t w a r e ，d e t a i l e da n a l y s i so ft h ep e r f o r m a n c e so fe x t e r n a l f i e l da e r o d y n a m i cf o r s t r a d d l e - t y p em o n o r a i lv e h i c l ea n dr e s e a r c h t h ed e g r e eo fi n f l u e n c ea b o u td i f f e r e n tp a r t s o ft h eg e o m e t r ye f f e c to nf l o wf i e l d t h e na c c o r d m gt ot h ec o n t r i b u t i o nw h i c he v e r y d e t a i lc o m p a r et ot h ee n t i r ee x t e r n a lf i e l d , f o u ro fi t sm a i ns h a p ep a r a m e t e r sa f f e c t i n go n a e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e sa r ep r o p o s e d ：h e a d 、t a i l 、a p r o nb o a r d 、b o g i e ( i n c l u d i n gt i r e s ) b yc h a n g i n gt h e s ep a r a m e t e r s ，f u r t h e ra n a l y s i so f i t sa e r o d y n a m i c sh a sc a r r i e do n a si t so w ns t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ep r o c e s ss i m u l a t i o no 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 e se x t e r n a lf i e l di sr e l a t i v e l yc o m p l i c a t e d , p a r t i c u l a r l ye v i d e n ta m o n g t h ed i f f e r e n tp a r a m e t e r sm o d e l st oo p t i m i z et h ed e s i g na n dc o m p a r i s o n , t h er e p e a t o p e r a t i o nt a k e sa m o u n to ft i m ew o r k v i e wo ft h i s ，b a s e do nt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n t p l a t f o r m o fs t a r - c c m + , j a v aa p i ，t od e v e l o pac u s t o m i z e di n t e r f a c et h a ti s s i m u l a t i o np r o c e s sa u t o m a t i o ni n t e r f a c ef o re x t e r n a lf l o wf i e l 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 t h ei n t e r f a c ee f f e c t i v e l yr e d u c e si n p u tt i m ew h i c hg e n e r a t e db yo p e r a t i n gt h e s o f h v a r ei t s e l fa n dg r e a t l yi m p r o v es i m u l a t i o ne f f i c i e n c y t h es i m u l a t i o nr e s u l t sq u a l i t a t i v e l ya n dq u a n t i t a t i v e l ys i m u l a t em o n o r a i lf l o wf i e l d p e r f o r m a n c e so f t h ef r o n tt r u c ka n dt h ee f f e c t st ot h ep e r f o r m a n c e s 舶md i f f e r e n ts h a p e p a r a m e t e r s s o m em o d i f i e dr e c o m m e n d a t i o n sa r ep u tf o r w a r dc o r r e s p o n d i n g l y a n d p r o v i d e sa l li m p o r t a n tr e f e r e n c et ot h eu p c o m i n gw i n d t u n n e le x p e r i m e n t i o g y w 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 ；e x t e r n a la e r o d y n a m i c ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；s t a r - c c m + r e d e v e l o p m e n t ；s h a p ep a r a m e t e r s 第一章绪论 目录 1 1 研究背景、目的与意义1 1 2 轨道车辆外流场仿真技术发展研究现状2 1 2 1 轨道列车空气动力学的研究发展概要2 1 2 2 轨道列车数值模拟仿真技术发展概要。5 1 3 研究的内容与方法7 1 3 1 研究的主要内容一7 1 3 2 研究方法8 第二章跨座式单轨车辆外流场仿真模拟 9 2 1 模拟分析的基本理论。9 2 1 1 空气的物性分析一9 2 1 2 边界层及其分离现象l0 2 2 计算流体动力学基本理论基础1 1 2 2 1 流场基本控制方程。1 1 2 2 2 湍流模型的选取1 4 2 2 3c f d 数值计算方法18 2 3 头车外流场仿真分析。2 0 2 3 1 几何模型2 0 2 3 2 边界划分与计算域2 1 2 3 3 网格模型。2 4 2 3 4 网格尺寸及布局一2 5 2 3 5 计算数学模型的建立2 6 2 3 6 计算结果分析2 8 2 4 本章小结3 5 第三章跨座式单轨车辆外流场仿真流程自动化设计3 6 3 1 基于j a v a 的s t a r - c c m + 自动化流程设计简介。3 6 3 1 1 自动化设计流程概述3 7 3 1 2s t a r c c m + 简介3 7 3 2j a v a 的g u i 界面设计4 l 3 2 1j a v ag u i 事件处理机制简介4 2 3 2 2j a v a 中复杂g u i 实现方式4 4 3 3 自动化流程功能界面g u i 的程序设计4 7 3 3 1 设计思路4 7 3 3 2 设计内容4 9 3 4 运用二次开发界面实现外流场自动化仿真5 4 3 5 本章小结5 9 第四章影响头车外流场特性的主参数提取 4 1 影响头车外流场特性的主参数提取依据。6 0 4 2 前部造型对气动性能影响定性分析6 1 4 3 更改后部造型对气动性能影响定性分析6 9 4 4 本章小结。7 l 第五章结论与展望 7 3 5 1 结论7 3 5 2 展望7 4 致谢。 参考文献 在学期间发表的论著及取得的科研成果 7 5 7 6 7 9 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景、目的与意义 跨座式单轨交通作为一种外形独特的城市轨道交通工具，在重庆运行至今体 现了轨道交通安全、便利、舒适、低耗、美观和环境保护等优越性。作为缓解城 市交通拥堵的一种有效途径，跨座式单轨车辆的的研究工作在国内越来越受到重 视。 跨座式单轨列车的空气动力学性能如何是车辆设计水平的重要指标之一。设 计造型美观、空气动力性能良好的单轨车辆是提高其动力性、经济性、舒适性和 安全性的一个重要途径。 在车辆空气动力学的研究上，半个多世纪以来国内外许多专家学者做出了大 量的研究工作，取得了丰厚的研究成果，形成了汽车空气动力学和列车空气动力 学两大独立的学科。这些理论指导着人们在确定车辆外形初步方案阶段时，就开 始运用车辆的空气动力学观点指导车辆的造型设计。 汽车空气动力学从2 0 世纪初期发展至今在理论研究、实体风洞试验和数值模 拟计算上进行了大量的研究工作，经历了基本形状造型、流线型化造型、车身细 部优化到整体优化四个阶段，空气动力性能得到了重大改善，车身造型越来越独 具风格。 商用汽车如常见的载货汽车、客车、集装厢车等的外流场研究伴随着轿车的 空气动力学的发展进行，同样取得了诸多研究成果，如较小的曲率半径使阻力下 降；厢式车前端半径与车宽之比( r b ) 为0 0 4 5 ，就足以使边角后的流动保持连续； 适当添加附加装置可以降低载货汽车的气动阻力等。 客车车辆、地铁车辆等轨道列车外流场空气动力学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。目 前已研制出多种气动造型好、速度高、运行稳定性好、安全性高的高速列车i l j l 2 j 。 虽然人们对车辆外流场空气动力特性进行了大量的研究，但是所研究的对象 大多如上述的轿车、客车、货车、铁道车辆和地铁车辆等，而针对跨座式单轨车 辆外流场的研究甚少。另外，由于跨座式单轨车辆整体构造、轨道模式、前端和 尾部造型等一系列自身特点与其它车辆有所区别，这必将使单轨车的外部流场特 征具有明显的不同。因此在其外流场特性研究中，轨道梁的高度选取、计算域的 设定，边界层的指定、物理模型的选取等一些列问题都需要解决。 2第一章绪论 跨座式单轨车辆作为列车的一种特殊形式，外流场特性是其空气动力学性能 的重要组成部分。目前在国内尚未单独对其进行实体风洞实验，其空气动力特性 的研究主要是基于数值模拟计算技术展开的。重庆交通大学的杜子学教授及其学 生刘博运用计算流体力学软件首次对迎风环境下、侧风环境下和横风环境下模拟 分析了单轨车辆外流场的流动特征，具有很大的指导和借鉴意义。虽然已先对其 外流场气动性能进行仿真分析，但其车体复杂的绕流特性和各个细部形状对其空 气动力特性的影响程度，目前尚不清楚，需进一步研究。 另外计算机技术的发展加快了跨座式单轨车辆空气动力学研究的步伐，进一 步的缩短设计周期，更灵活地针对影响分析性能的各部分形状参数模型进行自动 化模拟仿真，成为当下设计研发人员追求的目标。在仿真模拟技术上，自动化流 程设计已经开始在汽车外流场仿真中得到应用，上海汽车技术中心整车部的周建 军、杨坤已基于通用计算流体力学软件s t a r - c c m + 进行整车外流场数值模拟的二 次开发，把整车外流场分析程序化，提高了分析工作效率。 跨座式单轨车辆的外流场仿真能否也能实现程序化，鉴于此，本文的研究目 的在于： 1 ) 运用数值模拟方法求解出单轨车头车气动阻力和升力系数，分析其速度场 和压力场的详细特性。 2 ) 研究不同几何形状部位对整个气动性能的影响程度，得出影响其空气动力 学特性的主要形状参数，并基于这些参数的改变，提出减少气动特性的方案。 3 ) 改进仿真模拟技术，使跨座式单轨车辆外流场仿真流程自动化，力图减少 由软件本身操作所投入的时间，提高仿真模拟效率。 1 2 轨道车辆外流场仿真技术发展研究现状 1 2 1 轨道列车空气动力学的研究发展概要 列车空气动力学是研究列车与空气相对运动时，空气动力特性及其与列车和 周围环境相互影响的科学，还包括研究列车空气动力学形成机理及改善措施。其 基本理论来源于流体力学和经典空气动力学，是空气动力学在轨道交通领域的应 用和进一步发展，属工业空气动力学范畴【l j 。 列车空气动力学研究内容的历程如下： ( 1 ) 研究的列车包括轮轨客运列车、货运列车、地铁及城规列车、磁浮高速 列车。 ( 2 ) 研究的列车速度从普通到准高速和提速、轮轨高速、磁浮高速4 个速度 第一章绪论 3 等级。 ( 3 ) 研究的列车外形从传统列车的钝型头部、直壁侧墙、无底罩无裙板的裸 露车体底部，发展到流线型列车。 ( 4 ) 研究的流场范围从轮轨列车系统的低速流发展到磁浮列车系统的亚音速 流。 ( 5 ) 从列车自身气动特性发展到列车环境耦合空气动力特性。 ( 6 ) 研究的范畴从列车空气动力特性及形成机理，到列车空气动力学理论与 应用，列车空气动力性能计算、设计、试验及评价标准【1 1 。 列车空气动力学发展到今天已具备一套独立的研究体系，从理论分析和数值 计算到动模型试验、风洞试验和在线实车试验的列车空气动力学综合研究体系。 列车空气动力学问题与列车形状密切相关，它要求列车头型具有良好的空气 动力学特性。随着世界各国轨道列车交通技术的发展，各种种类和造型多样的轨 道列车穿梭在城际主干线之间。 对各种造型的列车的空气动力学的研究不同时代、不同国家呈现出不同的技 术水平。日本在轨道列车方面的研究较早，技术相对比较成熟。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。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 1 2 1 1 l o l 。 欧洲的轨道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。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。 4第一章绪论 2 0 世纪9 0 年代初，在中国空气动力研究与发展中心的航天航空大型低速风洞 进行了全面的列车风洞试验研究，发现并提出了开展列车空气动力学研究需要解 决的一系列研究方法科学问题，如风洞试验的地板效应问题，模拟列车交会，通 过隧道等具有相对运动的数值计算和模型试验问题，以及如何在我国迅速开展空 气动力学实车试验等问题。 国内一些专家学者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。 在高速列车研究方面，以田红旗为代表的中南大学高速列车研究中心系统地 研究了列车外形空气动力性能，提出列车空气动力外形确定方法；开展了列车交 会、通过隧道时的空气动力对行车安全、乘坐舒适性及周围环境影响理论与试验 研究；提出列车空气阻力系数、升力系数设计建议标准，列车气动外形设计标准， 气压变化下的人体舒适度评价标准，微气压波评价标准，列车交会行车安全评估 体系，大风环境下行车完全保障体系。 在铁路车辆研究方面，梁习锋等人采用二维模型研究了客车、敝车、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。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。 在磁浮高速列车研究方面，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。 在地铁列车研究方面，东南大学的张建润和西南交通大学的张卫华等人建立 大学的杜子学教授及 列车在迎风环境下、 环境下的压力场和速 第一章绪论 5 1 2 2 轨道列车数值模拟仿真技术发展概要 数值模拟计算属计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y i l a i n i c s ，简称c f d ) 范 畴，即用数值计算方法求解描述流场流动方程组，获得流场有关信息。计算流体 动力学是用离散化的数值方法及电子计算机对流体无粘绕流和粘性流动进行数值 模拟和分析的学科。它是计算力学的一个分支。无粘绕流包括低速流、跨声速流、 超声速流等；粘性流动包括湍流、边界层流动等。计算流体力学是为弥补理论分 析方法的不足而于2 0 世纪6 0 年代发展起来的，并相应地形成了各种数值解法。 主要是有限差分法、有限元法和有限体积法。流体力学运动偏微分方程有椭圆型、 抛物型、双曲型和混合型之分，计算流体力学很大程度上就是针对不同性质的偏 微分方程采用和发展了相应的数值解法。 数值模拟方法作为计算流体力学中独有的新的研究方法研究流体运动的基本 物理特性。这种方法的特点如下： 给出流体运动区域内的离散解，而不是解析解。这区别于一般理论分析方 法： 它的发展与计算机技术的发展直接相关。这是因为可能模拟的流体运动的 复杂程度、解决问题的广度和能模拟的流体运动的复杂程度，都与计算机速度、 内存等直接相关； 若物理问题的数学提法( 包括数学方程及其相应的边界条件) 是正确的， 则可在较广泛的流动参数( 如马赫数、雷诺数、气体性质、模型尺度等) 范围内 研究流体力学问题，且能给出流场参数的定量结果。 以上这些这常常是风洞试验和理论分析难以做到的。然而，要建立正确的数 学方程还必须与试验研究相结合。另外，严格的稳定性分析，误差估计和收敛性 理论的发展还跟不上数值模拟的进展。 所以在计算流体力学中： 1 ) 仍必须依靠一些较简单的、线性化的、与原问题有密切关系的模型方程的严 格数学分析，给出所求解问题的数值解的理论依据。 2 ) 然后再依靠数值试验、地面试验和物理特性分析，验证计算方法的可靠性， 从而进一步改进计算方法。 列车空气动力学数值计算方法包括广义和狭义的两类方法，广义方法包括流 动方程建立、各类求解方法和定解条件处理方法、计算结果后处理方法在内的完 整的系统方法。狭义方法则为某种具体的方法，如求解方法的有限差分法、样条 函数法等。 为了完成c f d 计算，过去多是用户自己编写计算程序，但由于c f d 的复杂性 6第一章绪论 及计算软硬件条件的多样性，使得用户各自的应用程序往往缺乏通用性，而c f d 本身又有其鲜明的系统性和规律性，因此，比较适合于被制成通用的商用软件。 自1 9 8 1 年以来，出现了如p h o e n i c s 、c f x 、s t a r - c d 、f i d i p 、f l u e n t 等多 个商用c f d 软件，这些软件显著特点是： 功能比较全面、适用性强，几乎可以求解工程界的各种复杂问题； 具有比较易用的前处理系统和与其他c a d 及c f d 软件的接口能力，便于 用户快速完成造型、网格划分等各种。同时，还可让用户扩展自己的开发 模块。 具有比较完备的容错机制和操作界面，稳定性高； 可在多种计算机、多种操作系统、包括并行环境下运行【3 】。 运用c f d 软件进行仿真模拟需经历以下几个流程如图1 1 所示t 图1 1 运用c f d 软件进行仿真模拟流程 f i g1 1t h es i m u l a t i o np r o g r a m m e ru s e dc f d s o f t w a r e 运用计算流体力学( c f d ) 软件进行车辆外流场模拟因软件的可操作性程度 来决定整个模拟流程的所耗用的工作量。 界正发挥着越来越大的作用。 随着计算机技术的快速发展，这些商用 上海汽车技术中心整车部的周建军、杨 用计算流体力学软件s t a r - c c m + 进行整车外流场数值模拟的二次开发， 场分析程序化，提高了分析工作效率。 随着计算机的计算能力不断提高，轨道列车空气动力学的数值模拟得 展，由于数值模拟仿真方法可以在较短时间内建设数值风洞分析平台。 车研究开发过程中也越显重要。势值模拟计算具有成本低、模拟周期 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 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 ，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 以优选试验方案，使试验变得更具针对性。例如使用一般的c f d 计算 第一章绪论 分析软件就可以较为准确地获得高速行驶时空气阻力的计算结果。车速在3 5 0 k m h 时，雷诺数较小，空气仍然可以看作不可压缩，此时进行稳态或瞬态计算分析便 可得到列车阻力与车速的关系。主要困难在于，为了降低空气阻力、提高稳定性， 目前对车头进行流线型侧翼添加导流槽设计，给流体分析带来网格剖分的难度， 一般使用高密度网格可以比较好地解决该问题。 同济大学的郑百林教授等人在 l 的情况下，流体绕物体时，在物体壁面附近， 受流体粘性影响显著的薄层，成为边界层。 由前述可知，当粘性不可压缩流体过平板时，在边界层的边界上沿x 方向的 速度u 不发生变化，由伯努里方程可知其压强也不变化。但当粘性流体流经曲面 物体时，边界层上沿x 方向的速度k 要发生变化，故压强也是变化的，边界层也 随着变化，这将对边界层内部的流动产生重要的影响。 图2 1 边界层分离示意图 f i g2 1s e p a r a t i o ns c h e m a t i cd i a g r a mo f p r i s ml a y e r 图2 1 所示的是边界层的分离现象，气流经过曲面最高点m 之前，流体绕过 驻点之后流动速度将逐渐增加，根据伯努里方程，压强逐渐下降，这一过程是一 第二章跨座式单轨车辆外流场仿真模拟 个降压加速的过程，在m 点速度达到k 皿，而压强降为丑，在m 点之后，开 始减速增压，速度不断降低，压强不断增加，使这一过程为减速增压过程。由于 出现这一流动机制，就决定了边界层有发生分离的可能【1 9 1 。 这一现象在表面曲率变化比较大的几何中经常发生，跨座式单轨车辆表面形 状比较复杂，因此在模拟其外流场特性时，必须考虑这一现象的影响。 2 2 计算流体动力学基本理论基础 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，然 后求解代数方程组获得场变量的近似值。 c f d 可以理解为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 量随时间步长分布的变化情况，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，流动区域几何形状的复杂性 和控制方程的高度非线性是其主要体现。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。跨座式单轨车辆的外流场是一个较 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 2 1 流场基本控制方程 a 、质量守恒方程【1 6 】 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： 一a p + o ( p u ) i - 业! - i - a ( p w ) ：0 西0 x 0 3 , 龙 ( 2 2 ) 引入矢量符号咖( a ) = o a ，a x + o a ，o y + o a ：a z 式( 2 2 ) 可写成 1 2第二章跨座式单轨车辆外流场仿真模拟 害+ d i v ( p u ) ：0 a f ( 2 3 ) 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 2 ) 、( 2 3 ) j 1 匿常也被称为连续性方程。 b 、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： 掣。i-div(puu)=div(dugradu)一塞-i-ot 瓯 ( 2 4 a ) 麟 f 2 、 等+ d i v ( m n ) = 批耐) 一万a p 挂 ( 2 4 b ) 百a ( p w ) + d i v ( p w u ) - 挑( 删一鲁性 4 e ) 优 仍 f 2 式中，g r a d o = a 0 i g x + a 0 g y + a 0 i g z ，符号、母、& 是动量守恒方程中 的广义源项，& = e + 足，墨= f y + s y ，& = g z + $ z ，只，和t 是微元体上的体 力，其中文、s 、疋的表达式如下： 巳= 丢( 豺昙( 塞) + 昙( 芸) + 昙( ) 亿5 曲 巳2 否l 面j + 面p 面j + 瓦l 瓦j + 瓦【旯讲j 亿5 曲 _ = 昙( 考) + 昙( 考 + 昙( 考) + 昙( , ；l z i v u ) q 舳， 巴= 昙( 静昙( 謇) + 昙( 老) + 鲁( 触- 。 式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 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。 c 、能量守恒方程1 2 2 之5 】 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 、动能尺= 1 72 【2 + v 2 9 2 ) 和势能尸三项之和，可 第二章跨座式单轨车辆外流场仿真模拟 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，即卢c p l ，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： _ a c p _ r ) i - d i v ( p u t ) ：副土明讲l + 品 优 l c p ( 2 6 ) 式中c p 是比热容，t 为温度，k 为流体的传热系数，o 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o r 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： 掣掣+ d i v 汕c s ) = 挑限倒缸，) ) + 墨 仞 ( 2 7 ) 式中，q 为组分占的体积浓度，p c ，是该组分的质量浓度，以为该组分的扩 散系数，o 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。 d 、控制方程的通用形式 通过比较以上四个基本控制方程( 2 3 ) 、( 2 4 ) 、( 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。如果用尹 表示通用变量，可归纳得出以下通用形式： 掣+ 砌矽) ：d i v ( f g r a d ) 4 - s 旦+ 旦+ 旦+ 判 西苏却如 ：旦a x r k r 皇良至1 ) + 旦a y r k r 导) + 昙( r 老) + s 2 9 式中，为通用变量，可以代表u 、v 、w 、t 等求解变量5 1 4第二章跨座式单轨车辆外流场仿真模拟 r 为广义扩散系数； j 为广义源项。 式( 2 8 ) 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( s o u r c et e r m ) 。对于特定的方程，咖r 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 8 ) 的数值解，写 出求解方程( 2 8 ) 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。 对于不同的妒，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 2 湍流模型的选取 本论文所使用的通用流体动力学数值计算软件s t a r - c c m + ，有着丰富的物理 模型可以满足跨座式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 模型如下： ( 1 ) r e 系列模型【3 5 】 准k 一占模型 标准r 一占模型，采用湍流能量k 和能量耗散率作为其基本的统计量。 r a y n a l d s 应力使用湍流能量，能量耗散率及湍流粘性系数用下面的公式表示： 一一一= 2 9 , s u - p u i u j s i j 弘警+ pk 6 。 一 詈l ，三 + pp # p u l h = 一i z t 瓦a h = ? = 厂鸬咖c 舢j m m 一苟苗 这里，6 i i 表示k r o n e c k e r 符号( 即i - j 时，8 i j = l ；其余情况6 i j = o ) 。 同时，湍流能量k 和湍流粘性系数m 用下式表示： 七兰u i i 2 弘，：无! 笸 用湍流能量k 和湍流耗散率表述输运方程如下： ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 第二章跨座式单轨车辆外流场仿真模拟 1 5 去丢c 届聃毒b k 一詈毒 - 蚶p + 吒卜阵一詈( p t 詈诎 詈饥 ( 2 1 5 ) 老鲁c 翩+ 毒陋i t e f fo ) = c 。詈卜p 一詈( p t 詈+ p k 剖+ c 。詈i - t t p b - c t 2 p 譬+ c 硼等+ c e - 洳6 ， 式中， 盯2 + z - ( 2 1 7 ) 考 俨苦吉詈 肾上t t t 面生o x j 睁等+ 孛纠 亿2 。， 对于层流模型，= o 常数的数值列于下表： i c i l o ko o ho hc 1 c 暑2 c d c 暑4 1 0 0 91 01 2 20 90 91 4 41 9 20 0 0 r1 4 4- 0 - 3 3 当p b o 时，c e 3 = 1 4 4 ；其他的情况，c e 3 = 0 。 标准r s 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 r 一占模型 在形式上，r n g c s 模型的湍动能方程和湍流耗散率方程与标准t 一占模 型相似。 r n gk - 模型，同样使用湍流能量k 和能量耗散率作为其基本的统计量。 r a y 蹦d s 应力使用湍流能量，能量耗散率及湍流粘性系数用下面的公式表示： 一一=29,si-puiuj 2 zs i j 弘k 一 一 詈。孑+ d 陬 1 6 第二章跨座式单轨车辆外流场仿真模拟 p u ；h = 一石z , 瓦a h = ? = f 咖。 舢j m m 一苟i 这里，6 i j 表示k r o n e c k c r 符号。 同时，湍流能量k 和湍流粘性系数m 用下式表示： 1 7 - k 暑生堕 2 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 肛，：无三丛 ( 2 2 5 ) 用湍流能量k 和湍流耗散率表述输运方程如下： 去昙c 廊，+ 毒( 厩七一等考) = 纵尸+ b ，一胪一吾i 等+ 肚) 等 ( 2 2 6 ) 去昙c 菇，+ 毒( 厩占一等考 - c 。詈 咿一；( p 。等+ p k 等 + c 。乱一c 却t 2 - 妒e 酉加i 一 式中， 常数的数值列于下表： ，7 暑s 生 _ - - - - ( 2 s # $ 9 ) 1 坨 p _ 2 考 昂基一旦土挈 o h lp 呶i c i i t l 3 ( 1 - l q r l o ) p 2 1 + p t l 3 k ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) l c 。 ok o ohom c 。1c 。2 c 。3c 。4编岱 0 0 8 5o 7 1 9o 7 1 9 0 90 91 4 21 6 80 0o r1 4 2 *- 0 3 8 74 3 80 0 1 2 当p b 0 时，c = 1 4 2 ；其他的情况，c = 0 。 与标准r 一占模型比较，r n g k 一g 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 第二章跨座式单