基于STAR—CD軟件的高速列車側風中運行時外部流場研究

趙鶴群 孫佳瑩

摘 要：本文采用基于有限體積方法的STAR-CD軟件，對側風環境中高速列車外部流場進行數值模擬研究。通過分析，建立了完整的數學和物理模型，為以后進行高速列車設計改進研究提供了一定的參考價值。

關鍵詞：空氣動力；高速列車；數值模擬；側風穩定性

概述：隨著計算機和計算機技術的迅速發展而蓬勃興起，數值模擬方法為列車空氣動力學的研究開辟了新的途徑。通過計算機求解相應的數學方程組，研究列車流場的流體運動特性，給出流體運動規律，為列車車身設計等提供科學依據。同試驗方法相比，數值模擬具有可預先研究、成本低、不受條件限制、信息豐富、周期短等特點。因此本文采用了數值模擬的方法研究列車空氣動力學特性，對高速列車側風環境下不同車速運行時外部流進行數值模擬研究[1][2]。

一、研究思路與方法

主要包括以下內容：（1）通過Pro/E建立列車模型；（2）并用

ICEMCFD軟件劃分網格；（3）應用STAR-CD軟件數值模擬計

算；（4）進行多工況研究，分析不同溫度環境下運行條件的列車外部流場特性。

通過以上研究，可以建立一套完整的、快捷的計算列車外部流場的物理模型和數學模型。首先應用PRO/E建立列車模型，再利用ICEM劃分網格，最后應用STAR-CD軟件進行數值模擬計算。將計算的結果與風洞試驗結果進行對比，來驗證數值計算模型和方法的正確性。并使用正確模型進行參數研究、網格獨立性研究、不同車速工況下外部流場特性探究。具體實施步驟如圖1所示。

圖1 具體實施步驟

二、數值計算模型及計算區域

圖2 風洞實驗使用ATM模型及本文計算使用列車模型

通過Pro/E軟件建立ICE2高速列車模型如圖2所示?？紤]到建立網格的復雜性以及參考文獻中使用模型，去除了轉向架、受電弓、空調罩等復雜結構，但保留了風擋等對空氣動力學影響效果顯著的關鍵部位，為今后進行實車實驗對比計算以及諸如地面效應等更深入的列車空氣動力學問題的研究打下基礎。

高速列車對周圍空氣的擾動隨著離開列車的距離增大而減小。理論上講，列車對周圍空氣的影響范圍是無窮遠的。但由于硬件限制，數值計算區域不可能選取無窮大，因此計算中通常以不影響車體附近的流體流動為限來確定計算區域的邊界。參考前人的研究，本文湍流特征尺度L取車寬值0.3m，計算域的邊界距車體6倍車寬以上，其中模型側面為橢圓區域長軸為

17L，短軸為12.5L。計算區域入口距車頭6.25L，計算區域出口距車尾30L。計算區域雷諾數Re=1.4×106，速度U取來流速度70m/s，偏航角選取30度，空氣運動粘性系數v （20℃）取15×

106m2/s。車體幾何尺寸、計算區域及坐標軸方向如圖3所示。

圖3 計算區域示意圖

模型網格劃分使用ANSYS ICEM CFD軟件，它是生成網格的專用軟件，可生成塊結構化網格、非結構化網格，以及H型自適應網格。本文建立了結構化網格進行數值計算，如圖4所示：

圖4 車體周圍和橫截面網格示意圖

三、研究結果分析與討論

通過上述工作建立的計算模型進行數值模擬計算，處理計算結果，在表1中給出了計算得到的三個方向的升力系數與風洞試驗及相關文獻數值計算得到結果比對分析狀況，對比發現本文計算結果誤差值較小，計算結果真實可信。

表1 計算結果與實驗文獻結果對比

在驗證后的計算模型基礎上改變列車運行速度，計算得到30°偏航角下的三個方向的升力系數結果如表2所示，分析結果發現，隨著車速的提高，各項系數都顯著提高，特別是車速超過300 km/h后，提高幅度更加顯著。分析原因認為當車速超過300 km/h后，空氣變的可壓縮，使得列車周圍環境更加復雜，阻力呈現非線性增長。

表2 不同偏航角工況氣動力系數對比

在驗證后的計算模型基礎上改變外部溫度，計算得到的三個方向的升力系數結果如表2所示：

表3 不同外部溫度下計算結果對比

不同外部溫度模型外部壓力系數云圖如圖5所示，結果表明不同外部溫度計算的結果存在一定差別，30℃時列車背風側的旋渦結構最為清晰，隨著溫度的降低，背風側的旋渦越來越弱，旋渦結構變弱。分析原因發現對于氣體，溫度降低時氣體分子運動減弱，由于氣體粘性切應力主要來至于層流分子間分子的動量交換，所以粘性降低，導致流體的湍流強度變化，背部渦流變弱。

圖5 30℃、20℃和-20℃三種模型壓力系數云圖對比

四、結論與展望

本文基于CFD技術，以ICE2高速列車實驗模型為基礎，建立數值模擬模型，進行側風條件下列車外部流場數值模擬研究。計算結果與實驗結果進行對比，驗證了本文研究方法可行，數值模擬結果可信。

確定結構化最為合理的網格系統后，首先進行不同車速下列車外部流場計算，結果表明隨著車速的提高，阻力、升力、側向力系數都顯著提高，特別是車速超過300 km/h后，提高幅度更加明顯。

針對東北低溫氣候條件下列車外部流場特征進行研究，計算結果表明，高速列車在側風環境下對溫度反應十分敏感，隨著溫度的變化，各項空氣動力發生顯著變化，側向力和升浮力隨著溫度變化顯著，列車發生脫軌、翻車的危險性增大。

五、對未來研究的建議

（1）對帶有轉向架、受電弓等零部件的真實列車模型進行數值模擬。（2）本文只使用了高雷諾數模型進行研究，建議今后采用大渦模擬的方法對列車外部流場進行數值模擬研究，可以求得更加真實精確地外部流場。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國鐵道部網站：http：//www.china-mor.gov.cn

[2] 李佳圣.列車側風效應的數值模擬研究[D].成都，西南交通大學，2004.