CFD數(shù)值仿真在高速列車設計中的應用

1、第 29卷 第 5期 鐵 道 學 報 V ol. 29 N o. 5 2007年 10月 JOU R NA L OF T H E CH IN A RA ILW A Y SO CI ET Y October 2007文章編號 :1001 8360(2007 05 0064 05CFD 數(shù)值仿真在高速列車設計中的應用王東屏 , 兆文忠 , 馬思群(大連交通大學 機械工程 學院 , 遼寧 大連 116028摘 要 :高速列車的空氣動力特性不僅 關系到 列車牽 引效率 , 而 且還 影響旅 客乘 坐舒適 性和 列車 運行安 全性。本文介紹 CFD 數(shù)值仿真在高 速列車設計 中的應 用 :采用 A ir

2、 pak 軟件 對列車 空調 通風系 統(tǒng)進 行數(shù)值 仿真 , 采 用Fluent 軟件對列車水箱中水的晃動問題、 列車 外流場 以及二 維流線型 列車模 型的 遠場氣 動噪 聲進 行數(shù)值 仿真。對空調通風系統(tǒng)的仿真結果與實驗研究進行對比 , 計 算與試驗的 良好一致性 說明采 用的 CF D 模 型是可 靠的 ; 水箱晃動計算的壓力波提供的水箱壁屈曲分析與實際情況基本吻合。關鍵詞 :CFD 數(shù)值仿真 ; 高速列車 ; 空氣阻力 ; 空調通風系統(tǒng) ; 水箱中水的晃動 ; 氣動噪聲中圖分類號 :V 211 文獻標志碼 :AApplication of CFD Numerical Simulatio

3、n in High Speed Train DesignWAN G Dong ping, ZH AO Wen zhong, M A Si qun(Sch ool of M echanical Engin eering, Dalian Jiaotong U nivers ity, Dalian 116028, Ch inaAbstract:The aerodynamic perform ance of hig h speed train(H ST is r elated to the pr opulsiv e efficiency and has influence on the riding

4、comfortability and security. CFD numerical simulation of H ST applicatio ns is introduced in this paper :the vent sy stem of passeng er trains by Airpak; w ater sw ay ing in w ater drum s of passeng er tr ains, outer flow fields of high speed tr ains and aer ody namic noises generated by the flo w f

5、luid around the 2d streamline H ST model by Fluent. T he computational result of the vent system ag rees with the exper im ental re sult. T he buckling analysis fr om I DEA S integ rating Fluent ag rees w ith the failure phenomeno n o f the w ater drum.Key words:CFD numerical simulation; hig h speed

6、 train; viscosity resistance; vent system; w ater sw aying in a w ater drum; aero dynamic no ise近年來 , 隨著計算機計算能力的不斷提高 , 以及計 算流體動力 學 (CFD 本 身理 論和方 法的 不斷改 進 , CFD 已經(jīng)被越來越多地應用到各個 工程領域中。通 過計算機模擬獲得某種流體在特定條 件下的有關信 息 , 是工程設計人員用于分析問題和解決問題的強有 力工具。高速列車的特點是龐大、 細長、 在地面軌道上 運行 , 其空氣動力學問題非常復雜。過去 , 由于列車運 行速度較低 , 空氣阻力

7、等空氣動力學現(xiàn)象不顯著 , 隨著 列車的高速化 , 空氣動力學問題越發(fā)突出。高速列車的設計提出了許多需要解決的問題。諸 如如何確定 列車兩側 人員的安 全避讓距 離、 列 車尾 流人的安全避讓距離和如何確定列車的遠場空氣噪聲 收稿日期 :2006 12 22; 修回日期 :2007 06 02基金項目 :國家高技術研究發(fā)展計劃項目資助 (2001AA411110 作者簡介 :王東屏 (1962 , 女 , 陜西耀縣人 , 教授 , 博士。 E mail:wd p1962163. com 等。在列車啟動和制動過程中 , 列車水箱中水的晃動 對水箱產生的沖擊力 , 也 是設計者需要掌握 的信息。

8、由于空氣阻力與運行速度的平方成正比 , 所以高速列 車運行時 , 其空氣阻力約占列車全部阻力的 80%, 因 而在氣動阻力最小化的要求下 , 高速列車的外型設計 不僅要求幾何外形具有時代氣質 , 還要求有良好的空 氣動力學性能。而空氣動力學性能是否優(yōu)秀 , 在設計 階段只能借助于 CFD 數(shù)值仿真進行分析與評估。日 本、 德國等高速列車發(fā)達國家都將高速列車空氣動力 學問題和列車頭型設計作為關鍵技術進行研究 , 關于 高速列車與空氣相互作用的研究 , 己逐步形成了一個 獨立的學科 高速列車空氣動力學。國內高速列車 在空氣動力性能數(shù)值仿真方面滯后于需求 , 因此 , 本文 對如下所示高速列車在 C

9、FD 領域內外流場的一些問供技術儲備。列車頭部列車尾部列車遠場噪聲列車空調通風列車水箱晃動1 算法簡介描述流場計算的控制方程是一組非線性偏微分方 程組 , 為了能利用計算機進行求解 , 需要將這一組微分 方程轉化成每一個節(jié)點上的一組代數(shù)方程 , 該方程組 中包含有該節(jié)點及鄰近節(jié)點上所求函數(shù)的值 , 即離散 方程。建立離散方程的方法很多 , 本文采用的數(shù)值方 法是有限體積法 , 即將守恒型的控制方程對區(qū)域離散 后形成的控制容積作積分 , 對于節(jié)點間物理量的變化 特性作出假設 , 從而把積分進行到底 , 得出節(jié)點間物理 量間的代數(shù)方程式。在將控制方程對控制容積作積分 的過程中 , 需要對所求解的變

10、量在兩個節(jié)點之間的變 化特性作出假設 , 而不同的假設就導致不同的離散格 式。本文中 , 不同的模型流場計算采用不同的離散格 式 , 如表 1所示。表 1 各應用實例算法一 覽表應用實例 湍流模型 算法離散格式對流項 擴散項空間維數(shù) 時間因素 空調通風系統(tǒng) 零方程模型 SIM PLE 二階迎風格式 二階精度中心差分 三維 定常 氣動阻力 方程 SIM PLE 二階迎風格式 二階精度中心差分 三維 定常 水箱晃動 方程 PISO 二階迎風格式 二階精度中心差分 三維 非定常 遠場氣動噪聲 大渦模擬 PISO 二階迎風格式 二階精度中心差分 二維 非定常湍流是一種高度復雜的非穩(wěn)態(tài)三維流動 , 在湍

11、流 中流體的各種物理參數(shù) , 如速度、 壓力等都隨時間與空 間發(fā)生隨機的變化。對于湍流的數(shù)值計算方法可以分 為 3類 1:直接模擬 (DN S 、 大渦模擬 (LES 、 雷諾時 均方程法 (RANS 。目前 , 以雷諾時均方程為基礎的 湍流模型模擬方法是處理工程實際問題更有效的、 更 常用的方法。由于在討論高速列車內外流場的氣動特 性時 , 感興趣的是時均速度場、 壓力場 , 不需要知道湍 流產生與發(fā)展的細節(jié) , 因此在計算高速列車外流場、 空 調通風系統(tǒng)和水箱晃動中均選用雷諾時均方程為基礎 的湍流模型模擬方法。但采用雷諾時均方程不能捕捉 到寬帶湍流噪聲的信息 , 方程不能模擬由于耗散特 性

12、引起的壓力振顫 , 所以在求解列車遠場氣動噪聲時 , 采用大渦模擬方法。 LES 是介于 DN S 和 RANS 方程 之間的一種方法 , 它能直接求解流體流動中大于網(wǎng)格 尺度的渦 , 因而寬帶的氣動噪聲可以由大渦仿真求解 , 以便精確模擬流動中最主要的由于噪聲產生的非定常 特征。本文討論的 4個流場均為不可壓縮流動 , 空調 通風系統(tǒng)和列車外流場計算采用算法 SIM PLE, 而水 箱晃動和列車遠場氣動噪聲采用算法 PISO, 如表 1所 示。性能仿真的關鍵在于建模 , 正確建立模型需要有 良好的理論基礎和豐富的建模經(jīng)驗。如何建立一個既 的物理模型是第一關鍵。由于工程設備 結構的復雜 性 ,

13、 在對發(fā)生于其間的流動和傳熱過程進行數(shù)值計算 時 , 常常需要對結構做合理的簡化 , 即在對實際物理流 動現(xiàn)象深刻了解的基礎上 , 把實際模型結構提煉成適 用于空氣動力流場計算的模型。2 商用軟件簡介CFD 通用軟件包的出現(xiàn)并且商 業(yè)化 , 對 CFD 技 術在工程應用中的推廣起了巨大的促進作用 , 本文使 用美國 Fluent 公司的產品 Fluent 和 Airpak 軟件包對 列車內外流場進行數(shù)值研究。Fluent 是一個用于模擬和 分析在復雜幾何區(qū)域 內的流體流動與熱交換問題的專用 CFD 軟件 , 它針對 非結構化網(wǎng)格模型設計 , 是求解不可壓縮流及可壓縮 流流場問題的 CFD 求解

14、器 , 采用目前應用廣泛又較成 熟的有限體積法的數(shù)值計算方法 , 提供形象逼真、 可視 化的后處理結果。Airpak 是一個專用的空調通風系統(tǒng)設計軟件 , 利 用 Fluent 求解器進行流場計算 , 可計算超復雜空間模 型的流動傳熱問題。盡管有通用性很強的商業(yè)軟件 , 但不存在可以解 決所有問題的軟件。計算結果是否可靠與軟件使用者 對計算方法的理解以及對具體流動問題的理解很有關 65第 5期 CF D 數(shù)值仿真在高速列車設計中的應用3 空調通風系統(tǒng)的數(shù)值仿真及驗證我國鐵路客車空調通風起步較晚 , 與先進國家相 比 , 仍然處于落后狀態(tài)?？蛙嚳照{通風系統(tǒng)的設計基 本上是按照我國鐵路標準中規(guī)定的

15、鐵路客車熱工計算 方法及相關的客車技術條件要求做一些簡單的計算 , 因而存在不能準確定量地進行風量分配 , 導致客車縱 向斷面和橫向斷面溫度、 風量分布不均勻現(xiàn)象 , 滿足不 了高水平的舒適性設計要求。當前空調通風的大致估 算、 經(jīng)驗設計 , 成為制約準高速 /高速客車整體設計水 平的重要因素之一。本文采用軟件 Airpak 數(shù)值仿真客車空調通風系 統(tǒng) , 并將 數(shù)值模擬 結果與實 驗結果進 行對比以 考察 CFD 模型的可靠性。 3. 1 建模分析由于空調領域內的流動問題多為低速流動 , 流體 密度變化不大 , 故可將其看作不可壓縮流動。工程中 常采用的湍流模型是 兩方程模型 或其變形 ,

16、但是 模型對于等溫流動情形能模擬得很好 , 對于空調通 風系統(tǒng)內的非等溫、 混合對流流動的模擬卻有較大的 誤差。近年來 , 一些學者提出用零方程湍流模型對所 關心的問題進行模擬。由于湍流模型模 擬是半經(jīng)驗 的 , 故盡管零方程模型比較簡單 , 但在專門的領域內卻 能獲得比復雜模型更符合實際的結果 2, 所以本文采 用零方程湍流模型。邊界條件采用壁面函數(shù)法處理。 3. 2 計算結果分析圖 1是擺式客車一等座車風道模型三維圖 , 空調 系統(tǒng)中的氣流從左往右流動。數(shù)值仿真的優(yōu)越性之一是方案對比 , 在計算過程 中發(fā)現(xiàn) , 當在風道靜壓腔前半程中設置隔板時 , 車廂前 后溫度均勻 性較好 , 溫度變化

17、范圍大 約是 18. 5 21. 7 , 最大溫度差為 3. 2 , 基本符 合設計要求 , 而 在靜壓腔中全程設置隔板時 , 車廂前后溫度分布均勻 性差 一 些 , 同 樣 位置 溫 度 變化 范 圍 大 約 是 18 23 , 列車前半部分溫度相對偏低 , 后半部分溫度相對 偏高。原因是主風道的速度逐漸在減小 , 如果在主風 道的后半部分再加隔板 , 主風道的氣流再經(jīng)過靜壓腔中衰減 , 而從風口出風的風速將更加減小 , 導致車廂后 半部分的溫度相對較高。通過 CFD 數(shù)值模擬 , 可以對客車空調通風系統(tǒng)模 型進行多方面分析 , 反復修改模型 , 進而達到滿意的結 果。經(jīng)過多方案比較 , 擺

18、式客車一等座車的空調通風 系統(tǒng)設計得到明顯的改善 :風道的設計更加合理 , 風口 的出風量比較均勻 , 車廂內的溫度分布也比較均勻 , 為 工廠的設計提供量化指導。圖 2是動車組頭車空調通風系統(tǒng)幾何模型。由于 風道結構復雜 , 計算區(qū)域的邊界完全按照車廂內部形 狀建模 , 風道中的隔板與人體模型之間的間隙小 , 需要 很密的網(wǎng)格才能滿足計算精度 , 因此 , 用一個尺寸相當 的塊體代替人體模型 , 明顯減少了網(wǎng)格數(shù) , 同時經(jīng)過試 算也證明 , 這樣簡化對結果的影響不大。圖 3是空調機組端一位測風道出風口速度試驗與 數(shù)值模擬比較。從圖中可看到 :一位側風口風速的試 驗與計算值具有良好的一致性

19、, 展示出相同的變化規(guī) 律。試驗結果與數(shù)值計算結果的良好一致性證實本文 采用的 CFD 模型是可靠的。4 流線型高速列車氣動阻力研究列車外形關系著列車的空氣阻力、 列車風、 列車交 會壓力波、 列車在隧道內的微氣壓波、 氣動噪聲等空氣 動力學問題。列車頭部流線型設計可以明顯改善列車 的空氣動力學特性 , 有效地減小列車的運行阻力 , 使得 相同速度下的列車空氣阻力比傳統(tǒng)列車減少 60%以 上 , 極大地推動了列車運行速度的提高 , 同時還可以降 低隧道中出現(xiàn)的壓力瞬變值 , 減弱列車尾流 , 降低列車 的氣動噪聲 3。本文應用 Fluent 軟件對流線型高速 車體外流場進行三維模擬計算。66鐵

20、 道 學 報 第 29卷4. 1 建模分析計算模型取自流線型車頭拱面 , 配一段車身。由 于結構基本 對稱 , 沿縱對 稱面 取一 半建 模。對 任何 CFD 軟件包 , 很難創(chuàng)造出三維流線型車頭這樣復雜的 幾何模 型 , 所 以 首先 在 I deas 中 建 立 模型 , 然后 用 STEP 格式傳到 Fluent 中進行仿真計算。計算區(qū)域 選為 70m ! 10m ! 10m 。計算網(wǎng)格的劃分采用非結 構化網(wǎng)格 , 對車體近壁層的網(wǎng)格細化 , 遠離車體的網(wǎng)格 采用稀疏網(wǎng)格 , 以減少計算量和加快收斂速度。列車 表面劃分三角形網(wǎng)格 , 空間采用四面體網(wǎng)格 , 空間體單 元約為 140萬。因

21、高速列車速度為 270km /h, 故明線 上列車運行繞流問題一般采用三維黏性不可壓縮定常 流動處理。 4. 2 計算結果分析圖 4 是列車外流場空氣流動軌跡。在列車 尾部 , 可以看到一個負 壓區(qū)域的尾流場。 在尾流的橫截面上沿列車寬度方向對 稱地產生一對渦 , 其渦心較低 , 在列車縱向對稱面上渦強最大 , 沿寬 度方向渦強減弱。隨著尾流發(fā)展 , 渦強減弱 , 并向地面 靠近。在距列車尾部 7m 處 , 渦流的影響減小。因此 , 此車的安全退避距離為距列車尾部 7m 左右。研究列 車尾流場 , 可以為高速列車的安全退避距離提供依據(jù)。 計算得出此車的阻力系數(shù) C x =0. 262。該值表明

22、 , 車 頭拱面明顯地減低了氣動阻力 , 流線型拱面是合理的。 本次計算為后續(xù)的有限元計算提供了車頭拱面壓力分 布。經(jīng)過以上分析 , 可得出如下結論 :(1 此流線型車頭的流線型拱面是合理的 , 明顯 地減低了氣動阻力。(2 此列車尾部的安全退避距離大約是 7m 。5 列車水箱晃動問題的仿真計算列車上的水箱在列車啟動、 剎車過程中 , 水的晃動 問題顯得越來越突出。以往 , 人們通常是根據(jù)一些經(jīng) 驗進行水箱的設計工作 , 曾發(fā)生過水箱失穩(wěn)、 起皺現(xiàn)象。確切地了解水箱在列車運行過程中所受水的沖擊 力 , 是一個重要問題。采用 Fluent 軟件可以對列車剎 車過程中 , 水箱中的水晃動問題進行模

23、擬仿真。 5. 1 建模分析水箱模型如圖 5所示 , 外形是橢圓柱形 , 內設 3個 防波板把水箱分成 4個容腔。每個防波板上開有若干 通水孔。水箱的尺寸是 1760m m ! 1600mm ! 576mm, 裝 有 2/3容 積 的 水。 本 文 模 擬 了 當 列 車 以 120km/h 的速度行駛在實際線路上制動工況下 , 水箱 中水的晃動情況。坐標建立在水箱上 , 因而在本身作 變速運動的非慣性坐標系下 , 質量場中包括附加的慣 性力。采用 Fluent 的 UDF 接口 , 用 C 語言編寫一段 程序定義動量方程中的源項。水箱中包含水和空氣兩 種流體 , 所以是兩相流動問題。定義空氣

24、為初項 , 水為 第二項。采用兩相流 V OF(Volume of Fluid 模型 , 在 不可壓縮的湍流非定常情況下 , 通過求解動 量方程、 方程模型以及計算在區(qū)域內每一種流體的體積百 分比 , 可以得出水箱中兩種流體的運動情況。5. 2 計算結果分析圖 6為水箱縱向對稱面上水的變化情況。列車勻 速行駛 , 水自由表面基本水平 , 隨列車的剎車 , 水朝著 列車運動方向涌動 , 首先碰撞到隔板及右端的水箱壁 上 , 然后又往回彈 , 水的自由表面在不斷的振蕩變化 , 防波板有效地阻止了水的晃動。分析水箱壁的壓力分布 , 找出最具破壞性的壓力 波 , 并提取該壓力波下水對水箱各個部位的作用

25、力 , 為 屈曲分析的真實性奠定基礎。屈曲仿真分析的結果與 水箱實際破壞情況 4基本吻合。通過與實際對比 , 說 明對水箱晃動的流場計算是可靠的。67第 5期 CF D 數(shù)值仿真在高速列車設計中的應用6 高速列車遠場氣動噪聲數(shù)值分析多年來 , 發(fā)達國家一直進行高速列車的氣動噪聲 研究工作。其中 , 荷蘭在風洞中對高速車模型進行了 氣動噪聲測量。分析表明 :從列車模型上有尖角和陡 峭的部位產生的渦都是很重要的噪聲發(fā)生源。結果建 議 :通過優(yōu)化列車頂部區(qū)域的形狀 , 可減少大約 10dB 的噪聲 5。本文應用 Fluent 軟件和 PISO 算法對 270 km /h 的二維流線型列車頭部模型的遠

26、場氣動噪聲進 行預測和分析。6. 1 噪聲計算氣體流動或者物體和氣體相互作用引起氣體的擾 動而輻射的噪聲 , 稱為氣動噪聲。模型選自某流線型 車頭的中心平面圖 , 對列車的外表面和車下走行部分 都進行了簡化。來特希爾的氣動噪聲模擬分為兩部分 :第一步是 聲音由流體在連續(xù)媒介中流動誘導產生。第二步是聲 音在外部的脈動源作用下 , 在靜止的聲媒介中傳播的 過程。首先需要精確計算高速列車表面的壓力脈動情 況 , 然后提取列車表面的瞬時壓力脈動變化 , 計算列車 外流場中某觀察點的聲強、 聲壓、 觀察點聲強隨時間的 變化情況等有關的聲學參數(shù)?？刂品匠痰那蠼獠捎梅邱詈锨蠼夥椒āＴ谶M行聲 學計算之前 ,

27、采用大渦模擬計算的模型外流場要達到 動態(tài)的穩(wěn)定狀態(tài) , 計算所 選用的時間步長非 常重要。 時間步長的選取既需要在大渦計算中合適地求解湍流 渦 , 也要在聲場計算中能捕捉到聲音波動 , 兩者中的小 者即定為計算所需要的時間步長。在此 , 時間步長取 12s, 采用四邊形網(wǎng)格 , 因為在大渦模擬計算中 , 四邊 形網(wǎng)格比三角形網(wǎng)格的計算誤差小 ; 在時間積分方案 上 , 選擇具有至少二階精度的 Crank Nicolson 半隱式 方案 ; 在空間離散格式上 , 選用二階迎風格式 , 壁面采 用壁面函數(shù)法。6. 2 計算結果與分析采用大渦模擬 , 可以在列車尾流區(qū)域中計算出一 個清楚的旋渦。當網(wǎng)

28、格數(shù)比較粗糙 , 并且采用 湍 流模型定常流動計算時 , 得不到明顯的湍流渦。本文 在距離車尾不同距離的 4個觀察點上計算聲壓隨時間 的變化。觀察點距離列車尾部越遠 , 到達觀察點的時 間越來越長 , 聲壓越來越小 , 如表 2所示。表 2 觀察點位置及總聲 壓級觀察點 x /m y /m z /m SPL/dB1201. 50128. 882251. 50126. 313301. 50126. 254351. 50125. 337 結論通過上述分析 , 得到以下結論 :(1 本文對高速列車的空調通風系統(tǒng)、 列車的外 流場、 列車的水箱晃動及列車的氣動噪聲等四個方面 的空氣流動問題進行數(shù)值仿真 ; 并將空調通風系統(tǒng)的 仿真結果與試驗結果比較 ; 水箱晃動的仿真結果與實 際水箱使用情況進行對比 , 實驗和計算結果符合較好。 (2 通過 CFD 數(shù)值模擬可以對所研究問題多方 面分析 , 反復修改模型 , 選用最佳方案滿足設計要求。 這是一個十分經(jīng)濟的技術路線。(3 對不同領域的工程應用 , 采用不同的湍流模 型 , 不同的算法 , 能夠取得較好的計算效果。(4