列車空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題研究綜述

1列車空氣動(dòng)力學(xué)的概念自20世紀(jì)60年代日本開(kāi)始建設(shè)東部海上公路以來(lái)，世界鐵路的快速發(fā)展進(jìn)一步了，鐵路運(yùn)輸在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。2001年,法國(guó)建成了運(yùn)營(yíng)速度達(dá)300km·h-1的地中海線,將世界鐵路的高速化進(jìn)程又推向一個(gè)新的高潮。隨運(yùn)行速度提高,空氣阻力等列車空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題日益受到重視。因此為實(shí)現(xiàn)高速鐵路的安全、舒適、降低能耗并滿足環(huán)境保護(hù)的要求,世界各國(guó)逐漸開(kāi)展了對(duì)列車空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究,并在此基礎(chǔ)上形成了一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科——列車空氣動(dòng)力學(xué)。列車空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題可以分為以下幾類:空氣阻力;側(cè)向風(fēng)的空氣動(dòng)力學(xué)特性;會(huì)車時(shí)作用在列車上的氣動(dòng)壓力;列車風(fēng);隧道內(nèi)的壓力波動(dòng);隧道出口微氣壓波;車體表面湍流邊界層的壓力變動(dòng)。我國(guó)在此方面的研究起步較晚,90年代初才正式開(kāi)始,起初主要是進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)及風(fēng)洞試驗(yàn);數(shù)值仿真技術(shù)盡管與世界先進(jìn)水平相差很大,但近幾年發(fā)展速度也很迅速。2仿真計(jì)算時(shí)隨機(jī)給付所需參數(shù)的確定試驗(yàn)研究方法(風(fēng)洞試驗(yàn)、水洞試驗(yàn)、電模擬試驗(yàn)實(shí)車試驗(yàn))和數(shù)值仿真研究方法(面元法、有限差分法、有限單元法和有限體積法)。對(duì)于列車空氣動(dòng)力學(xué),與傳統(tǒng)的試驗(yàn)研究方法相比數(shù)值仿真技術(shù)方法可以隨時(shí)隨意給定所需參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算,并利用計(jì)算結(jié)果選擇最佳設(shè)計(jì),從而節(jié)省人力、物力、財(cái)力,縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。還有工程中遇到的反問(wèn)題,諸如要求預(yù)先給定流動(dòng)結(jié)果,然后通過(guò)計(jì)算來(lái)確定物面形狀,而這些都是試驗(yàn)所無(wú)法做到的?？梢哉f(shuō),對(duì)于解決工程問(wèn)題,仿真計(jì)算可以幫助選型,減少設(shè)計(jì)費(fèi)用,縮短設(shè)計(jì)周期。并且對(duì)于某些特殊問(wèn)題,仿真計(jì)算還可以代替試驗(yàn)。因此本文采用了數(shù)值仿真方法來(lái)研究列車空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。這其中有限體積法在列車空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真研究中有著其它計(jì)算方法無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì),并且也是計(jì)算流體力學(xué)中目前最為流行的計(jì)算方法,因此本文采用了有限體積法進(jìn)行列車空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真計(jì)算。3列車是一個(gè)長(zhǎng)寬比很大的細(xì)長(zhǎng)物體,形狀比較復(fù)雜,而且近地運(yùn)動(dòng),所以繞列車的空氣流動(dòng)是完全三維的流動(dòng)。在列車尾部會(huì)出現(xiàn)一對(duì)很強(qiáng)的尾渦。通過(guò)列車外部流場(chǎng)的基本特征以及流場(chǎng)雷諾數(shù)來(lái)判斷其流動(dòng)的形態(tài),可以知道列車外流場(chǎng)為湍流流場(chǎng)。k-ε雙方程湍流模型在理論研究及實(shí)際應(yīng)用中都已走向成熟,且得到很多比較滿意的結(jié)果,特別是對(duì)外部流動(dòng)的研究較多。因此本文選用k-ε雙方程湍流模型來(lái)研究列車空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。k-ε雙方程湍流模型的求解方程組由以下基本方程組成:連續(xù)方程?ˉui?xi=0?uiˉˉˉ?xi=0雷諾方程ρ?ˉui?t+ρˉui?ˉui?xj=ρˉFi-?ˉp?xi+??xj(μ?ˉui?xj-ρˉu′iu′j)ρ?uiˉˉˉ?t+ρuiˉˉˉ?uiˉˉˉ?xj=ρFiˉˉˉˉ??pˉ?xi+??xj(μ?uiˉˉˉ?xj?ρu′iu′jˉˉˉˉˉˉˉˉ)湍動(dòng)能k方程?k?t+ˉuj?k?xj=-ˉu′iu′j?ˉui?xj-??xjˉu′j(k′+p′ρ)+v?2k?xj?xj-vˉ?u′i?xj?u′i?xj?k?t+ujˉˉˉ?k?xj=?u′iu′jˉˉˉˉˉˉˉˉ?uiˉˉˉ?xj???xju′j(k′+p′ρ)ˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉ+v?2k?xj?xj?v?u′i?xj?u′i?xjˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉ湍流耗散率ε方程?ε?t+ˉuj?ε?xj=-??xj(ˉε′u′j+2vρˉ?u′j?xl?p′?xl-v?ε?xj)-2v′ˉu′j?u′i?xl?2ˉui?xj?xl-2v?ˉui?xj(ˉ?u′i?xl?u′j?xl+ˉ?u′l?xj?u′l?xi)-2vˉ?u′i?xl?u′i?xj?u′j?xl-2vˉ(?2u′i?xj?xl)2?ε?t+ujˉˉˉ?ε?xj=???xj(ε′u′jˉˉˉˉˉˉˉ+2vρ?u′j?xl?p′?xlˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉ?v?ε?xj)?2v′u′j?u′i?xlˉˉˉˉˉˉˉˉˉ?2uiˉˉˉ?xj?xl?2v?uiˉˉˉ?xj(?u′i?xl?u′j?xlˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉ+?u′l?xj?u′l?xiˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉ)?2v?u′i?xl?u′i?xj?u′j?xlˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉ?2v(?2u′i?xj?xl)2ˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉ數(shù)值計(jì)算方法采用有限體積法中常用的SIMPLE(Semi-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquations)求解離散方程組。4臨界網(wǎng)格間距三維流動(dòng)無(wú)量綱化的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階精度的差分格式求解后,方程成為?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方程經(jīng)?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??)變換后得到最終形式:?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??)當(dāng)α,β,γ分別取值小于或遠(yuǎn)小于m時(shí),所采用的網(wǎng)格和差分格式才能比較正確地計(jì)入各方向的粘性貢獻(xiàn)。因此,在α,β,γ分別取值m時(shí),就可以得到臨界網(wǎng)格間距值Δx*、Δy*、Δz*。lgΔx*=lgReLm?lgΔy*=lgReLm?lgΔz*=lgReLmlgΔx?=lgReLm?lgΔy?=lgReLm?lgΔz?=lgReLm5確定試算分析的方法在仿真計(jì)算中,一般采取有限計(jì)算域來(lái)代替無(wú)限計(jì)算域,計(jì)算域的大小直接影響到計(jì)算結(jié)果的可信程度。但是對(duì)于不同類型計(jì)算對(duì)象,其計(jì)算域的大小不能一概而論,所以需要具體問(wèn)題具體對(duì)待。本論文中的計(jì)算域的選取采取了試算分析的方法確定。在對(duì)于計(jì)算域的選取中,試算方法不失為一種有效的方法。6網(wǎng)格內(nèi)部邊界條件在列車交會(huì)和過(guò)隧道的瞬態(tài)計(jì)算中,存在計(jì)算對(duì)象之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),利用移動(dòng)網(wǎng)格來(lái)模擬物體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),可以很好地進(jìn)行處理移動(dòng)網(wǎng)格界面之間的邊界條件。在移動(dòng)網(wǎng)格的一些實(shí)際應(yīng)用中,計(jì)算域的大小在計(jì)算過(guò)程中有很大變化,此時(shí)在瞬態(tài)計(jì)算中可通過(guò)單元移除或添加來(lái)解決上述問(wèn)題,以保證計(jì)算域的完整性。7使用軟件時(shí)需二次開(kāi)發(fā)本文選用STARCD流體軟件作為核心進(jìn)行列車外部流場(chǎng)計(jì)算,但一個(gè)通用軟件應(yīng)用于具體專業(yè)時(shí)需要與其他程序一起使用以及進(jìn)行必要的二次開(kāi)發(fā)才能更好地為本專業(yè)服務(wù)。經(jīng)過(guò)上述這樣對(duì)STARCD軟件的修正以及二次開(kāi)發(fā)后,可以讓工程設(shè)計(jì)人員很方便地應(yīng)用該軟件進(jìn)行產(chǎn)品的前期開(kāi)發(fā)和研究。8電動(dòng)車組的結(jié)構(gòu)為不失一般性,與實(shí)際情況相結(jié)合,選取了六種車型:DF4D,DF11,SS8,神州號(hào),藍(lán)箭號(hào),270km·h-1電動(dòng)車組。計(jì)算模型建立應(yīng)遵循兩條原則:物理的真實(shí)性、數(shù)學(xué)計(jì)算的可行性就以下幾方面對(duì)列車模型進(jìn)行簡(jiǎn)化:采用兩動(dòng)一拖模擬列車編組、簡(jiǎn)化列車表面、簡(jiǎn)化車體底部等。9縱向?qū)ΨQ面的壓力分布規(guī)律(1)對(duì)270km·h-1電動(dòng)車組在橫風(fēng)工況下的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較,兩者吻合很好,說(shuō)明采用STARCD軟件能夠較好地描述和研究鐵路列車空氣動(dòng)力學(xué)性能。分析了六個(gè)模型車身縱向?qū)ΨQ面上的壓力分布規(guī)律,從而可以定量比較流線型列車與鈍頭型列車的區(qū)別。(2)運(yùn)營(yíng)速度在120km·h-1～160km·h-1范圍內(nèi)的列車,若采用流線型車體,則與普通列車相比,可以使空氣阻力降低70%以上,從而達(dá)到降低能耗的目的。(3)鈍頭型列車車頭與車尾的壓力差大于流線型列車頭尾的壓力差,且前者的高壓區(qū)受力區(qū)域面積要大于后者,因此鈍頭型列車的頭尾壓差阻力比流線型列車的頭尾壓差阻力大得多。(4)鈍頭型列車總的運(yùn)行空氣阻力要大于流線型列車的空氣阻力。要降低列車的運(yùn)行空氣阻力,須從優(yōu)化設(shè)計(jì)列車頭尾形狀入手,好的流線型列車形狀是降低阻力的主要有效手段。10地面壓力場(chǎng)分布采用數(shù)值仿真方法計(jì)算分析了流線型和鈍頭型兩類車體周圍列車風(fēng)基本特征:(1)以神州號(hào)動(dòng)車組為代表的流線型車體周圍列車風(fēng)基本特征:列車風(fēng)合速度在車頭車尾各出現(xiàn)一個(gè)峰值,隨距地面高度增加,尾部波動(dòng)要大于頭部的波動(dòng);車頭附近壓力場(chǎng)出現(xiàn)一個(gè)由正到負(fù)的壓力波,且最大正壓力出現(xiàn)在車頭的前方;車尾附近有一個(gè)由負(fù)到正的壓力波,波峰出現(xiàn)在列車尾端的后方。(2)以SS8列車編組為代表的鈍頭型車體周圍列車風(fēng)基本特征:列車風(fēng)合速度在頭部的波動(dòng)要遠(yuǎn)大于尾部的波動(dòng);壓力場(chǎng)的分布規(guī)律也驗(yàn)證了這一點(diǎn),說(shuō)明頭部擾動(dòng)產(chǎn)生的危險(xiǎn)程度要大于尾部。通過(guò)分析列車風(fēng)速度場(chǎng)研究分析,為確定我國(guó)鐵路沿線安全距離提供了理論和科學(xué)依據(jù)。11為隧道空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題提供參考(1)采用簡(jiǎn)化模型分析了列車進(jìn)入隧道到出隧道期間列車車身上的壓力變化和隧道內(nèi)的壓力波動(dòng)特征。若計(jì)算機(jī)工作能力許可,經(jīng)精確計(jì)算,可為隧道凈空面積和橫截面形狀設(shè)計(jì)時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題提供參考依據(jù)。(2)初步探討了列車交會(huì)時(shí),兩列車內(nèi)側(cè)車身側(cè)壁承受了車頭車尾通過(guò)時(shí)的兩次壓力瞬變,但是對(duì)于兩車之間流場(chǎng)復(fù)雜的流動(dòng)機(jī)理尚未有定論。12線路外包形狀(1)對(duì)流場(chǎng)而言,不外包形狀的磁懸浮列車外部流場(chǎng)比外包形狀的要復(fù)雜,阻力系數(shù)也有所增大,所以流線型的外包形狀比較有利于列車周圍氣體的流動(dòng)。但磁懸浮列車與線路是否外包對(duì)總的運(yùn)行空氣阻力的影響不大。(2)在對(duì)列車模型簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上,磁懸浮列車的運(yùn)行空氣阻力計(jì)算結(jié)果比輪軌式列車大1