跨座式單軌列車會車氣動特性分析

沈宏麗

摘 ?要：以跨座式單軌列車為模型，運用CFD軟件STAR-CCM+的重疊網格技術，對跨座式單軌列車交會進行瞬態數值模擬技術分析，獲得單軌列車同速相向會車的氣動特性，為跨座式單軌列車氣動性能研究提供有利借鑒。

關鍵詞：跨座式單軌車列車;會車;STAR-CCM+ ;重疊網格;氣動特性

引言：目前有關列車空氣動力學方面的研究主要是針對高速列車之間，對于跨座式單軌列車會車的方面研究甚少。對跨座式單軌列車會車進行氣動特性分析，分析模型表面的壓力場有很大的意義。

一、模型建立與網格劃分

使用CATIA三維建模軟件建立單軌車會車模型，考慮到研究的需要和計算機的實際計算要求，兩個相向車輛都采用頭車和中間車兩個車廂，模擬采用實車模型與建立模型的比例為1：0.5。應用STAR—CCM+軟件的overset mesh技術，進行瞬態的空氣動力學數值模擬。計算模型的網格尺度如下表所示。

? ? ? 表1 ?瞬態模擬網格尺度

單軌列車會車起至位置如圖1。整個會車距離為三倍的車身長度。

（a）單軌列車會車起始位置 ? ?（b）單軌列車會車終止位置

（c）單軌列車并行橫向間距

圖1 ?單軌列車會車布局圖

二、邊界條件及參數的設定

重慶跨座式單軌列車實際運行中最高車速為65km/h。本次會車計算的最高車速設為80km/h。

具體邊界條件如表2所示

表2 ?瞬態模擬邊界條件的設置

本次模擬計算為瞬態模擬，瞬態模擬的時間步長為取決于庫朗數：

其中為最小網格尺寸，v為列車相對于流體的速度，C是庫朗數。本次計算的網格最小尺度為120mm，取時間步長0.0025s。

三、仿真結果及分析

（一）氣動力系數變化分析。對壓力為標準大氣壓的單軌列車等速會車計算結果整理分析，得到單軌列車隨兩車縱向距離變化的氣動阻力系數Cd值變化特性曲線。

圖2 ?單軌列車氣動阻力系數Cd值變化

從圖2單軌列車氣動阻力系數Cd值變化可以看出，單軌列車在會車的過程中氣動阻力系數變化呈現出類似正弦式的變化。在會車過程中，氣動阻力系數隨著兩車縱向距離的變化而發生變化，單軌列車阻力系數分別在時間步為160附近和時間步為360附近出現峰值。

（二）壓力場特性分析。正壓區域主要集中在運動單軌車的頭部區域，負壓區域集中在運動單軌車的尾部區域、靠近頭部的肩部附近以及列車交會的干擾側面。在會車運動過程中，隨著運動列車逐漸靠近，單軌列車頭部正壓區域的面積漸漸變大，時間步為160之后，頭部區域正壓面積不斷減小，加上單軌列車尾部高速尾渦受到側面列車的影響而降低，尾部區域負壓減小。

四、結語

在整個會車過程中，單軌列車氣動阻力系數呈現類似正弦式的變化趨勢，氣動阻力系數、壓力場都隨著兩車縱向距離的變化而發生變化。

參考文獻：

[1] 王福軍.計算流體動力學分析—CFD軟件原理與應用[M].清華大 ? 學出版社，2004.

[2] 劉博. 跨座式單軌車輛氣動性能分析[D]：碩士學位論文.重慶：重慶交通大學，2010.