列车空气动力学问题研究综述

列车空气动力学问题研究综述

1列车空气动力学的概念自20世纪60年代日本开始建设东部海上公路以来，世界铁路的快速发展进一步了，铁路运输在经济发展中发挥了重要作用。2001年,法国建成了运营速度达300km·h-1的地中海线,将世界铁路的高速化进程又推向一个新的高潮。随运行速度提高,空气阻力等列车空气动力学问题日益受到重视。因此为实现高速铁路的安全、舒适、降低能耗并满足环境保护的要求,世界各国逐渐开展了对列车空气动力学问题的研究,并在此基础上形成了一个独立的学科——列车空气动力学。列车空气动力学问题可以分为以下几类:空气阻力;侧向风的空气动力学特性;会车时作用在列车上的气动压力;列车风;隧道内的压力波动;隧道出口微气压波;车体表面湍流边界层的压力变动。我国在此方面的研究起步较晚,90年代初才正式开始,起初主要是进行实车试验及风洞试验;数值仿真技术尽管与世界先进水平相差很大,但近几年发展速度也很迅速。2仿真计算时随机给付所需参数的确定试验研究方法(风洞试验、水洞试验、电模拟试验实车试验)和数值仿真研究方法(面元法、有限差分法、有限单元法和有限体积法)。对于列车空气动力学,与传统的试验研究方法相比数值仿真技术方法可以随时随意给定所需参数进行仿真计算,并利用计算结果选择最佳设计,从而节省人力、物力、财力,缩短产品设计周期。还有工程中遇到的反问题,诸如要求预先给定流动结果,然后通过计算来确定物面形状,而这些都是试验所无法做到的。可以说,对于解决工程问题,仿真计算可以帮助选型,减少设计费用,缩短设计周期。并且对于某些特殊问题,仿真计算还可以代替试验。因此本文采用了数值仿真方法来研究列车空气动力学问题。这其中有限体积法在列车空气动力学数值仿真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列车空气动力学数值仿真计算。3列车是一个长宽比很大的细长物体,形状比较复杂,而且近地运动,所以绕列车的空气流动是完全三维的流动。在列车尾部会出现一对很强的尾涡。通过列车外部流场的基本特征以及流场雷诺数来判断其流动的形态,可以知道列车外流场为湍流流场。k-ε双方程湍流模型在理论研究及实际应用中都已走向成熟,且得到很多比较满意的结果,特别是对外部流动的研究较多。因此本文选用k-ε双方程湍流模型来研究列车空气动力学问题。k-ε双方程湍流模型的求解方程组由以下基本方程组成:连续方程∂¯ui∂xi=0∂ui¯¯¯∂xi=0雷诺方程ρ∂¯ui∂t+ρ¯ui∂¯ui∂xj=ρ¯Fi-∂ˉp∂xi+∂∂xj(μ∂¯ui∂xj-ρ¯u′iu′j)ρ∂ui¯¯¯∂t+ρui¯¯¯∂ui¯¯¯∂xj=ρFi¯¯¯¯−∂p¯∂xi+∂∂xj(μ∂ui¯¯¯∂xj−ρu′iu′j¯¯¯¯¯¯¯¯)湍动能k方程∂k∂t+¯uj∂k∂xj=-¯u′iu′j∂¯ui∂xj-∂∂xj¯u′j(k′+p′ρ)+v∂2k∂xj∂xj-v¯∂u′i∂xj∂u′i∂xj∂k∂t+uj¯¯¯∂k∂xj=−u′iu′j¯¯¯¯¯¯¯¯∂ui¯¯¯∂xj−∂∂xju′j(k′+p′ρ)¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯+v∂2k∂xj∂xj−v∂u′i∂xj∂u′i∂xj¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯湍流耗散率ε方程∂ε∂t+¯uj∂ε∂xj=-∂∂xj(¯ε′u′j+2vρ¯∂u′j∂xl∂p′∂xl-v∂ε∂xj)-2v′¯u′j∂u′i∂xl∂2¯ui∂xj∂xl-2v∂¯ui∂xj(¯∂u′i∂xl∂u′j∂xl+¯∂u′l∂xj∂u′l∂xi)-2v¯∂u′i∂xl∂u′i∂xj∂u′j∂xl-2v¯(∂2u′i∂xj∂xl)2∂ε∂t+uj¯¯¯∂ε∂xj=−∂∂xj(ε′u′j¯¯¯¯¯¯¯+2vρ∂u′j∂xl∂p′∂xl¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯−v∂ε∂xj)−2v′u′j∂u′i∂xl¯¯¯¯¯¯¯¯¯∂2ui¯¯¯∂xj∂xl−2v∂ui¯¯¯∂xj(∂u′i∂xl∂u′j∂xl¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯+∂u′l∂xj∂u′l∂xi¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯)−2v∂u′i∂xl∂u′i∂xj∂u′j∂xl¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯−2v(∂2u′i∂xj∂xl)2¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯数值计算方法采用有限体积法中常用的SIMPLE(Semi-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquations)求解离散方程组。4临界网格间距三维流动无量纲化的N-S方程∂U∂t+∂F∂x+∂G∂y+∂Η∂z=1ReL(∂Fv∂x+∂Gv∂y+∂Ηv∂z)∂U∂t+∂F∂x+∂G∂y+∂H∂z=1ReL(∂Fv∂x+∂Gv∂y+∂Hv∂z)m阶精度的差分格式求解后,方程成为∂U∂t+∂F∂x+∂G∂y+∂Η∂z=1ReL(∂Fv∂x+∂Gv∂y+∂Ηv∂z)+Ο(Δxm‚Δym‚Δzm‚⋯)∂U∂t+∂F∂x+∂G∂y+∂H∂z=1ReL(∂Fv∂x+∂Gv∂y+∂Hv∂z)+O(Δxm‚Δym‚Δzm‚⋯)令α=lgReLlgΔx‚β=lgReLlgΔy‚γ=lgReLlgΔzα=lgReLlgΔx‚β=lgReLlgΔy‚γ=lgReLlgΔz方程经∂U∂t+∂F∂x+∂G∂y+∂Η∂z=ΔxαReLΔxα∂Fv∂x+ΔyβReLΔyβ∂Gv∂y+ΔzγReLΔzγ∂Ηv∂z+Ο(Δxm‚Δym‚Δzm‚⋯)∂U∂t+∂F∂x+∂G∂y+∂H∂z=ΔxαReLΔxα∂Fv∂x+ΔyβReLΔyβ∂Gv∂y+ΔzγReLΔzγ∂Hv∂z+O(Δxm‚Δym‚Δzm‚⋯)变换后得到最终形式:∂U∂t+∂F∂x+∂G∂y+∂Η∂z=Δxα∂Fv∂x+Δyβ∂Gv∂y+Δzγ∂Ηv∂z+Ο(Δxm‚Δym‚Δzm‚⋯)∂U∂t+∂F∂x+∂G∂y+∂H∂z=Δxα∂Fv∂x+Δyβ∂Gv∂y+Δzγ∂Hv∂z+O(Δxm‚Δym‚Δzm‚⋯)当α,β,γ分别取值小于或远小于m时,所采用的网格和差分格式才能比较正确地计入各方向的粘性贡献。因此,在α,β,γ分别取值m时,就可以得到临界网格间距值Δx*、Δy*、Δz*。lgΔx*=lgReLm‚lgΔy*=lgReLm‚lgΔz*=lgReLmlgΔx∗=lgReLm‚lgΔy∗=lgReLm‚lgΔz∗=lgReLm5确定试算分析的方法在仿真计算中,一般采取有限计算域来代替无限计算域,计算域的大小直接影响到计算结果的可信程度。但是对于不同类型计算对象,其计算域的大小不能一概而论,所以需要具体问题具体对待。本论文中的计算域的选取采取了试算分析的方法确定。在对于计算域的选取中,试算方法不失为一种有效的方法。6网格内部边界条件在列车交会和过隧道的瞬态计算中,存在计算对象之间的相对运动,利用移动网格来模拟物体之间的相对运动,可以很好地进行处理移动网格界面之间的边界条件。在移动网格的一些实际应用中,计算域的大小在计算过程中有很大变化,此时在瞬态计算中可通过单元移除或添加来解决上述问题,以保证计算域的完整性。7使用软件时需二次开发本文选用STARCD流体软件作为核心进行列车外部流场计算,但一个通用软件应用于具体专业时需要与其他程序一起使用以及进行必要的二次开发才能更好地为本专业服务。经过上述这样对STARCD软件的修正以及二次开发后,可以让工程设计人员很方便地应用该软件进行产品的前期开发和研究。8电动车组的结构为不失一般性,与实际情况相结合,选取了六种车型:DF4D,DF11,SS8,神州号,蓝箭号,270km·h-1电动车组。计算模型建立应遵循两条原则:物理的真实性、数学计算的可行性就以下几方面对列车模型进行简化:采用两动一拖模拟列车编组、简化列车表面、简化车体底部等。9纵向对称面的压力分布规律(1)对270km·h-1电动车组在横风工况下的风洞试验结果与仿真计算结果进行了比较,两者吻合很好,说明采用STARCD软件能够较好地描述和研究铁路列车空气动力学性能。分析了六个模型车身纵向对称面上的压力分布规律,从而可以定量比较流线型列车与钝头型列车的区别。(2)运营速度在120km·h-1～160km·h-1范围内的列车,若采用流线型车体,则与普通列车相比,可以使空气阻力降低70%以上,从而达到降低能耗的目的。(3)钝头型列车车头与车尾的压力差大于流线型列车头尾的压力差,且前者的高压区受力区域面积要大于后者,因此钝头型列车的头尾压差阻力比流线型列车的头尾压差阻力大得多。(4)钝头型列车总的运行空气阻力要大于流线型列车的空气阻力。要降低列车的运行空气阻力,须从优化设计列车头尾形状入手,好的流线型列车形状是降低阻力的主要有效手段。10地面压力场分布采用数值仿真方法计算分析了流线型和钝头型两类车体周围列车风基本特征:(1)以神州号动车组为代表的流线型车体周围列车风基本特征:列车风合速度在车头车尾各出现一个峰值,随距地面高度增加,尾部波动要大于头部的波动;车头附近压力场出现一个由正到负的压力波,且最大正压力出现在车头的前方;车尾附近有一个由负到正的压力波,波峰出现在列车尾端的后方。(2)以SS8列车编组为代表的钝头型车体周围列车风基本特征:列车风合速度在头部的波动要远大于尾部的波动;压力场的分布规律也验证了这一点,说明头部扰动产生的危险程度要大于尾部。通过分析列车风速度场研究分析,为确定我国铁路沿线安全距离提供了理论和科学依据。11为隧道空气动力学问题提供参考(1)采用简化模型分析了列车进入隧道到出隧道期间列车车身上的压力变化和隧道内的压力波动特征。若计算机工作能力许可,经精确计算,可为隧道净空面积和横截面形状设计时的空气动力学问题提供参考依据。(2)初步探讨了列车交会时,两列车内侧车身侧壁承受了车头车尾通过时的两次压力瞬变,但是对于两车之间流场复杂的流动机理尚未有定论。12线路外包形状(1)对流场而言,不外包形状的磁悬浮列车外部流场比外包形状的要复杂,阻力系数也有所增大,所以流线型的外包形状比较有利于列车周围气体的流动。但磁悬浮列车与线路是否外包对总的运行空气阻力的影响不大。(2)在对列车模型简化的基础上,磁悬浮列车的运行空气阻力计算结果比轮轨式列车大1