CFD数值仿真在高速列车设计中的应用

1、第 29卷 第 5期 铁 道 学 报 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文章编号 :1001 8360(2007 05 0064 05CFD 数值仿真在高速列车设计中的应用王东屏 , 兆文忠 , 马思群(大连交通大学 机械工程 学院 , 辽宁 大连 116028摘 要 :高速列车的空气动力特性不仅 关系到 列车牵 引效率 , 而 且还 影响旅 客乘 坐舒适 性和 列车 运行安 全性。本文介绍 CFD 数值仿真在高 速列车设计 中的应 用 :采用 A ir

2、 pak 软件 对列车 空调 通风系 统进 行数值 仿真 , 采 用Fluent 软件对列车水箱中水的晃动问题、 列车 外流场 以及二 维流线型 列车模 型的 远场气 动噪 声进 行数值 仿真。对空调通风系统的仿真结果与实验研究进行对比 , 计 算与试验的 良好一致性 说明采 用的 CF D 模 型是可 靠的 ; 水箱晃动计算的压力波提供的水箱壁屈曲分析与实际情况基本吻合。关键词 :CFD 数值仿真 ; 高速列车 ; 空气阻力 ; 空调通风系统 ; 水箱中水的晃动 ; 气动噪声中图分类号 :V 211 文献标志码 :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近年来 , 随着计算机计算能力的不断提高 , 以及计 算流体动力 学 (CFD 本 身理 论和方 法的 不断改 进 , CFD 已经被越来越多地应用到各个 工程领域中。通 过计算机模拟获得某种流体在特定条 件下的有关信 息 , 是工程设计人员用于分析问题和解决问题的强有 力工具。高速列车的特点是庞大、 细长、 在地面轨道上 运行 , 其空气动力学问题非常复杂。过去 , 由于列车运 行速度较低 , 空气阻力

7、等空气动力学现象不显著 , 随着 列车的高速化 , 空气动力学问题越发突出。高速列车的设计提出了许多需要解决的问题。诸 如如何确定 列车两侧 人员的安 全避让距 离、 列 车尾 流人的安全避让距离和如何确定列车的远场空气噪声 收稿日期 :2006 12 22; 修回日期 :2007 06 02基金项目 :国家高技术研究发展计划项目资助 (2001AA411110 作者简介 :王东屏 (1962 , 女 , 陕西耀县人 , 教授 , 博士。 E mail:wd p1962163. com 等。在列车启动和制动过程中 , 列车水箱中水的晃动 对水箱产生的冲击力 , 也 是设计者需要掌握 的信息。

8、由于空气阻力与运行速度的平方成正比 , 所以高速列 车运行时 , 其空气阻力约占列车全部阻力的 80%, 因 而在气动阻力最小化的要求下 , 高速列车的外型设计 不仅要求几何外形具有时代气质 , 还要求有良好的空 气动力学性能。而空气动力学性能是否优秀 , 在设计 阶段只能借助于 CFD 数值仿真进行分析与评估。日 本、 德国等高速列车发达国家都将高速列车空气动力 学问题和列车头型设计作为关键技术进行研究 , 关于 高速列车与空气相互作用的研究 , 己逐步形成了一个 独立的学科 高速列车空气动力学。国内高速列车 在空气动力性能数值仿真方面滞后于需求 , 因此 , 本文 对如下所示高速列车在 C

9、FD 领域内外流场的一些问供技术储备。列车头部列车尾部列车远场噪声列车空调通风列车水箱晃动1 算法简介描述流场计算的控制方程是一组非线性偏微分方 程组 , 为了能利用计算机进行求解 , 需要将这一组微分 方程转化成每一个节点上的一组代数方程 , 该方程组 中包含有该节点及邻近节点上所求函数的值 , 即离散 方程。建立离散方程的方法很多 , 本文采用的数值方 法是有限体积法 , 即将守恒型的控制方程对区域离散 后形成的控制容积作积分 , 对于节点间物理量的变化 特性作出假设 , 从而把积分进行到底 , 得出节点间物理 量间的代数方程式。在将控制方程对控制容积作积分 的过程中 , 需要对所求解的变

10、量在两个节点之间的变 化特性作出假设 , 而不同的假设就导致不同的离散格 式。本文中 , 不同的模型流场计算采用不同的离散格 式 , 如表 1所示。表 1 各应用实例算法一 览表应用实例 湍流模型 算法离散格式对流项 扩散项空间维数 时间因素 空调通风系统 零方程模型 SIM PLE 二阶迎风格式 二阶精度中心差分 三维 定常 气动阻力 方程 SIM PLE 二阶迎风格式 二阶精度中心差分 三维 定常 水箱晃动 方程 PISO 二阶迎风格式 二阶精度中心差分 三维 非定常 远场气动噪声 大涡模拟 PISO 二阶迎风格式 二阶精度中心差分 二维 非定常湍流是一种高度复杂的非稳态三维流动 , 在湍

11、流 中流体的各种物理参数 , 如速度、 压力等都随时间与空 间发生随机的变化。对于湍流的数值计算方法可以分 为 3类 1:直接模拟 (DN S 、 大涡模拟 (LES 、 雷诺时 均方程法 (RANS 。目前 , 以雷诺时均方程为基础的 湍流模型模拟方法是处理工程实际问题更有效的、 更 常用的方法。由于在讨论高速列车内外流场的气动特 性时 , 感兴趣的是时均速度场、 压力场 , 不需要知道湍 流产生与发展的细节 , 因此在计算高速列车外流场、 空 调通风系统和水箱晃动中均选用雷诺时均方程为基础 的湍流模型模拟方法。但采用雷诺时均方程不能捕捉 到宽带湍流噪声的信息 , 方程不能模拟由于耗散特 性

12、引起的压力振颤 , 所以在求解列车远场气动噪声时 , 采用大涡模拟方法。 LES 是介于 DN S 和 RANS 方程 之间的一种方法 , 它能直接求解流体流动中大于网格 尺度的涡 , 因而宽带的气动噪声可以由大涡仿真求解 , 以便精确模拟流动中最主要的由于噪声产生的非定常 特征。本文讨论的 4个流场均为不可压缩流动 , 空调 通风系统和列车外流场计算采用算法 SIM PLE, 而水 箱晃动和列车远场气动噪声采用算法 PISO, 如表 1所 示。性能仿真的关键在于建模 , 正确建立模型需要有 良好的理论基础和丰富的建模经验。如何建立一个既 的物理模型是第一关键。由于工程设备 结构的复杂 性 ,

13、 在对发生于其间的流动和传热过程进行数值计算 时 , 常常需要对结构做合理的简化 , 即在对实际物理流 动现象深刻了解的基础上 , 把实际模型结构提炼成适 用于空气动力流场计算的模型。2 商用软件简介CFD 通用软件包的出现并且商 业化 , 对 CFD 技 术在工程应用中的推广起了巨大的促进作用 , 本文使 用美国 Fluent 公司的产品 Fluent 和 Airpak 软件包对 列车内外流场进行数值研究。Fluent 是一个用于模拟和 分析在复杂几何区域 内的流体流动与热交换问题的专用 CFD 软件 , 它针对 非结构化网格模型设计 , 是求解不可压缩流及可压缩 流流场问题的 CFD 求解

14、器 , 采用目前应用广泛又较成 熟的有限体积法的数值计算方法 , 提供形象逼真、 可视 化的后处理结果。Airpak 是一个专用的空调通风系统设计软件 , 利 用 Fluent 求解器进行流场计算 , 可计算超复杂空间模 型的流动传热问题。尽管有通用性很强的商业软件 , 但不存在可以解 决所有问题的软件。计算结果是否可靠与软件使用者 对计算方法的理解以及对具体流动问题的理解很有关 65第 5期 CF D 数值仿真在高速列车设计中的应用3 空调通风系统的数值仿真及验证我国铁路客车空调通风起步较晚 , 与先进国家相 比 , 仍然处于落后状态。客车空调通风系统的设计基 本上是按照我国铁路标准中规定的

15、铁路客车热工计算 方法及相关的客车技术条件要求做一些简单的计算 , 因而存在不能准确定量地进行风量分配 , 导致客车纵 向断面和横向断面温度、 风量分布不均匀现象 , 满足不 了高水平的舒适性设计要求。当前空调通风的大致估 算、 经验设计 , 成为制约准高速 /高速客车整体设计水 平的重要因素之一。本文采用软件 Airpak 数值仿真客车空调通风系 统 , 并将 数值模拟 结果与实 验结果进 行对比以 考察 CFD 模型的可靠性。 3. 1 建模分析由于空调领域内的流动问题多为低速流动 , 流体 密度变化不大 , 故可将其看作不可压缩流动。工程中 常采用的湍流模型是 两方程模型 或其变形 ,

16、但是 模型对于等温流动情形能模拟得很好 , 对于空调通 风系统内的非等温、 混合对流流动的模拟却有较大的 误差。近年来 , 一些学者提出用零方程湍流模型对所 关心的问题进行模拟。由于湍流模型模 拟是半经验 的 , 故尽管零方程模型比较简单 , 但在专门的领域内却 能获得比复杂模型更符合实际的结果 2, 所以本文采 用零方程湍流模型。边界条件采用壁面函数法处理。 3. 2 计算结果分析图 1是摆式客车一等座车风道模型三维图 , 空调 系统中的气流从左往右流动。数值仿真的优越性之一是方案对比 , 在计算过程 中发现 , 当在风道静压腔前半程中设置隔板时 , 车厢前 后温度均匀 性较好 , 温度变化

17、范围大 约是 18. 5 21. 7 , 最大温度差为 3. 2 , 基本符 合设计要求 , 而 在静压腔中全程设置隔板时 , 车厢前后温度分布均匀 性差 一 些 , 同 样 位置 温 度 变化 范 围 大 约 是 18 23 , 列车前半部分温度相对偏低 , 后半部分温度相对 偏高。原因是主风道的速度逐渐在减小 , 如果在主风 道的后半部分再加隔板 , 主风道的气流再经过静压腔中衰减 , 而从风口出风的风速将更加减小 , 导致车厢后 半部分的温度相对较高。通过 CFD 数值模拟 , 可以对客车空调通风系统模 型进行多方面分析 , 反复修改模型 , 进而达到满意的结 果。经过多方案比较 , 摆

18、式客车一等座车的空调通风 系统设计得到明显的改善 :风道的设计更加合理 , 风口 的出风量比较均匀 , 车厢内的温度分布也比较均匀 , 为 工厂的设计提供量化指导。图 2是动车组头车空调通风系统几何模型。由于 风道结构复杂 , 计算区域的边界完全按照车厢内部形 状建模 , 风道中的隔板与人体模型之间的间隙小 , 需要 很密的网格才能满足计算精度 , 因此 , 用一个尺寸相当 的块体代替人体模型 , 明显减少了网格数 , 同时经过试 算也证明 , 这样简化对结果的影响不大。图 3是空调机组端一位测风道出风口速度试验与 数值模拟比较。从图中可看到 :一位侧风口风速的试 验与计算值具有良好的一致性

19、, 展示出相同的变化规 律。试验结果与数值计算结果的良好一致性证实本文 采用的 CFD 模型是可靠的。4 流线型高速列车气动阻力研究列车外形关系着列车的空气阻力、 列车风、 列车交 会压力波、 列车在隧道内的微气压波、 气动噪声等空气 动力学问题。列车头部流线型设计可以明显改善列车 的空气动力学特性 , 有效地减小列车的运行阻力 , 使得 相同速度下的列车空气阻力比传统列车减少 60%以 上 , 极大地推动了列车运行速度的提高 , 同时还可以降 低隧道中出现的压力瞬变值 , 减弱列车尾流 , 降低列车 的气动噪声 3。本文应用 Fluent 软件对流线型高速 车体外流场进行三维模拟计算。66铁

20、 道 学 报 第 29卷4. 1 建模分析计算模型取自流线型车头拱面 , 配一段车身。由 于结构基本 对称 , 沿纵对 称面 取一 半建 模。对 任何 CFD 软件包 , 很难创造出三维流线型车头这样复杂的 几何模 型 , 所 以 首先 在 I deas 中 建 立 模型 , 然后 用 STEP 格式传到 Fluent 中进行仿真计算。计算区域 选为 70m ! 10m ! 10m 。计算网格的划分采用非结 构化网格 , 对车体近壁层的网格细化 , 远离车体的网格 采用稀疏网格 , 以减少计算量和加快收敛速度。列车 表面划分三角形网格 , 空间采用四面体网格 , 空间体单 元约为 140万。因

21、高速列车速度为 270km /h, 故明线 上列车运行绕流问题一般采用三维黏性不可压缩定常 流动处理。 4. 2 计算结果分析图 4 是列车外流场空气流动轨迹。在列车 尾部 , 可以看到一个负 压区域的尾流场。 在尾流的横截面上沿列车宽度方向对 称地产生一对涡 , 其涡心较低 , 在列车纵向对称面上涡强最大 , 沿宽 度方向涡强减弱。随着尾流发展 , 涡强减弱 , 并向地面 靠近。在距列车尾部 7m 处 , 涡流的影响减小。因此 , 此车的安全退避距离为距列车尾部 7m 左右。研究列 车尾流场 , 可以为高速列车的安全退避距离提供依据。 计算得出此车的阻力系数 C x =0. 262。该值表明

22、 , 车 头拱面明显地减低了气动阻力 , 流线型拱面是合理的。 本次计算为后续的有限元计算提供了车头拱面压力分 布。经过以上分析 , 可得出如下结论 :(1 此流线型车头的流线型拱面是合理的 , 明显 地减低了气动阻力。(2 此列车尾部的安全退避距离大约是 7m 。5 列车水箱晃动问题的仿真计算列车上的水箱在列车启动、 刹车过程中 , 水的晃动 问题显得越来越突出。以往 , 人们通常是根据一些经 验进行水箱的设计工作 , 曾发生过水箱失稳、 起皱现象。确切地了解水箱在列车运行过程中所受水的冲击 力 , 是一个重要问题。采用 Fluent 软件可以对列车刹 车过程中 , 水箱中的水晃动问题进行模

23、拟仿真。 5. 1 建模分析水箱模型如图 5所示 , 外形是椭圆柱形 , 内设 3个 防波板把水箱分成 4个容腔。每个防波板上开有若干 通水孔。水箱的尺寸是 1760m m ! 1600mm ! 576mm, 装 有 2/3容 积 的 水。 本 文 模 拟 了 当 列 车 以 120km/h 的速度行驶在实际线路上制动工况下 , 水箱 中水的晃动情况。坐标建立在水箱上 , 因而在本身作 变速运动的非惯性坐标系下 , 质量场中包括附加的惯 性力。采用 Fluent 的 UDF 接口 , 用 C 语言编写一段 程序定义动量方程中的源项。水箱中包含水和空气两 种流体 , 所以是两相流动问题。定义空气

24、为初项 , 水为 第二项。采用两相流 V OF(Volume of Fluid 模型 , 在 不可压缩的湍流非定常情况下 , 通过求解动 量方程、 方程模型以及计算在区域内每一种流体的体积百 分比 , 可以得出水箱中两种流体的运动情况。5. 2 计算结果分析图 6为水箱纵向对称面上水的变化情况。列车匀 速行驶 , 水自由表面基本水平 , 随列车的刹车 , 水朝着 列车运动方向涌动 , 首先碰撞到隔板及右端的水箱壁 上 , 然后又往回弹 , 水的自由表面在不断的振荡变化 , 防波板有效地阻止了水的晃动。分析水箱壁的压力分布 , 找出最具破坏性的压力 波 , 并提取该压力波下水对水箱各个部位的作用

25、力 , 为 屈曲分析的真实性奠定基础。屈曲仿真分析的结果与 水箱实际破坏情况 4基本吻合。通过与实际对比 , 说 明对水箱晃动的流场计算是可靠的。67第 5期 CF D 数值仿真在高速列车设计中的应用6 高速列车远场气动噪声数值分析多年来 , 发达国家一直进行高速列车的气动噪声 研究工作。其中 , 荷兰在风洞中对高速车模型进行了 气动噪声测量。分析表明 :从列车模型上有尖角和陡 峭的部位产生的涡都是很重要的噪声发生源。结果建 议 :通过优化列车顶部区域的形状 , 可减少大约 10dB 的噪声 5。本文应用 Fluent 软件和 PISO 算法对 270 km /h 的二维流线型列车头部模型的远

26、场气动噪声进 行预测和分析。6. 1 噪声计算气体流动或者物体和气体相互作用引起气体的扰 动而辐射的噪声 , 称为气动噪声。模型选自某流线型 车头的中心平面图 , 对列车的外表面和车下走行部分 都进行了简化。来特希尔的气动噪声模拟分为两部分 :第一步是 声音由流体在连续媒介中流动诱导产生。第二步是声 音在外部的脉动源作用下 , 在静止的声媒介中传播的 过程。首先需要精确计算高速列车表面的压力脉动情 况 , 然后提取列车表面的瞬时压力脉动变化 , 计算列车 外流场中某观察点的声强、 声压、 观察点声强随时间的 变化情况等有关的声学参数。控制方程的求解采用非耦合求解方法。在进行声 学计算之前 ,

27、采用大涡模拟计算的模型外流场要达到 动态的稳定状态 , 计算所 选用的时间步长非 常重要。 时间步长的选取既需要在大涡计算中合适地求解湍流 涡 , 也要在声场计算中能捕捉到声音波动 , 两者中的小 者即定为计算所需要的时间步长。在此 , 时间步长取 12s, 采用四边形网格 , 因为在大涡模拟计算中 , 四边 形网格比三角形网格的计算误差小 ; 在时间积分方案 上 , 选择具有至少二阶精度的 Crank Nicolson 半隐式 方案 ; 在空间离散格式上 , 选用二阶迎风格式 , 壁面采 用壁面函数法。6. 2 计算结果与分析采用大涡模拟 , 可以在列车尾流区域中计算出一 个清楚的旋涡。当网

28、格数比较粗糙 , 并且采用 湍 流模型定常流动计算时 , 得不到明显的湍流涡。本文 在距离车尾不同距离的 4个观察点上计算声压随时间 的变化。观察点距离列车尾部越远 , 到达观察点的时 间越来越长 , 声压越来越小 , 如表 2所示。表 2 观察点位置及总声 压级观察点 x /m y /m z /m SPL/dB1201. 50128. 882251. 50126. 313301. 50126. 254351. 50125. 337 结论通过上述分析 , 得到以下结论 :(1 本文对高速列车的空调通风系统、 列车的外 流场、 列车的水箱晃动及列车的气动噪声等四个方面 的空气流动问题进行数值仿真 ; 并将空调通风系统的 仿真结果与试验结果比较 ; 水箱晃动的仿真结果与实 际水箱使用情况进行对比 , 实验和计算结果符合较好。 (2 通过 CFD 数值模拟可以对所研究问题多方 面分析 , 反复修改模型 , 选用最佳方案满足设计要求。 这是一个十分经济的技术路线。(3 对不同领域的工程应用 , 采用不同的湍流模 型 , 不同的算法 , 能够取得较好的计算效果。(4