（车辆工程专业论文）流线型地铁列车车头设计及其气动性能分析.pdf

流线型地铁车头设计及其气动性能分析 研究生：周立导师：张建润 东南大学机械工程系 摘要 现代地铁经过了一个多世纪的发展，如今已经相当的完善，它已成为目前世界上各大城市用于缓 解城市交通压力的一个最为重要的手段。越来越多的城市把地铁当作自己的城市名片，地铁列车的外 形设计开始受到人们的重视于是，外观光滑流畅且极富现代感、时尚感的流线型车体开始成为地铁 列车外形的首选同时，随着地铁逐渐向城市郊县延伸，提速已成为必然趋势，且人们对城市环境的 要求也越来越高，改善地铁列车运行时的气动效应开始成为地铁技术发展的一个重要方向本文的研 究目的就是提出既美观实用又具有良好气动性能的流线型地铁列车车头设计方案，具体工作分为以下 几个方面： ( 1 ) 提出并建立地铁列车车头造型及其改进方案的计算模型，运用列车空气动力学原理并借助流体分 析软件c f x 对计算模型进行仿真计算 ( 2 ) 根据计算结果分析比较各模型的外流场、压力场的分布以及各气动性能参数的不同，得出具有良 好气动性能的车头外形设计参数，并分析出不同外形、不同工况下车头气动参数的关系，为地铁列车 外形设计提供了理论基础。 ( 3 ) 基于上述理论分析，运用造型设计原理和列车气动设计指标，结合城市特点提出若干不同风格的 列车车头流线型造型设计方案。 关键词：地铁列车、外形设计、流线型、列车空气动力学、数值仿真、气动性能 s t r e a m l i n e dd e s i g na n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o no f a e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f m e t r ot r a i nh e a d z h o ul i z h a n gj i a n - r u n s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t m o d e mm c q r oh a sb e e nd e v e l o p e dl - a t h 自l p e r f e c a yi nt h ep a s t1 0 0y e a r s i ti j d 7 o m e st h em o s ti m p o r t a n t w a y t oa l l e v i a t et h e 仃墒cp r e s s u r e mt h eb i gc i t i e sa f o t m dw o r l d i nm o s tc i t i e s i ti st h es y m b o lo fac i t y t h e r e f o r e ，t h em e m f ot r a i nc o l l t o l l rd e s i g n , w i t hs t r e a m l i n e d , s m o o t h 雄l p i 瑚a n de x t r e m e l yr i c hm o d e r n f e e l i n g b e g i n st oa t t r a c tp e o p l e sa t t e n t i o n a tt h es m ct i m e , w i t ht h eg r a d l i a l l ye x t e n s i o no fs u b w a yt ot h e s u b u r b a nc o u n t i e s , t h em e t r oh a st om e e ta ni n e v i t a b l et r e n dt oi n c r e a s ei t ss p e e d a n dw i t ht h eh i g h e r r e q u i r e m e n t st ot h eu r b a ne n v i r o n m e n t , 8 1 1i m p o r t a n tf i c 坩o fm e l l ot e c h n i q u ed e v e l o p m e n ti st ds o l v et h e a e r o d y n a m i ce f f e c to ft h er u n n i n gm e t r ot r a i n i nt h i st h e s i st h es t r e a m l i n e dm e l a ot r a i nh e a dd e s i g nw h i c h a r eb o t h 缸a r t i s t i ca n dg o o da e r o d y n a m i cc h a r a c l e r i s f i c _ i sp r o p o s e d t i l ef o l l o w i n ge f f o r t sa r ep r e s e n t e di n t h i st h e s i s ： ( 1 ) c o m p u t a t i o nm o d e lo fc o n t o u rd e s i g na n di t si m p r o v e m e n tm e s t a b l i s h e d t h en t m a e r i c a ls i m u l a t i o nt o t h e s em o d e l su s i n gt h et h e o r yo f t r a i na e r o d y n a m i c sa n dc o m p u t a t i o n a lf l u i d sd y n m n i c ss o f t w a r ec a l l e dc f x a 聆c 删e d 鲫t ( 2 ) a c 柑i n gt ot h ea b o v er e s u l t , t h ed i f f e r e n c eo ft h ed i s t r i b u t i n go ff l o wo u t f i e l d , p r e s s m ef i e l da n dt h e a e r o a y m m i cp a r a m e t e r sa m o n gt h e s em o d e l sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d t h ep r o p e rp a r a m e t e r so f c o n t o u r d e s i g no f s t r e a m l i n e dt r a i nh e a dw e r ea c h i e v e da n ds o u l er e s u l t sa b o mt h er e l a t i o n so f d i f f e m n tc o u t o u l 5a n d d i f f e r e n t 嘶l 培s t a t e sw e 撑a c q u i r e d t l l e yp r o v i d et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to fm e t r o w a i nc a m l t o t l rd e s i g n ( 3 ) b a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i sa b o v e ，t h r e es t r e a m l i n e dt r a i nh e a d sc h a 均西盯i 盟dt h ec i t yw i t hm a n y d i f f e r e n ts t y l e sm p r e s e n t e da c c o r d i n g t ot h ep r i n c i p l e so f m o d e l i n gd e s i g na n da e r o d y r m m i , ：d e s i g n k t y w o r d s ：m e t r ot r a i n , c o n t o u rd e s i g n , 瓯n 锄i i l l 融a e r o d y n a m i c so ft r a i n , 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 cc h a r a c t e r i 鲥c s 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：i 至l 童日期：旦l 三- 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： f 虱垂导师签名：；越日期：卫址 第一章绪论 1 课题提出背景和研究意义 第一章绪论 自从1 8 6 3 年1 月t o 日世界上第一条地铁在伦敦诞生，地铁的发展已经经历了一个多世纪。如今， 它已成为世界上各大城市用于缓解城市交通压力的一个最为重要的手段1 1 】瑚。随着地铁列车功能的不 断完善以及人们现代审美观的要求，地铁列车的外形设计开始被提出，现代地铁列车的外形应是在保 证安全的前提下，气动性能、结构强度和工业造型的完善统一。 i 1 1 列车造型的发展 随着工业的发展。科技的进步。人们对产品的要求已不仅仅局限于功能的满足，于是工业设计这 一新兴学科由此产生并兴起。所谓工业设计，它是工业产品的技术功能设计和美学设计的结合与统一， 是设计者根据人的需要、当代科技知识、时代精神和美学艺术对产品进行的造型例直观的说就是为 产品塑造一个全新的面孔，使其既能满足功能需求又符合大众审美观。列车作为工业产品其造型设计 同样也越来越受到重视，上世纪六十年代以来，日本及西方发达国家相继开发出列车新产品，在列车 造型方面的竞争相当激烈，列车造型的设计手段、制作工艺，试验设备以及材料科学等方面得到了飞 速发展，这些新技术、新工艺、新材料的开发运用，为列车造型的突破性发展提供了物质基础川 随着列车速度的提高。列车造型的发展主要围绕空气动力学应用，车身结构整体化、轻量化和机 构优化等方面展开要使列车具有良好的气动性能就必须使列车造型向外形光滑的流线体方向发展。 流线型设计是近代出现的一种工业造型理念，因为这种设计具有良好的气动外形，在二十世纪机械时 代被看作是速度、精密和效率的象征，广泛用于飞机，汽车、轮船的外形设计同样，随着列车的不 断提速，列车外形也必须符合其高速化形象，因此，列车外形设计必须突破传统工艺的束缚，使车身 具有流线型的外形，给人以速度感和美的享受。 目前，具有良好气动性能的流线型车头设计多用于高速列车造型，地铁车辆由于其短站距的特点 使得其最高运行速度限制在8 0 - 9 0 k m h ，这样空气阻力的影响并不占首要地位。再加上流线型曲面造 型在设计方法、加工工艺和材料性能上都有很高的要求，因此，一直以来地铁车头的造型多采用造型 简单的“四方”钝头型设计但地铁作为运行于城市中的快捷交通工具，其造型和外观设计必须体现 城市的现代化并符合大众的审美要求。因此，外观光滑流畅的流线型车体也逐渐成为地铁列车造型的 发展趋势。 工业造型设计在我国的发展不过十来年的时间，列车造型设计更是h i j h t j 起步，虽然直接引进国外 先进技术、先进产品使我们少走了很多弯路，但代价也是昂贵的【，j 。因此，本课题对于开发具有自主 知识产权的产品具有深远意义。 1 1 2 列车空气动力学的兴起 随着列车运行速度的不断提高，列车受到的空气阻力不断增大，当列车时速达到2 5 0 - 3 0 0 k m 时， 空气阻力占总阻力的7 5 以i - m ，而且一些在列车低速行驶时被忽略的空气动力学问题如噪音、振动、 交叉阻力等也变得不可忽视。因此，为实现高速列车的安全、舒适、降低能耗并满足环境保护的要求， 东南大学硕士学位论文 世界各国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一列车空气动 力学i ”列车空气动力学的研究对象主要是列车的空气阻力、压力波、列车风、会车压力波、隧道微 气压波以及气动噪声等等，这些方面的性能参数都是发展高速列车所必需的 虽然本课题的研究对象地铁列车算不上高速列车，但是，一方面，作为在城市中运行的交通 工具，应将其行驶过程中对周围环境造成的影响降到最低程度，较好的气动性能能有效地降低地铁进 出隧道产生的空气压力变化、气动噪声等对周围环境的影响；另一方面，地铁的发展趋势是逐渐向城 郊延伸，成为连接大城市和郊区甚至是周边小城镇的主要交通工具，这样地铁出城后就可改明线运行， 而且郊区站距较长，地铁可相应提高行驶速度，因此，我们研究地铁列车的气动性能也是为地铁的提 速做准备。因此，对地铁列车进行空气动力学研究同样很重要。目前日本及西方发达国家在列车空气 动力学方面的研究已相当成熟，虽然国内这方面的研究起步较晚，但近几年发展速度也很迅速，特别 是数值模拟技术的兴起促进了实验研究和理论分析方法的发展 1 1 3 数值模拟技术的发展 研究列车空气动力学有试验和数值模拟两种方法，试验方法就是传统的风洞、水洞试验和实车试 验等，这些都是传统有效的方法，但是，他们都具有投资大，试验周期长等缺点。随着计算机技术的 发展而兴起的数值模拟方法为列车空气动力学的研究开辟了新的途径数值模拟是采用数值计算的方 法，通过计算机求解相应的数学方程组，研究列车流场的流体运动特性，给出流体规律。为列车车身 设计提供科学依据。数值模拟非常适用于在设计初期对大量的外形设计方案进行分析，从而确定方案 的可行性。在列车车头的造型阶段，可采用数值模拟分析与计算机辅助造型设计交叉进行，对列车空 气动力特性进行预测、分析和优化，为列车车头的选型和造型提供依据1 7 j 这种数值模拟方法与实验方法相比，具有可预先研究、不受条件限制、投资少、见效快等特点， 但它也不能替代试验，应将这两种技术作为一个整体来考虑，通过数值模拟的理论分析，了解作用于 列车上的空气动力的变化规律及其影响因素，并将它与实际试验结果相比较修正。由于数值分析的方 法投资少、见效快。因此数值模拟技术的兴起大大加快了列车空气动力学的发展嗍哪，也为我国在这 方面赶超国外先进水平创造了条件 1 2 列车空气动力学研究发展状况 列车空气动力学是提高列车气动性能的一门基础学科对于空气动力学的研究最早出现在航空航 天、汽车等领域，目前这些领域的空气动力学理论已经相当的成熟完善了但是，列车作为在地面高 速运行的长而大的物体，由于受地面影响以及其细长外形结构的影响，它的外流场与飞行器和汽车的 外流场有很大的不同，而且由于列车与飞机、汽车等行驶环境不同，我们对它们外流场的要求也各有 不同，因此很有必要对列车空气动力学进行专门的研究。 1 2 1 国外列车空气动力学发展状况 列车空气动力学的研究兴起于二十世纪中期。早在1 9 6 4 年日本的东海道新干线就已达到2 1 0 k m 的时速，空气阻力成为影响列车运行性能的一个显著的因素，于是列车空气动力学的研究开始受到重 视，当时日本的原口朝茂就是较早研究列车空气阻力的学者之一，他在年代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l i o l 。 2 第一章绪论 德国航空和宇宙飞行研究试验局从理论和实验上对高速列车的车头形状进行了研究，提出列车外 流场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，并分析比较了它们之间的关 系这些成果对于列车车头形状的选型具有很高的指导作用。与此同时，一些欧美学者也开始致力于 隧道中列车空气阻力的研究，在解析计算和数值计算这两个方面取得了较大的发展，但未能建立起隧 道中列车车头形状与空气阻力之间的关系 要想准确地研究列车的空气动力学状况，除了深入的理论研究外，实验手段必不可少。例如，维 也纳的s g p 交_ 通技术公司在理论研究的基础上对比例为1 ：2 0 的模型进行了风洞试验，通过这个试验 技术人员就能在结构和外形设计初期非常准确地弄清列车外形与外流场气动性能的关系。能模拟出所 有的重要运转状况。在充分了解列车空气动力学状态的基础上，s g p 公司充分利用列车运行时产生的 列车风，使得列车运行时的噪声水平有所下降。并通过改善列车运行时的外流场减少空气阻力，使得 能源消耗得以明显的改善。目前，通过改善列车外流场的气动性能来降低噪声和减少能源消耗也成为 列车空气动力学的一个主要的发展方向 1 2 2 国内列车空气动力学发展状况 我国在列车空气动力学方面的研究起步较晚，上世纪九十年代初才正式开始，起初主要是进行试 车试验和风洞试验，随着数值仿真技术的兴起，虽然目前这方面的技术仍落后于世界先进水平，但近 几年也取得了飞快的发展，与国外的差距正逐渐缩小i l l “ 自九十年代初以来，中南大学高速列车研究中心联合我国航天航空技术力量，以改善列车空气动 力性能为起点，创建了一套从列车空气动力性能分析到列车启动外形、结构设计及头部骨架粱件数控 加工等具有自主知识产权的产品研制方法这一科研成果目前已用于解决我国列车高速运行时出现的 一系列空气动力学问题，并解决了一些流线型列车设计、制造中遇到的难题 列车在隧道中运行时的外流场要比明线上运行时复杂很多，对于隧道中高速运行的列车空气动力 性能的分析一向是列车空气动力学的难点四j | i 联合高速水力学国家重点实验室对此进行了深入的研 究，提出了具有一定细长比的流线型高速列车车头在隧道中行驶时的沿程摩阻损失和局部摩阻损失的 简化计算公式，并给出了隧道中列车头部空气阻力的简化计算方法，为列车车头选型和隧道中列车空 气阻力的计算提供了依据。 在列车空气动力学的发展过程中，数值仿真始终应该作为科学研究的核心方法中国铁道研究所 主要应用s t a r c d 流体分析软件对列车外流场进行仿真计算，共采用了六种计算模型，并对计算结果 进行了比较，得出了一些很有价值的结论i l ” 1 3 本文研究内容与主要成果 本文课题来源是江苏省十五重大科技攻关项目“模块化铝合金地铁车体开发”，根据国内外地铁列 车车头造型和列车空气动力学研究发展现状，结合南京的城市特点，提出既美观又具有南京城市特色 的流线型地铁列车车头的设计方案，并对设计方案进行空气动力性能分析优化，最终使设计出的地铁 车头在具有美观的流线型外观的同时还符合空气动力学标准。具体主要进行以下几个方面的研究： ( 1 ) 根据列车气动设计指标提出若干地铁列车车头方案，并选用曲面建模功能较为强大且与分析 软件有很好的兼容性的c a d 软件u g 建立设计方案的简化模型这类模型主要表现方案的流线型轮 廓，以便于对方案的空气动力性能进行分析优化，加上计算条件的限制，因此未考虑列车的细部特征。 ( 2 ) 对计算模型进行有限元网格划分，网格模型的建立除要考虑模型本身的结构特点还要结合列 3 东南大学硕士学位论文 车外流场的特性，以保证数值仿真的精确性。 ( 3 ) 使用流体分析软件c f x 对网格模型进行特定工况下的外流场的分析c f x 是全球第一个在 复杂几何、网格、求解这三个传统瓶颈问题上均取得重大突破的商业c f d 软件，和大多数c f d 软件 不同的是。c f x 采用了基于有限元的有限体积法，在保证有限体积法的守恒特性的基础上，吸收了有 限元法的数值精确性。c f x 也是全球第一个发展和使用全隐式多网格耦合求解技术的商业软件。这种 革命性的求解技术克服了传统算法需要。假设压力项求解修正压力项”的反复迭代过程，而 是同时求解动量方程和连续性方程，加上其采用的多网格技术，c f x 的计算速度和稳定性较传统方法 提高了1 2 个数量级，更重要的是，c f x 的求解器获得了对并行计算最有利的几乎线形的“计算时间 网格数量”求解性能，这使工程技术人员第一次敢于计算大型工程的真实流动问题另外，c f ) ( 在湍流模型的应用上也一直是业界领先的，这也是本课题选择这个软件对列车外流场进行数值仿真的 主要原因 ( 4 ) 对模型的仿真结果进行计算分析，对计算出的这些模型的气动参数进行比较分析，并得出一 些有参考价值的结论，为以后地铁列车外观造型设计的进一步发展做准备。 ( 5 ) 运用工业设计理论，结合列车模型外流场分析结果提出若干既具良好气动性能又符合美学、 工艺学，心理学等要求的流线型地铁列车车头设计方案，由于该项目主要开发对象是运行于南京的地 铁车辆，因此，提出的设计方案还必须与南京的建筑风格和人文景观相协调搭配 ( 6 ) 使用r h i n o 造型设计软件建立设计方案的三维实体模型。r h i n o 是美国r o b e r t m c n e e l & a s s o c i a t e s 公司开发的在p c 机上功能强大的专业3 d 造型软件，是一套专为工业产品及场景 设计师所开发的概念设计与模型建构工具，同时它也是一套将n u r b s 曲面模型建构技术的强大功能 引进w m d o w s 操作系统的软件和大多数模型建构程序不一样，r h i n o 所建构的模型是不受限制的， 它将传统c a d 的精确性与以曲线( s p l i n e ) 为基础的模型建构技术进行了完美的结合，其所构建出的 对象是平顺的n u r b s 曲线和曲面，而非直线的区域或多边形的网格面。因此，能很精确的建构人们 所想要的造型，而且操作起来也很方便。 1 4 论文结构 本文共分六章，除本章对研究背景、动机和主要工作进行概述外，其余各章组织如下： 第2 章介绍了列车空气动力学基本原理，给出了列车外流场的物理描述，介绍了几个主要的列车 空气动力特性。 第3 章介绍了外流场数值仿真的理论基础，即理论流体力学和计算流体力学，描述了列车外流场 特性及几个常用的湍流模型，并介绍了现代计算流体力学中常用的计算方法 第4 章提出并建立地铁列车车头造型及其改进方案的计算模型，运用列车空气动力学原理并借助 流体分析软件c f 】( 对计算模型进行仿真计算。根据计算结果分析出不同外形，不同工况下车头气动参 数的关系，为地铁列车外形设计提供了理论基础。 第5 章运用造型设计原理和列车气动设计指标，结合城市特点提出若干不同风格的列车车头流线 型造型设计方案。 第6 章简要总结本文的主要贡献，并阐述了对后续工作的一些设想 4 第二章列车空气动力学基本原理 第二章列车空气动力学基本原理 列车空气动力学研究范围很广，它包括空气阻力、压力波、列车风、隧道口微气压波、长大隧道 的通风传热、气动噪声及受电弓的气动性能等等对这些气动性能进行研究的主要目的就是对列车车 体外壳进行最优化选择设计，以便降低空气阻力，并且达到其它气动力和力矩的适当组合。以保证安 全运营及良好的运营质量，同时最大限度的减少对环境的不利影响。其中空气阻力和压力波是目前高 速列车空气动力学研究比较重视的两个方面，也是对列车行驶性能影响最为明显的两个方面本课题 的研究对象是地铁列车，前面已经介绍过，地铁列车由于它的行驶速度相对较低，空气阻力对地铁运 行时的影响并不很大，因此，本课题主要是以列车空气动力学原理为理论基础，结合地铁列车的实际 运行状况对外流场的分布进行研究优化。本章将简要介绍列车空气动力学各主要研究方向的基本原理。 列车在明线上行驶时外流场的分布情况是一个最基本的状态，也是列车空气动力学研究的基础问 题，对于列车在隧道中、隧道口、高架桥上等特殊环境中的气动性能研究都是基于这一基本状态下的 研究成果展开的虽然地铁列车大多是在隧道中运行，但是由于明线上具有良好的气动性能是隧道中 行驶时气动性能改进的前提，因此，对地铁列车明线上行驶时的气动性能进行分析优化至关重要 2 1 列车外流场的物理描述 这里对列车外流场的描述以明线上行驶时的状况为例。图2 - 1 给出了列车行驶时外部气流的三个 区域，即挤压区，摩擦区和尾流区1 1 4 1 秭 窳卿致 国 图2 1 列车外流场简图 c a ) 头部( b ) 尾部( c ) 边界层及涡流( d ) 尾流层中纵向涡流 ( 1 ) 挤压区 列车运行时，由于空气惯性引起车头前面的空气堆积，静压升高，在接近列车头部时，空气向列 车头部两侧分流，产生一个很快的气流运动，空气压力的势能转化为动能。静压快速降低而形成局部 低压，因此，在列车头部形成一个压力波和吸入波。这个压力波和吸入波的大小与列车车头的形状、 列车下部的空间结构和列车速度有关 ( 2 ) 摩擦区 5 东南大学硕士学位论文 由图中可以看出摩擦区分布在除车头和车尾附近的大部分车身长度上这部分气流较为平稳，在 摩擦区和挤压区之间有一小段气流分离区，越过这个分离区后气流重新附着在列车上，建立起一个边 界层这个边界层沿列车长度方向逐渐加厚并随列车一起运动 ( 3 ) 尾流区 列车行驶过去后，原来所占的空问突然空出，形成很大的负压，周围的空气会被吸入，引起空气 的快速运动，在车尾形成很强的低压波( 涡流) 。这种很强的涡流运动在列车驶过以后一段时间仍能感 受到 2 2 列车空气动力学的主要研究方向 2 2 1 列车的空气阻力 列车在行驶过程中的阻力分为两个方面，空气阻力和行驶阻力行驶阻力，也即机械阻力，包括 普坡度阻力，加速度阻力和滚动阻力。空气阻力和速度的平方成正比，行驶阻力则和速度成正比i l ，1 当列车低速行驶时，行驶阻力占首要位置，空气阻力对列车行驶的影响不大。但随着列车速度的提高， 列车的空气阻力也随之快速增加，根据国外学者研究，当列车速度为1 6 0 k m h 时，空气阻力占总运行 阻力的6 0 ，时速为2 0 0 k m 时，占7 5 以上，当时速达到3 0 0 k i n 时，空气阻力所占比例将高达 8 0 0 , 卜9 0 1 1 6 1 。因此，基于空气阻力与列车行驶速度的这一关系，减少空气阻力对于列车提速和节能都 有重要意义。要降低列车空气阻力，我们首先要了解引起空气阻力的物理原因，它主要包括三个方面： 头部及尾部压力差所引起的阻力，即压差阻力；由于空气粘性而引起的作用于车体表面的剪切应力所 形成的阻力，即摩擦阻力；干扰车辆表面光顺性的突出物( 如车灯、手柄、转向架、车厢间的间隙、 车底及顶部设备等) 所引起的阻力，即干扰阻力这三个方面都与列车外形的光顺流畅程度有关，若 能保证车头车尾导流平滑，车身光滑无明显突出物就能有效降低列车的空气阻力l l ” 2 2 2 压力波 压力波是指列车通过时短时间连续出现的一个压力最大值和一个压力最低值，其压力差的大小 c j = c ；默一c k 小，即压力波的波幅，除了取决于到气流冲击的障碍物的侧面间隔距离，还取决 于列车头部的形状，同波幅c j 一样重要的是压力最大和最小值之间变化的最大梯度 ( ：量大= u ：量大，该梯度表示气流冲击的表面动载荷的程度p 1 “ 列车交汇时以及列车在隧道里穿行时产生的压力波都会给乘客带来不适感。当列车会车时，受到 对方列车头部和尾部通过时所引起的压力冲击作用，由于车体结构不可能做到完全密封，因此车外空 气压力的变化必然会引起车厢内空气压力的变化，引起旅客耳膜压力突然变化，造成不适1 1 6 j 。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，会车压力波是确定轨道线间 距的主要考虑因素。图2 - 2 给出了三种不同车头的会车压力波峰值i ”，由图可见，钝形车头的列车其 列车侧壁的压力波比流线型车头的大很多 6 第二章列车空气动力学基本原理 压1 0 力 浚m 8 莉 系0 6 致 矗磊o _ 琥2 口 扣l 八 ， x - , o 卢。一j f ， z 厶 _ 遵 j ， 、x乡 j_ 伊 f 。一_ ， 钞 】，a 一 ! l 1 zr -一 d i l l l 文 0 1 02 03 04 05 0 6 0 规测牟鞲与遵过车辆之澜距x 图2 - 2 三种不同车头的会车压力波峰值 同样，列车在通过隧道时，由于隧道壁对空气的限制，发生空气动力学现象的强度比明线环境下 强烈得多，这时列车在隧道中行驶就像活塞在气缸中高速运动一样，使列车周围的空气处于瞬变状态 被列车车头推开的空气被追在隧道中高速运动，大量空气被推向前方，少量的空气通过列车及隧道壁 的闻隙流向列车后方，形成空气压力波1 1 6 1 被推向前的压力波在到达隧道出口时会形成向外放射的脉 冲状的压力波，称为隧道微气压波，这种压力波很大时会产生音爆声，影响隧道口附近的环境。研究 表呼1 砷1 1 9 1 1 2 e j ，减小到达隧道出口前的压力波的压力梯度就可有效降低隧道微气压波。要达到这个要求， 列车外形必须满足以下几点要求： ( 1 ) 减少车辆最大横截面积 ( 2 ) 采用较大的列车头部 ( 3 ) 采用有效的列车头部形状 根据以上三点选择的车头应具有以下特点：头部最前端面较平，头部的横截面积往后逐渐增大， 其中头部后段的横截面积近似线性增加当然，我们在选择列车车头时还必须结合其他气动性能指标， 综合考虑寻求有效的列车形状，是整个列车空气动力学的研究目的。 2 2 3 列车风 列车运行时会带动周围的空气随之一起运动，形成列车风。事实上，列车风其实就是列车外的人 对压力波的感受形式。 列车风对站台上的旅客和工作人员产生的气动力是很危险的，一般来说，离列车越近，列车风的 气动力越强，对人的危害也就越大图2 - 3 所示就是列车在离轨道中心3 5 m ，离轨面高2 m 处的列车 风，图中纵坐标为列车风速v 。与列车速度的比值。由图可见，当列车逐渐接近观测点时列车风逐渐 增大。最大峰值出现在车头略过观测点之后。列车风会随着轨道中心距离的增加成负指数函数减小， 对人员而吉，最大的列车风速不能超过1 7 m s ，研究表明，对于时速为2 0 0 k m 的列车而言，在轨面上 方0 8 1 4 m ，距列车1 7 5 m 处的列车风能达到这个速度，因此，站台上的人员要尽量远离列车轨道。列 车尾部通过时会产生更为强劲的列车风，但是由于这时列车已经离去，其危险性要较车头弱川。 7 东南大学硕士学位论文 k 、 0 i 、 y - 3 5 曲 、 o 咖、 _ _ ， 2 2 4 气动噪声 率头鬻测点级向距鬻蕈o 崎 图2 - 3 列车风 影响列车运行质量的除了空气阻力和压力波，还有列车行驶时的气动噪声，它的大小也由列车车 头形状决定因此，在选择列车车头时，必须考虑气动噪声研究表明，在列车车头侧墙上。局部的 超声速不能超过气流速度的2 0 ，尤其是在侧墙范围内有产生阻力的突出物时，更不能超过这个值 因此，选择车头外形时，应选择能更好的满足空气声学要求的列车车头 列车空气动力学特性除了以上谈到的几个方面，还包括侧向风的气动力、舒适度与气动力的关系 等等，也包括一些综合现象本文主要根据地铁列车特殊的运行情况，结合前人对高速列车外流场的 描述，对地铁列车外流场进行分析，在保持原有造型设计思想的基础上对设计方案进行改进。 2 3 小结 这一章我们给出了列车外流场的物理描述，介绍了几个主要的列车空气动力特性。通过理论计算、 数值模拟及风洞试验等手段，我们对于列车外形与这些特性之间关系的研究已经取得了一些成果，得 出列车外形设计的大多数必要的设计准则：细长的头部和尾部；平滑的车体表面：车底和车项设备流 线型的外罩以及转向架裙摆等。本文流线型地铁列车车头的设计方案正是基于这几点设计准则提出的 8 第三章流场数值仿真的理论基础 第三章流场数值仿真的理论基础 与别的c f d 软件相比。c f x 具有更精确、更稳定、更快速的求解特性，因此本文选择c f x 对列 车车头模型的外流场进行仿真分析。所有流体仿真软件都是以理论流体力学和计算流体力学为基础的， 本章将简要介绍这两个方面。 3 1 理论流体力学理论基础 经典流体力学的基础早在1 9 世纪末就已经形成，2 0 世纪以来。随着航空事业的迅速发展，空气 动力学在流体力学的基础上逐渐发展成为一个独立的分支。到了2 0 世纪中叶，随着列车的提速。列车 的空气动力性能开始受到重视，并且由于列车近地面运行的特点以及列车长而大的外形特点，使得列 车空气动力学也逐渐从以航空问题为研究对象的空气动力学中分离独立出来。但无论是空气动力学还 是列车空气动力学，其理论基础仍是理论流体力学，都属于流体力学范畴，这里我们就先从理论流体 力学的角度介绍列车空气动力学的基础理论 3 1 1 列车外流场特性 列车外流场的空气流态主要可以分为两种：层流和湍流当流体流经物体表面，流线很平顺时， 各层之间层次分明，互不影响，我们称这种流动为层流；所谓湍流，目前并无确切的定义，大量实验 观测表明，当流体流动的某特征雷诺数达到一定程度时，流体流动的状态会由流体微团之间层次分 明、互不混合的平滑运动的层流状态向流体微团之间剧烈掺混、杂乱无章的运动状态过渡，并逐渐形 成无数大小形状不规则且不断变化的三维旋转涡团1 2 1 1 ，通常就称这种流态为湍流，也称紊流。通常层 流和湍流这两个流态会同时存在于一个流场中另外，根据流体粘性的影响作用，又可将列车外流场 分为内外两层：粘性层和无粘层一般流体粘性的影响只在靠近物面较薄的一个流层中起作用，在这 个薄层中流体流速从零迅速增加到与来流速度相同数量级，流体力学中将这个薄层称为边界层在边 界层内，流体沿物体表面法线方向的速度梯度很大，即使粘性很小的流体也表现出较大的不可忽视的 粘滞力；在边界层外，速度梯度很小，即使粘性较大的流体也表现出很小的粘滞力，因此，通常将它 作为无粘流来处理嗍。 在不可压缩定常流动的绕流场中，流体流经物体表面时，开始的一段距离内包括边界层在内的流 态都是层流，当层流边界层发展到一定程度，即流过一段距离王，后流层开始紊乱，当到达距离靠处 时流动破碎产生大量小尺度涡，涡是湍流的一种基本结构，这样流态就转捩为完全湍流，这里。称工。 到b 的过程为湍流转捩过程。由于转捩过程的复杂性，目前虽然对简单流的转捩过程有了很多的认识， 但是没有统一的转捩的理论，且对于转捩过程至今尚没有较为普遍的工程计算方法，只有t c e b e c i ( 1 9 8 0 ) 提出的工程计算方法对机翼的计算较为有效。但它也需要大量的经验输入，同样缺少一般性 因此，目前商业上采用的通用c f d 方法往往完全忽略转捩【2 3 l ，流动分类要么是层流，要么就是完全 湍流，即b 处就是层流向湍流过渡的转折点。边界层由层流转化为湍流的条件可以由i 临界雷诺数来 9 东南大学硕士学位论文 判别，临界雷诺数的定义式如下： r e ，= 竽 这里，表征几何特征长度的是边界层中的层流距离b ，速度取来流速度，为流体的运动粘性系 数。对于平板绕流场而言，r e 。* 5 x 1 0 5 刚。 因此，通常我们用雷诺数的大小来判别流场的流动特性，对于列车，雷诺数的定义式如下： r e 。：! 丛 v 这里，代表列车行驶速度，代表列车的特征长度，雷诺数r 唧就是流体运动粘性系数、列车的车 速及其特征长度的函数。 对于本文研究对象地铁列车，选择其最小行驶速度为8 0 k m h 2 2 2 m s ，特征长度取本文列车模型 总长3 7 m ，运动粘性系数取l g l o - 埘2 在，计算得到雷诺数r e ，= 4 5 6 x 1 0 7 ，此值远高于外流场i 临 界雷诺数。即流场边界层中只有约百分之一的距离为层流，大部分为湍流，因此，本文计算模型将选 用湍流模型 3 1 2 流体力学的基本方程 对于不可压缩流体，其基本方程如下： ( 1 ) 连续性方程( 质量守恒方程) v y = 0 其直角坐标系形式为： 丝+ 鱼+ 坐：o 苏却出 ( 2 ) 运动方程( 动量守恒方程) 不可压缩粘性流体的n a v i e r - s t o k c s 方程( 简称n - s 方程) p 瓦d v = , o f 一砌+ 肚，p 瓦2 。p 她v 其直角坐标系形式为： p 罢= 以一罢州窘+ 雾+ p 瓦2 以一言+ 【丽+ 萨+ 拶 p 告= 鹤一考+ 謦+ 雾+ p 鲁= 以一老+ e 芬+ ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) ( 3 - 6 ) 第三章流场数值仿真的理论基础 p 昙 + 争= 矿v + v - ( 【f 】d 冉( x v t ) + 仞 ( 3 - 7 ) ( 4 ) 本构方程 不可压缩牛顿型流体的本构方程 弓= 一鹏+ 2 z s f ( 3 - 8 其直角坐标系形式为： 圪= - p + 2 z 罢( 3 - 9 ) m p r y = - p + 2 1 z 考 3 - l o ) 艺= 一p + 劲瓦a w ( 3 一1 1 ) 岛= & 刊等+ 争 俘脚 & = 易= ( 鲁+ 争 c 。郴， 匕= 足= 岸+ 当 ( 3 1 4 ) 院o x 以上各式中，p 为应力张量，p 为热力学压强，为运动粘性系数，岛为应变率张量，磊为 二阶单位张量，当f = ，时其值为1 ，当f ，时其值为0 3 1 3 湍流运动的基本方程 当雷诺数超过某一临界值，流体在微弱扰动下就会失去层流的稳定性而过渡到一种新的流态一 湍流。雷诺在1 8 8 6 年提出用时均值概念来研究湍流运动，基本方程中任一瞬时物理量都可以用平均物 理量和脉动物理量之和来代替。这种思想得到了大多数研究湍流的学者的认可，从而形成了目前广泛 使用的一种经典湍流理论。 对于不可压缩流体，使用时均值的概念表达其基本方程如下： ( 1 ) 连续性方程 堕：0( 3 1 5 ) a x , ( 2 ) 动量方程( 雷诺方程) 堕：o 觑 p 鲁= 两一虿a p + 毒。詈一而 ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) 东南大学硕士学位论文 ( 3 ) 涡量输运方程 ( 4 ) 能量方程 总焓方程： 譬+ i 等一瓦要= v 萼一谭+ 磋 c ，一s ， 昙厕+ 毒厕= 毒“等一厕+ 瓯( 3 - 1 9 ) 式中瓯= 害+ 毒一l ，毒渤+ 面 内能方程： p 西d e = + ；告 拳+ 瓦 ( 3 - 2 0 ) 式中，为湍流时均流的耗散函数，= 巧等；孑为湍流脉动引起的粘性耗散函数， 孑：( 当+ 皇幻誓；为时均流比内能，；：q 于 c i x 盘。功l 平均动能方程： 蛩d 1 - 2 ) = 砺一毒( _ 乡m + 呵荨+ 毒两一矗乃等 c ，之， 3 1 4 常用湍流模型 从以上时均流基本方程可知，即使在最简单的不可压缩流体湍流的连续性方程和动量方程所组成 的方程组中，4 个偏微分方程也有l o 个未知量，所以必须找到足够的补充方程。使方程组封闭。工程 上通常采用在一定程度上给出方程组中多余未知量的近似表达式来使方程组封闭，这种解法称为“模 式”理论据此，提出了多种湍流模型，c f x 提供了多种常用湍流模型：零方程湍流模型、k 一占模 型、r n g 七一占模型、七一模型、s s tk 一( - 0 模型、b s lk 一国模型和r e y n o l d ss t r e s s 模型等，关 于他们的区别和用处我们将在后面详细介绍，这里仅给出两个最基础也是应用最广泛的湍流模型公式。 ( 1 ) i 一占模型 这个模型是在方程组中引入两个新的变量k 和占，其中，k 是指湍流动能，表征的是流速的波动， 其单位是m 2 s 2 ；占是指涡流耗散率，单位是m 2 s 3 这样就在连续性方程和动量方程的基础上引入 了求解k 和占的湍流动能和耗散率的微分方程： a ( ，p k ) 卜v ( p 孤) = v c u + q v 七】+ 丑一户譬( 3 - 2 2 ) 讲 吒 第三章流场数值仿真的理论基础 挈冉( 州- v + 争v 小；旺肝e ：缪) ( ，2 3 ) a l o k 鼽h = 印等 这里，c ：，( c ：2 ，吼和a ：都是常量，其值列于表3 - 1 中最值是流体粘性和张力作用的结果， 其表达式为： 丑- - z t v u ( v u + v u 7 ) 一言v u c 3 y , v u + 肿) + 圪( 3 - 2 4 ) 其中屹就是流体的应力张量，它的求解依赖于流场模型 表3 - 1k 一占模型的参数值 i qc -e 2 吒吒 0 0 9 1 4 51 91 o 1 3 ( 2 ) k 一国模型 上面介绍的k - e 模型是一种高雷诺数的模型，它是假设流动完全湍流，因此比较适合完全湍流 的流动过程模拟k 一国模型是为考虑地雷诺数，可压缩性和剪切流传播而提出的，这个模型可以精 确地预测自由剪切流传播速率，像混合流动、平板绕流、圆柱绕流和尾流等，因此，可以应用于墙壁 束缚流动和自由剪切流动。这里国是指湍流波动频率，在k 一国模型中假设流体粘性系数与湍流动能k 和湍流频率埘的关系如下。 k “= p 一 求解七和珊的微分方程分别为： a ( = _ p k 一) 4 - v ( 压膳) ：v 【( + 4 ) v k + 最一夕口t 国( 3 - 2 5 ) 0 吒 掣+ v ( 咖v 泓+ 砻v 叫+ 口詈丑一肋2 ( 3 - 2 6 ) o l o k 其中，常量值见表3 - 2 表3 - 2k 一模型的参数值 l 口 8吒 o o 0 0 95 丹0 0 7 522 3 2 计算流体力学基础 3 2 1c