CRH3列車車頭曲面氣動壓力穩態數值模擬

CRH3列車車頭曲面氣動壓力穩態數值模擬*

孔凡國，馬麗明，王健

(五邑大學機電工程學院，廣東江門529020)

摘要：針對列車提速所引起的鐵路噪聲問題，尤其是在高速運行情況下占主導的氣動噪聲問題。通過對列車模型的氣動噪聲進行穩態數值模擬分析，探究列車不同速度運行時的表面壓力分布情況，從而為列車的車身設計提供參考。在Lighthill聲學理論的基礎上，采用常用的k-ε模型以及SIMPLE算法進行計算，分別對CRH3列車在300 km/h和350 km/h的運行速度下的穩態模擬結果進行分析，研究不同速度下列車頭部各部分的流場特征。

關鍵詞:CRH3氣動噪聲k-ε模型SIMPLE算法流場特征

中圖分類號：U260.331文獻標識碼：A

基金項目：廣東省自然科學基金資助項目(06029824)。

作者簡介：孔凡國(1966-)，男，江西九江人，教授，博士，主要從事軌道交通車輛工程、數字化設計與制造、制造業信息化、多學科優化設計、機電控制、復雜系統建模與仿真等方面的技術研究工作。

收稿日期：2015-02-02

Steady numerical simulation of pneumatic pressure on the front surface of CRH3

KONG Fanguo, MA Liming, WANG Jian

Abstract:Aiming at the problem of railway noise caused by the high train speed, especially the aerodynamic noise problems, through the steady numerical simulation of pneumatic pressure in the front surface of CRH3, the study explores the surface pressure distribution at different speed of the train, so as to provide reference for the design of train body. Based on Lighthill acoustic theory, the k-ε model and SIMPLE algorithm was adopted to calculate it. The results of the steady numerical simulation at the running speed of 300km/h and 350km/h were analyzed, and the flow field characteristics of each part of the train head under different velocity were examined.

Keywords:CRH3; aerodynamic noise;k-ε model; SIMPLE algorithm; flow field characteristics

隨著高鐵速度的不斷提升，由此所引起的鐵路噪聲問題已越來越受到人們的關注。據國內外鐵路噪聲理論的研究和試驗，鐵路噪聲主要由牽引噪聲、輪軌噪聲以及空氣動力噪聲等組成[1]。目前，通過對鋼軌和車輪的阻尼處理或動力吸震，國內外研究人員在降低輪軌噪聲方面已取得了顯著成果。而根據列車運行的聲學轉換速度，在輪軌噪聲得到有效控制后，如果列車的運行速度達到250 km/h時，空氣動力噪聲將成為鐵路噪聲的主導部分。

本文以Lighthill聲學理論為基礎，采用工程上常用的k-ε模型以及SIMPLE算法進行計算，分別對高速列車在300 km/h和350 km/h的運行速度下的穩態模擬結果進行分析，研究不同速度下列車頭部各部分的流場特征。

1聲學理論基礎

1.1Lighthill方程

為了能夠獲得符合列車在行駛時所引起的氣動噪聲的波動方程，作以下類比，如圖1所示。

圖1　頭車外聲場的源點與 觀察點示意圖線

在圖1中，可以看作是列車的速度v在無限大的聲介質中運動，速度是U。包括列車的外表面在內的擾動場里的一點y聲源點，在τ時刻，y處的聲源發出的聲音，在t時刻傳到了x處[2]。引入了一個以速度為U隨著流體運動的坐標系y′來進行與其對應的坐標轉換，即是：

yi′=yi-δ1iUτ

(1)

式中：δij—單位張量。

Lighthill方程在運動坐標系下的形式為：

(2)

式中：ρ0—未受到擾動的流體密度；

p′—流場中壓力的脈動量，p′=p-p0；

c0—聲速；

在固定坐標下的形式為：

(3)

即廣義上的Lighthill模型，式中：

ρ′—流體密度的波動量，ρ′=ρ-ρ0；

p0—未受到擾動的流場壓力。

1.2FW-H聲學類比方程

FW-H聲學類比方程為：

(4)

式中：ui—xj方向上的流速分量；un—面f=0的法向流速分量；vi—xi方向上的面速度分量；vn—正交與面的面速度分量；δ(f)—迪拉克三角函數；H(f)—海維賽德函數；p′—遠聲場中的聲壓(p′=p-p0)。

2列車氣動噪聲數值模擬

2.1列車數值計算模型

圖2　CRH3列車計算模型圖

由于計算機硬件條件等方面的限制，計算模型無法對整車進行大渦模擬計算。因為CRH3列車的中間車廂的截面形狀是不變的,當氣流經過車頭，并流過一定距離后,繞流邊界層的結構已經趨于穩定了，此時列車氣動力變化也趨于穩定[3]。因此，選取兩節車廂作為計算模型，即頭車和尾車，如圖2所示。

2.2數值計算區域

在數值仿真計算的時候，通常采用的是把無限計算域用有限計算區域來代替[4]。為了避免出口截面受到動車組尾流的影響，在選取長度方向的尺寸則是使其滿足計算區域下游邊界遠離列車尾部這一條件，以便給定出口的邊界條件，如圖3所示[5]。

圖3　計算區域圖

其中CRH3列車參數為：車身長l=41.4 m，高度h=3.89 m，寬度w=3.3 m。計算區域的進口長度(l1=70 m)>l和出口長度(l2=130 m≈3l),計算區域的高度H=80 m>20h，寬度W=120 m。

2.3模型網格劃分

圖4　縱斷面網格圖

CRH3列車的車頭表面形狀不是十分規則，車頭帶有雨刷等復雜結構[6]。考慮到以上因素，采用非結構化四面體網格進行劃分。劃分后，靠近列車位置網格越密集，且網格以一定的增長因子由密到疏從列車周身向外均勻過渡。最小網格線尺度為0.004 m，最小網格面積達10-5m2數量級，總網格數為6435200，網格劃分結果如圖4所示。

3計算結果與分析

列車周圍的流體為空氣，如果馬赫數Ma不超過0.3時，一般認為空氣是不可壓縮的[7]。CRH3列車最高行駛速度為350 km/h，即馬赫數為0.286。所以，列車周圍空氣認定為不可壓縮氣體，空氣的密度為ρ=1.225 kg/m3，動力粘度為μ=1.4607×10-5m2/s。當列車行駛速度為350 km/h和300 km/h時，車頭表面壓力分布云圖如圖5所示。

(a)V=350 km/h　　　　　　　(b)V=300 km/h 圖5　車頭表面壓力分布云圖

根據CRH3列車不同速度的車頭表面壓力分布云圖，可得出以下結論：

1)列車在行駛過程中，迎面的靜止氣流朝外排開，列車頭部氣流產生壓縮，形成正壓區；

2)列車鼻尖位置處于紅色壓力中心區域，產生較大壓力梯度，表明此處正壓最大；

3)列車車頭雨刮處有較大傾角，使氣流在雨刮外側壓縮，形成正壓區；

4)雨刮內面與列車表面形成斜溝槽，此區域無氣流流入，出現較大負壓值，形成負壓區；

5)車底向車頭過渡的凹陷區域處于紅色壓力區，使氣流產生壓縮，形成較大的正壓區。

CRH3列車在運行的過程中，車頭的流線分布如圖6所示。

(a)車頭表面流線圖　　　　　　　(b)縱斷面流線圖 圖6　車頭流線分布圖

根據CRH3列車車頭在運行過程中的流線圖，可得出以下結論：

1)氣流在車頭鼻尖處的流向分為三部分：一部分流向車底，一部分流向車頂，另一部分則流向車體側壁面；

2)車頭曲面向車頂過渡區域，上部氣流的流動分離現象不明顯，此處產生高負壓區，且負壓絕對值逐漸減小；

3)車頭側壁向車頂和車底的過渡區域，都出現了負壓區，氣流分離現象不顯著，因此這個區域的壓力梯度也不明顯；

4)車身區域的壓力值小于車頭部分，且車身為負壓區。

為了更加細致地表現列車車頭的壓力分布，沿車身長度方向展開CRH3列車的縱斷面壓力分布，將車頭分為：車底過渡區，車頭過渡區，雨刮過渡區，前車窗過渡區，車頂過渡區。列車運行速度分別在350 km/h的壓力分布圖(圖7)和300 km/h的壓力分布圖(圖8)。

根據圖7所示的壓力分布圖，可以得出：

當列車的運行速度為350 km/h時，頭車各部位上的相同位置的壓力值明顯大于運行速度為300 km/h的壓力值；頭車各部位的壓力梯度最大位置都為曲線曲率變化較明顯的地方，且曲率變化不明顯的位置的壓力梯度較小。

不同速度的最大正壓力與最大負壓力數據統計如表1所示。

如表1中數據所示，列車速度為350 km/h的最大正、負壓力分別與速度為300 km/h的最大正、負壓力的比值為1.357、1.362，而速度的二次方比為1.361，三個比值近似相等。 所以，列車表面的最大壓力絕對值與行駛速度的二次方成正比關系。

表1　CRH3列車車頭表面最大壓力比例

4結論

在Lighthill聲學理論的基礎上，采用k-ε模型和SIMPLE算法進行計算，分別對CRH3列車在300 km/h和350 km/h的運行速度下的穩態模擬結果進行分析，研究不同速度下列車頭部各部分的流場特征。通過模擬分析，可知列車表面的壓力值隨行駛速度的提高而增大；列車表面所受壓力的壓力梯度隨著曲線曲率的增大而提高，曲率的變化越平緩，壓力梯度越低；列車表面的最大壓力絕對值與行駛速度的二次方成正比關系。

參考文獻

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