1、虚拟空气动力学试验模块研究报告200km动车组侧风问题数值研究虚拟空气动力学试验模块研究报告（200km/h动车组侧风问题数值研究）目 录一、引 言 2二、研究内容 2三、算法原理 2四、计算模型 3 五、计算结果分析 6六、结论 21200km/h动车组侧风问题数值研究一、引言在车辆开发研究过程中，随着列车的提速，如何有效地利用空气动力学特性变得愈来愈重要。随着列车速度的提高，列车与空气的相互作用变得十分强烈。在强侧风的作用下，列车空气动力性能恶化，不仅列车空气阻力、升力、横向力迅速增加，还影响列车的横向稳定性，严重时将导致列车倾覆，所以为了使列车安全通过风区，必须开展大风环境下的列车空气动
2、力特性研究17。本项目对200km/h动车组列车风与大风耦合作用下的列车空气动力特性进行数值分析，为自主发展我国的高速列车，使其研制水平赶上国际水平提供技术支持。二、研究的主要内容本项目研究的主要内容：建立单向运行列车侧风的三维计算模型；在风向角分别为10、30、60和90的不同工况下，速度30m/s的环境风对列车运行的影响进行数值分析；研究大风环境下列车表面压力分布规律，大风环境下单向运行的列车空气阻力特性、空气升力特性、空气横向力特性等性能。三、算法原理研究高速动车组的空气动力特性，其实质是流体流动问题。而流体运动是最复杂的物理行为之一，与结构设计领域中应力分析等问题相比，其建模与数值模拟
3、要困难得多。对湍流现象而言，不管它多么复杂，描述流场的运动都可以用非稳态的N-S方程表达 89。质量守恒方程 （3.1）其中，为流体的密度，为流体速度沿方向的分量。动量守恒方程 （3.2）其中,是静压力，是应力矢量，是方向的重力分量，是由于阻力和能源而引起的其他能源项。能量守恒方程 （3.3）其中,是熵，是分子传导率,是由于紊流传递而引起的传导率,是定义的任何体积热源。此方程组是非线性二阶偏微分方程组，对大多数工程问题，无法获得精确解析解，只能用CFD数值计算的方法求解。在计算湍流运动时，还需要附加湍流方程，选用双方程模型。湍动能方程: （3.4）湍动能耗散率方程: （3.5） （3.6）有效
4、的粘性系数: （3.7）数值方法的实质是离散化和代数化。数值计算就是将描述物理现象的偏微分方程在一定的网格系统内离散，用网格节点处的场变量值近似描述微分方程中各项所表示的数学关系，按一定的数学原理构造与微分方程相关的离散代数方程组，引入边界条件后求解离散代数方程组，得到各网格节点处的场变量分布，用这一离散的场变量分布近似代替原微分方程的解析解。数值计算方法采用有限体积法中常用的SIMPLE（Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations）压力连接方程的半隐式求解离散方程组6。利用计算网格把流动区域分为离散的控制体积；在每个控制体积上积分控制
5、方程，形成诸如速度、压力、温度等的未知离散变量的代数方程；把离散的非线性方程组线性化；求解该方程组，得到更新的变量值。在此，把数值解定义在网格中点（格心）上。在离散方程时，对流项采用二阶迎风格式，粘性项采用二阶中心差分格式。四、 计算模型4.1 建模在计算流体动力学研究领域,计算模型没有必要完全模拟动车组的真实情况，完全可以抓住主要矛盾对列车某些结构尤其是车体底部进行简化，并缩短列车长度。本次计算模型具体简化措施为：(1) 建立车头模型，并对车下走行部分建模；(2)列车计算模型取二车编组，即：动力车+动力车，车辆之间以外风挡连接。由于中间车辆截面形状不变，当气流流过车头一定距离后，绕流边界层的
6、结构已趋于稳定。因此，将列车长度缩短也是一种合理的简化措施。模型采用三维建模软件SolidWorks建立，最大限度的呈现列车外形原貌，如图1所示。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Solidworks中建立模型，传到Gambit中划分网格，在Fluent中进行仿真计算。 图1 列车模型及转向架部分的模型4.2 计算域应用CFD方法进行数值模拟需要确定计算域的大小，列车外流场数值模拟的计算域为一个长方体形状，列车位于长方体中的某个位置，用来模拟列车风洞试验段或者道路试验情况。从理论上讲，高速列车绕流对空气来流的影响是无穷的，计算区域的尺寸越大，计算结果越接
7、近真实值，但由于计算条件受到计算机容量等的限制，只能取有限远代替无穷远。一般认为，计算区域的外边界曲面到模型的距离应该大于模型高度的7-10倍，考虑计算机容量的限制，可以取为3倍，计算精度与前者相差2.45%，在工程上可以接受，本文选取外边界曲面到模型的距离为模型高度的34倍。计算区域由于列车尾部存在较强的横向流动且有一对称纵向涡产生，因此，计算区域长度的选取应使区域下游边界尽可能远离列车尾部，以使出口区域有一平直且远离回流的区域。一般尾流区长度取模型高度的5-10倍10，本项目选取距离为模型高度的5倍，所以计算区域是92m32m16m ，如图2所示。为模拟列车运行的真实情况，消除地面附面层对
8、计算结果的影响，计算区域底面给出的边界条件是滑移边界条件，速度与来流速度一致。图2 200km/h动车组明线运行侧风计算模型将坐标建立在列车上，因列车作匀速直线运动，坐标系为惯性坐标系，所以列车穿越空气引起的湍流绕流问题就转换为空气以列车运行速度的反方向绕静止列车的湍流绕流问题。4.3 运行工况（1）列车在静止的空气中沿平直线路匀速、平稳运行，运行速度200km/h；（2）列车在环境风为30m/s速度的空气中沿平直线路匀速运行，运行速度200km/h，环境风的风向角分别为10、30、60和90。忽略空气的可压缩性：当高速列车的运行速度是270km/h时，相应的马赫数Ma小于0.3，将空气按不可
9、压缩粘性流体考虑所引起的误差很小，可满足工程要求。4.4网格划分网格的划分采用非结构化网格，对整个计算区域采用分块划分网格原则，对车体近壁层区域的网格细化，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，空间采用四面体和六面体混合网格，空间体单元约为476万。图3 计算残差收敛曲线图3是计算残差收敛曲线，计算精度是10-3，计算迭带285步收敛。五、计算结果分析5.1 列车无风工况计算结果分析1列车表面压力系数为了便于分析对比，一般列车表面压力分布都用无量刚参数压力系数表示。压力系数： （5-1）列车纵向对称面的压力系数如图4所示，压力系数分布沿轴线方向呈现正、
10、负压力波动，变化较大，列车前缘鼻部是滞止点，此处压力达到最大，压力系数最大，沿列车表面，速度逐渐增加，在第一负压区域，速度达到最大值，在列车中部表面，压力速度都比较平稳，在列车尾部，由于列车的行驶而产生负压区。图4无风工况列车表面压力系数图5 无风工况列车稳态运行表面压力分布列车运行时，由于车头的挤压，使周围流场呈正压状态，头部静压是2000 Pa, 压力系数为1，随着空气绕流列车速度的增加，压力逐渐降低，并在接近列车最大的横截面处出现了第一个负压峰值，压力系数是-0.592-0.439。而列车中部表面压力变化较平缓，承受负压状态，压力系数是-0.1320.022。 2列车的气动力系数绕流物体
11、的阻力由两部分组成：一部分是由于流体的粘性在物体表面上作用着切向应力而形成的摩擦阻力；另一部分是由于边界层分离和列车的尾迹流动，使得车尾压力小于头部压力，这样形成的列车头尾部的压差阻力，摩擦阻力和压差阻力之和统称为物体阻力。为了便于比较各种形状物体的阻力，工程上引用无因次阻力系数来表达物体阻力的大小，同时用升力系数和横向力系数表示物体升力和横向力的大小。阻力系数： （5-2）升力系数： （5-3） 横向力系数： （5-4）不同的前端外形有不同的压力分布，致使前端阻力系数不同，因而改善列车前端的设计是降低气动阻力系数的重要途径。计算得知：此车的阻力系数= 0.477。该值表明，流线型头尾车减小了
12、头尾车的空气阻力。图6 无风工况列车周围速度矢量分布图7 无风工况列车横向截面周围流场图6是列车周围速度矢量分布，图7是列车稳态运行的周围流场，从图中看出，列车周围流场呈对称性质，所以没有侧向力和升力。计算结果：升力系数是0.016，横向力系数是0.029。在明线无侧风的工况下，列车的空气动力特性比较好，阻力系数小，无侧向力和升力。5.2 列车侧风工况计算结果分析对200km/h列车在30m/s速度的环境风中沿平直线路匀速运行的流场空气动力特性进行数值分析，环境风的风向角分别为10、30、60和90。侧风是风向与列车运行方向呈一定角度的环境风，横风是风向与列车运行方向垂直的环境风。风向角的定义
13、如图8所示。图8 列车侧风风向角示意图当侧风以风向角吹向列车时，相当于侧风与列车反向速度耦合后以侧偏角的形式作用在列车上，风向角、侧风风速、列车速度和侧偏角的关系为： Vwsin=(Vt+Vwcos)tan (5-5)式中 Vw侧风速度； Vt列车速度； 风向角。在大风和列车耦合风作用下，列车空气动力性能恶化，列车表面压力分布规律不同于列车稳态运行时的规律。5.2.1风向角10数值计算结果30m/s速度的环境风以10的风向角流动，结果列车反向方向空气速度是85m/s，而在垂直列车方向以5.2m/s速度运动，侧偏角3.5。图9 风向角10列车表面压力分布图9是列车表面压力分布云图。环境风的影响使
14、列车表面压力增大，列车鼻端压力从稳态运行的2000Pa增加到4730 Pa。列车前后的压差增加，阻力增加，阻力系数从稳态运行的0.477增加到1.435，是稳态运行的3倍。 迎风面 背风面图10 迎风面和背风面压力云图（侧偏角3.5）图10是列车迎风面和背风面上压力分布云图，由于侧偏角比较小，所以两面上的压力非常接近，列车中部迎风面和背风面上压力系数均是-0.1610.216，而列车车头迎风面侧压力系数是-0.538-0.161，列车车头背风面侧压力系数是-0.915-0.538，所以列车承受横向力为23KN，横向力系数是1.24，升力系数是0.259。表1 风向角10与无侧风性能参数对比性能
15、参数无风运行有环境风风向角（）无风10侧偏角（）无风3.5阻力系数0.4771.435升力系数0.0160.259横向力系数0.0291.24迎风面压力系数-0.0540.03背风面压力系数-0.0540.03车顶压力系数-0.0540.03车头与车身连接处压力系数-0.516-1.1车尾与车身连接处压力系数-0.362-1.102表1是侧风风向角10流动与无侧风工况性能参数对比。阻力系数从0.477提高到1.435，升力系数和横向力系数均提高，迎风面、背风面和车顶的平均压力系数均从-0.054升到0.03，车头与车身连接处压力系数从-0.516变为-1.1, 车尾与车身连接处压力系数从-0.
16、362变为-1.102，即负压程度加剧。5.2.2风向角30数值计算结果30m/s速度的环境风以30的风向角流动，结果列车反向方向空气速度是81.6m/s，而在垂直列车方向空气以15m/s速度运动，侧偏角10.4。图11 风向角30列车表面压力分布(侧偏角10.4)风向角30列车表面的压力分布如图11所示。列车表面最大压力是4510Pa，最小压力是-10100 Pa，列车头部的压力滞止点不在列车前缘鼻端，而是正对迎风方向。车头与车身连接及车尾与车身连接处最大负压压力系数都是-1.3-0.93。图12 风向角30列车外流场速度矢量(侧偏角10.4)空气以10.4的侧偏角绕列车流动，由此形成列车表
17、面压力、速度分布的不对称。 图13 列车横剖面外轮廓周围压力分布云图（侧偏角10.4）图13是列车车身横剖面外轮廓周围压力分布云图，从图中可以看出右侧迎风面压力高，而左侧背风面压力低。在列车顶部，压力系数是-0.567-0.203。列车底部区域有负压区也有正压区，所以列车承受横向力和升力，横向力系数是4.11，升力系数是2.53。 迎风面 背风面图14 迎风面和背风面压力云图（侧偏角10.4）图14是列车背风面和迎风面上的压力分布云图。在列车头部迎风面侧,压力系数是0.1620.526,而在背风面侧压力系数是-1.3-0.932，所以列车承受横向力。表2 风向角30与无侧风性能参数对比性能参数
18、无风运行有环境风风向角（）无风30侧偏角（）无风10.4阻力系数0.4771.37升力系数0.0162.53横向力系数0.0294.11迎风面压力系数-0.054-0.02背风面压力系数-0.054-0.02车顶压力系数-0.054-0.38车头与车身连接处压力系数-0.516-1.116车尾与车身连接处压力系数-0.362-1.116表2是侧风风向角30流动与无侧风工况性能参数对比。阻力系数从0.477提高到1.37，升力系数和横向力系数均提高，迎风面和背风面的平均压力系数均从-0.054升到-0.02，车顶的压力系数从-0.054升到-0.38，车头与车身连接处压力系数从-0.516变为-
19、1.116, 车尾与车身连接处压力系数从-0.362变为-1.116，负压程度加剧。5.2.3风向角60数值计算结果30m/s速度的环境风以60的风向角流动，结果列车反向方向空气速度是70.6m/s，而在垂直列车方向以26m/s速度运动，侧偏角20.2。风向角60列车表面的压力分布如图15所示。列车表面最大压力是6280Pa，列车头部的压力滞止点不在列车前缘鼻端，而是正对迎风方向。列车表面最大压力系数最高是2.04，最低是-4.5，车头与车身连接处最大负压处压力系数是-1.24，图15 风向角60列车表面压力分布(侧偏角20.2)车尾与车身连接处最大负压处压力系数是-1.24，在列车顶部，接近
20、迎风面沿列车长度有一条较大负压区域，压力系数是-1.24，车顶其余部分压力系数是-0.91-0.583。图16 风向角60列车外流场速度矢量(侧偏角20.2)从图16中可看出，空气以一定的侧偏角绕列车流动，由此形成列车表面压力、速度分布的不对称。 迎风面 背风面图17 迎风面和背风面压力云图（侧偏角20.2）图17是迎风面上和背风面上的压力分布云图，可以看出，迎风面上的压力明显大于背风面上的压力。由于侧面的迎风面近乎于自由滞止流，形成正压，压力系数是0.0720.399，而背风面的一系列涡流分离区，基本为负压，压力系数是-0.2550.072。所以列车承受155KN的横向力。列车的阻力系数和升
21、力系数有明显的增加。阻力系数1.08，是稳态运行的2.26倍。图18 列车横剖面外轮廓周围压力分布云图（侧偏角20.2）图18是列车横剖面外轮廓周围压力分布云图，从图中可以看出右侧迎风面周围压力高，而左侧背风面周围压力低。列车顶部周围是负压区域。列车底部区域有负压区也有正压区，所以列车承受横向力和升力。图19 列车车底压力分布云图（侧偏角20.2）图19是列车底部的压力分布云图，压力系数是-0.2550.072，而车顶的压力系数是-0.91-0.583，列车承受较大的升力，升力系数是7.89。图20 列车横剖面外轮廓周围速度矢量分布（侧偏角20.2） 在列车背风面侧，气流产生旋涡，如图20所示
22、。表3 风向角60与无侧风性能参数对比性能参数无风运行有环境风风向角（）无风60侧偏角（）无风20.2阻力系数0.4771.08升力系数0.0167.89横向力系数0.0298.21迎风面压力系数-0.0540.205背风面压力系数-0.054-0.092车顶压力系数-0.054-0.746车头与车身连接处压力系数-0.516-1.24车尾与车身连接处压力系数-0.362-1.24表3是侧风风向角60流动与无侧风工况性能参数对比。阻力系数从0.477提高到1.08，升力系数和横向力系数均有大幅度提高，迎风面的平均压力系数从-0.054升到0.205，背风面的平均压力系数从-0.054变为-0.
23、092，车顶的压力系数从-0.054变为-0.746，车头与车身连接处压力系数从-0.516变为-1.24, 车尾与车身连接处压力系数从-0.362变为-1.24，负压程度加剧。5.2.4风向角90数值计算结果30m/s速度的环境风以90的风向角流动，结果列车反向方向空气速度是55.56m/s速度，而在垂直列车方向以30m/s速度运动，侧偏角28。图21 风向角90列车表面压力分布(侧偏角28)列车表面最大压力是18200Pa，列车头部的压力滞止点不在列车前缘鼻端，而是正对迎风方向，如图21所示。列车表面最大压力系数最高是7.09，车头与车身连接处最大负压处压力系数是-15.9-14.6，车尾
24、与车身连接处最大负压处压力系数是-0.5770.7，在列车顶部，接近迎风面侧沿列车长度有一条较大负压区域，压力系数是-4.4-3.13，车顶其余部分压力系数是-1.85-0.577。此时，列车承受很大的横向力和升力。图22 风向角90列车外流场速度矢量(侧偏角28)图23 列车横剖面外轮廓周围速度矢量分布（侧偏角28）图24 列车横剖面外轮廓周围压力分布云图（侧偏角28）空气以28的侧偏角绕列车流动，由此形成列车表面压力、速度分布的不对称，如图22所示。在列车背风面侧，空气流动产生旋涡，如图23所示。图24是列车横剖面外轮廓周围压力分布云图，从图中可以看出右侧迎风面周围压力高，而左侧背风面周围
25、压力低。列车顶部周围是负压区域。列车底部区域有负压区也有正压区，所以列车承受横向力和升力。升力系数是19.7。横向力高达512KN，横向力系数是27.3。 车顶 车底图25 列车车顶和车底压力云图（侧偏角28）车顶的压力系数是-1.85-0.577，车底的压力系数是-0.5770.702，所以列车承受升力。 迎风面 背风面图26 迎风面和背风面压力云图（侧偏角28）图26是迎风面上和背风面上的压力分布云图，迎风面上的压力明显大于背风面上的压力，迎风面上压力系数是0.7021.98，背风面上压力系数是-0.5770.702，所以列车承受512KN的横向力。表4 风向角90与无侧风性能参数对比性能
26、参数无风运行有环境风风向角（）无风90侧偏角（）无风28阻力系数0.477-0.251升力系数0.01619.695横向力系数0.02927.295迎风面压力系数-0.0541.041背风面压力系数-0.0540.063车顶压力系数-0.054-1.21车头与车身连接处压力系数-0.516-3.77车尾与车身连接处压力系数-0.3620.063表4是侧风风向角90流动与无侧风工况性能参数对比。阻力系数从0.477变为-0.251，升力系数和横向力系数均有大幅度提高，迎风面的平均压力系数从-0.054升到1.041，背风面的平均压力系数从-0.054变为0.063，车顶的压力系数从-0.054变
27、为-1.21，车头与车身连接处压力系数从-0.516变为-3.77, 车尾与车身连接处压力系数从-0.362变为0.063。此时车头与车身连接处承受很大的负压。5.2.5 不同风向角计算结果对比侧风使列车空气横向力迅速增大的原因是迎风面的滞止流和背风面的涡流造成。随着侧风风向角的增大，侧偏角增大，列车承受的阻力、升力和横向力均在不断变化。表5是30m/s环境风在不同风向角工况下列车的空气性能参数对比。表5 不同风向角工况性能参数对比性能参数无风运行有环境风运行风向角（）无风10306090侧偏角（）无风3.510.420.228阻力系数0.4771.4351.371.08-0.251升力系数0
28、.0160.2592.537.8919.695横向力系数0.0291.244.118.2127.295迎风面压力系数-0.0540.03-0.020.2051.041背风面压力系数-0.0540.03-0.02-0.0920.063车顶压力系数-0.0540.03-0.38-0.746-1.21车头与车身连接处压力系数-0.516-1.1-1.116-1.24-3.77车尾与车身连接处压力系数-0.362-1.102-1.116-1.240.063在相同的30m/s环境风作用下，随着风向角的增加，侧偏角增加，阻力系数减少，当风向角为90，即列车受到横风作用时，列车表面压力分布发生很大变化，阻力
29、系数为负值，而横向力和升力急剧增加。随着风向角的增加，迎风面的压力系数从负压变为正压，由于迎风面近乎于自由滞止流，当风向角60，侧偏角20.2时，压力系数增大到0.205，风向角90，侧偏角28时，压力系数增大到1.041，而背风面由于一系列涡流分离区，基本为负压，随着风向角的增加，背风面的负压程度加剧，当风向角60，侧偏角20.2时，压力系数是- 0.092。图27 阻力系数随侧偏角变化图28 横向力系数随侧偏角变化图29 升力系数随侧偏角变化随着风向角的增加，车顶承受的负压程度加剧，平均压力系数从接近为零变为-1.21。车头与车身连接处和车尾与车身连接处的负压程度也加剧，车头与车身连接处的平均压力系数从稳态运行时的-0.516变为-3.77。车尾与车身连接处的平均压力系数从稳态运行时的-0.362变为-1.24。当风向角为90时，车尾与车身连接处的压力增加，平均压力系数为0.063。图27是阻力系数随侧偏角变化曲线，图28是横向力系数随侧偏角变化曲线，图29是升力系数随侧偏角变化曲线。与无风相比，列车侧风运行的阻力系数增大
