基于STAR-CCM+的高速列車空氣動力學性能數值分析

劉濤，劉鳳華，余以正，姜旭東，王云霄

(中國北車集團 長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130000)*

0 引言

計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)是一種由計算機模擬流體流動、傳熱及相關傳遞現象的系統分析方法和工具.近年來，隨著計算機技術與數值模擬方法的快速發展，CFD技術以其快速、經濟、高效等特有的優勢已被廣泛應用于各個工程科學領域，并逐漸成為工程設計人員用于分析和解決問題強有力的工具.

隨著我國高速鐵路行業的快速發展，列車的空氣動力特性越來越受到廣泛的關注.它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.特別是自CRH5與CRH3型動車組上線運營以來，國內眾多科研院所和高校在列車空氣動力學方面做了大量工作［1］，研究其周圍流場特性.

列車的空氣動力學性能與列車外形有著密切的關系，其外形的流線型程度直接影響整列車的空氣動力性能［2］.頭、尾車的阻力系數、升力系數的絕對值深受流線型頭部的影響，頭車、尾車的阻力系數越小，同樣編組情況下的列車總阻力就越小，能耗也越少.因此，如何在造型階段控制整車阻力系數是整車氣動性能研發工作中的重中之重.

國內外對高速列車空氣動力學的研究主要有兩種方法:一種是以風洞實驗為主的實驗法，另一種是利用計算流體動力學(CFD)技術進行數值模擬.傳統的列車空氣動力學研究是在風洞中進行實驗，存在著研發周期長、費用昂貴等問題.另外，在風洞實驗時，只能在有限個截面和其上有限個點處測得速度、壓力和溫度值，而不可能獲得整車流場中任意點的詳細信息.隨著CFD技術的不斷發展，特別是CFD商業化軟件的推出，列車外流場的計算機數值仿真由于其具有可再現性、周期短以及低成本等優越性而成為研究列車空氣動力學性能的另一種有效方法.應用STAR-CCM+軟件對某高速車體外流場進行三維模擬計算，不僅可以為指導設計以獲得良好的列車外形造型提供依據，而且可以為后續的結構分析提供必需的壓力數據［3］.

1 模型建立

1.1 基本理論

研究高速列車的空氣動力特性，其實質是研究流體流動的問題.流體運動是最復雜的物理行為之一，與結構設計領域中應力分析等問題相比，其建模與數值模擬要困難很多.控制所有流體流動的基本定律是:質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律.由它們可以分別導出連續性方程、動量方程(又稱納維爾-斯托克斯方程)和能量方程.由它們聯立得到納維爾-斯托克斯方程組，簡稱N-S方程組，N-S方程組是流體流動所需遵守的普遍規律.一般情況下，列車的運行速度與飛機相比較低(Ma＜0.3)，空氣密度的變化對流動的影響可以略去不計，此時，可以采用不可壓縮流動假設，其控制方程組為［4］:

式中，ui為列車周圍流場速度，分別代表u、v、w三個坐標方向的速度分量;xi為坐標的三分量，分別代表x、y、z三個方向坐標;ρ為空氣密度.

求解偏微分方程的數值方法主要分為有限差分法、有限元法及有限體積法3種.STAR-CCM+使用的是有限體積法，它是近年發展非常迅速的一種離散化方法，其特點是計算效率高.其基本思路是:利用計算網格把流動區域劃分為離散的控制體積，將待解的控制方程對每一個控制體積分，形成諸如速度、壓力、溫度等未知離散變量的代數方程，然后把離散的非線性方程組線性化，求解該方程組獲得新的變量值［5］.

1.2 網格模型

為了簡化計算，本文采用三車編組，模型比例為1∶8的縮比模型.對列車外流場進行仿真分析，首先是車身模型的建立和簡化處理，如圖1所示，包括車身表面、受電弓、轉向架、空調箱等.在CATIA環境下，將裝配好的列車頭車模型文件igs格式轉化成stl格式，并導入STAR-CCM+中.STAR-CCM+搭載了CD-adapco獨創的最新網格生成技術，可以完成網格創建所需的一系列操作.對質量較差的表面進行包面處理，對空調導流罩等部件進行網格加密，保持相對完整的結構特征，包面處理后的列車模型，如圖2(a)所示.對已有的表面進行再次三角化的網格重構，以便提高表面網格質量，為進一步自動生成體網格和模擬計算做準備，網格重構后的列車模型，如圖2(b)所示.

圖1 三車編組的catia模型

圖2 列車模型

1.3 體網格生成

采用六面體核心(Trim)網格和邊界層(Prism Layer)網格對計算區域進行離散(相比較于傳統的四面體網格，使用切割體網格，在保持相同計算精度的情況下，可以提高計算性能3～10倍).考慮到壁面邊界層的影響，在車體表面以及地面選取合適的邊界層尺寸，使最終計算的車體表面粘性長度值在一個合理的范圍內.為提高模擬精度并控制網格數量，對計算區域采用密度漸變的網格布局.本例中設定計算區域長35m，寬10m，高8m.

因為車身的幾何形狀復雜，整個外流求解域大，網格數目多，通過體積源項(Volume Source)進行局部體網格加密，捕捉細節，這樣既能保持計算的精度、提高計算的收斂性和穩定性，又能控制網格的總體數量，獲得更加精確的流場信息.本例分別在車尾、車身和受電弓區域設置了三個體網格加密區，三個加密區在三個方向的區域位置和加密尺寸均逐級擴大，如圖3所示.STAR-CCM+的集成化和參數化操作可以快速高效地生成質量很好的計算網格，最終總計生成網格數約626萬，生成體網格后的模型截面，如圖4所示.

圖3 設置三個加密區后的體網格截面

圖4 生成體網格后的模型截面

1.4 邊界條件

邊界條件的設置對求解十分重要，列車外流場的數值模擬是在有限區域內進行，因此在區域的邊界上需要給定邊界條件.列車外流場的邊界條件設置如下:入口來流取理論上的無窮遠處均勻分布的來流速度，方向與列車運行速度相反，氣流速度為車速250 km/h;車身后遠端端面為出口邊界，壓強為0 Pa(相對于大氣壓)，其余各變量分量梯度為0;列車車身表面、計算域的側壁和頂壁均按光滑壁面處理，取滑移、流線不穿透邊界條件;計算域下底面設置無滑移邊界條件和移動壁面邊界條件，無滑移邊界條件模擬地面與氣流的摩擦作用，移動壁面邊界條件以消除假設條件為來流吹襲、列車靜止而引起地面附面層對列車氣動性能計算的影響［6］.

1.5 計算設置

求解模型建立后我們希望得到穩定的外流場情況，所以選擇:Steady，Gas，3D，采用分離求解器Segregated flow，該求解器在求解低速不可壓縮流動時比分離求解器收斂性更好，求解更高效.同時選擇理想氣體，湍流模型選擇Realizable K-Eplison模型，需要說明的是STAR-CCM+軟件中對該湍流模型的壁面修正默認采用的是壁面函數法，即All y+Wall Treatment.

1.6 監測曲線和監測點設定

在Reports下創建阻力系數監測工具，建立頭車阻力系數監測曲線Cd，并將監測點建立在頭車鼻端處，便于監測模型的阻力情況.

1.7 求解參數設置

一般情況下，根據計算模型需要設定計算步數，本例中由于網格量較大，可設定較多步，初定為1000，在計算中，根據收斂判據、各監測曲線及輸出欄的輸出數據，判定是否收斂和是否結束計算.STAR-CCM+軟件的便捷之處在于，在求解過程的任一時刻，都可以停止保存文件，下次求解啟動時，會在之前的求解基礎上繼續求解，除非在求解前先清空之前的求解數據，才能進行新的求解.

2 解析計算

2.1 阻力系數

由圖5阻力系數曲線可以看出，模型阻力計算曲線在開始一直呈振蕩變化狀態，振蕩程度呈逐漸減緩的趨勢，到第500步左右時趨于收斂，阻力系數值維持在0.45～0.5之間，經計算后500步平均值為0.488.

圖5 列車阻力系數曲線

2.2 速度分布

圖6是列車縱向對稱面速度矢量圖，從圖中可以看出，大部分流場均以層流的形式出現，而車身頭部及車身尾部出現了較大的渦流，且受電弓、風擋和轉向架區域的空腔內存在較為明顯的回流、漩渦現象，這是由于空氣沿列車表面流動受到外凸物的阻擋時，會出現氣流滯止區，使氣流速度降低，導致外凸物的表面壓力升高，這些部位的流場對列車阻力均有較大的影響.

圖6 列車縱向對稱面速度矢量圖

2.3 表面壓力分布

圖7為列車縱向對稱面壓力云圖，從圖中可以看出，壓力最大的部分是車頭正面鼻端部分，并且壓力沿著過渡區域逐漸降低.車頭部分的壓力主要為正壓力，這是由于列車在向前行駛過程中，將迎面靜止氣流向外排開，氣流受到鼓動開始運動，在此形成正壓區.車頭頂部和底部出現小部分負壓，這是由于氣流在列車鼻尖處氣流發生分離，一部分流向車頂，另一部分流向車底.上部氣流在流經列車頭部上緣時，氣流發生局部分離，氣流在此形成負壓區.下部氣流在列車底部形成為負壓區［7］.車尾部分的壓力主要是負壓，且壓力變化較小.正是由于列車前后存在的壓力差造成了列車的壓差阻力，這部分阻力對列車的總阻力影響較大.

圖7 列車縱向對稱面壓力云圖

3 結論

在我公司已成功搭建了具有自主知識產權和世界一流水平的時速380 km/h動車組技術平臺的背景下，高速列車新開發項目越來越多.在列車設計研發中，采用CFD的方法對整車外形進行空氣動力學的分析已經成為整車開發前期對氣動性能進行評估的有效手段之一.分析表明:

(1)車身頭部及車身尾部會出現較大的渦流，且受電弓、風擋和轉向架區域的空腔內也存在較為明顯的回流、漩渦現象，這些部位的流場對列車阻力均有較大的影響;

(2)列車的總阻力主要來源于列車所遭受的壓差阻力，且鼻端處壓力值最大并沿著過渡區域逐漸降低.合理設計高速列車兩端的端車頭部的流線型，將直接影響沿列車頭部壁面的壓力分布，進而影響阻力變化;

(3)應用CFD技術對列車外流場進行建模和仿真模擬，是一種對其進行氣動性能分析快速有效的方法.

［1］李樹民.高速列車空氣動力學及其相關問題的研究與建議［R］.綿陽:中國空氣動力研究與發展中心，2012.

［2］田紅旗.中國列車空氣動力學研究進展［J］.交通運輸工程學報，2006，6(1):1-6.

［3］王東屏，兆文忠.CFD數值仿真在高速列車中的應用及驗證［C］.2005Fluent中國用戶大會論文集，2005:59-66.

［4］田紅旗.列車空氣動力學［M］.北京:中國鐵道出版社，2007:26-32.

［5］王福軍.計算流體動力學分析［M］.北京:清華大學出版社，2004:25-26.

［6］李明.STAR-CCM+與流場計算［M］.北京:機械工業出版社，2011:211-212.

［7］劉鳳華.高速列車氣動阻力仿真分析與試驗對比研究［R］.長春:長春軌道客車股份有限公司，2010.