高速列車近尾流區(qū)渦旋結(jié)構(gòu)的湍流特性分析

潘永琛，姚建偉，梁　策，李昌烽

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京　100081； 2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京　100081； 3.江蘇大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

高速列車的尾流是非常復(fù)雜的湍流流動(dòng)，尤其在其近尾流區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生并密集分布著湍流渦旋結(jié)構(gòu)，這使得高速列車尾車部位成為氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)噪聲問題的主要來源之一[1-3]。

針對(duì)高速列車的尾流，很多學(xué)者進(jìn)行了大量研究。Baker等[4-6]針對(duì)高速列車的湍流邊界層參數(shù)(邊界層厚度和形狀因子等)和流場特性(包括尾流區(qū))進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)研究以及相關(guān)的討論分析。Muld等[7]應(yīng)用本征正交分解重構(gòu)高速列車縮尺模型的尾流流場，借此討論其流動(dòng)結(jié)構(gòu)。Yao等[8]結(jié)合瞬態(tài)的壓力、速度和渦量分布云圖，對(duì)高速列車的湍流尾流進(jìn)行分析，并討論了尾車的氣動(dòng)特性參數(shù)(如升力系數(shù)等)。Hemida等[9]研究討論了尾流區(qū)的瞬態(tài)流動(dòng)，認(rèn)為相比于車體表面邊界層，近尾流區(qū)復(fù)雜的三維湍流具有更大的湍流結(jié)構(gòu)，對(duì)近尾流區(qū)的空氣流動(dòng)情況發(fā)揮著重要的影響作用。以上試驗(yàn)和數(shù)值研究大多是分析高速列車尾流區(qū)的瞬態(tài)流場信息，比如壓力、速度以及渦量的分布情況，并討論相關(guān)的氣動(dòng)特性，鮮有從湍流動(dòng)力學(xué)的角度對(duì)近尾流區(qū)渦旋結(jié)構(gòu)的湍流特性進(jìn)行分析。

本文針對(duì)高速列車近尾流區(qū)的渦旋結(jié)構(gòu)，通過分析湍流動(dòng)力學(xué)中較重要的物理統(tǒng)計(jì)量(包括湍動(dòng)能和雷諾應(yīng)力)，討論其湍流流動(dòng)特性，以期豐富以往試驗(yàn)和數(shù)值研究中對(duì)高速列車湍流尾流的認(rèn)識(shí)，為減阻降噪等研究提供潛在可行的解決思路。

1　數(shù)值模擬方法

1.1　高速列車簡化模型及計(jì)算域

以CRH380A型高速動(dòng)車組為原型，建立比例尺為1∶30的高速列車空氣動(dòng)力學(xué)模型，其由頭車和尾車以及2節(jié)車廂構(gòu)成。建立高速列車空氣動(dòng)力學(xué)模型時(shí)經(jīng)過簡化，除了按一般方法處理，即不考慮受電弓部件、車廂間的連接間隔以及車窗和車門等細(xì)節(jié)外，還忽略了轉(zhuǎn)向架，并對(duì)模型底面進(jìn)行平滑處理。該模型整體上保留了對(duì)近尾流區(qū)渦旋結(jié)構(gòu)生成和發(fā)展起重要作用的高速列車幾何特征，即較大的長細(xì)比和頭部的氣動(dòng)外形。

參考已有數(shù)值模擬研究[7, 9, 11]，確定計(jì)算域的幾何尺寸，如圖1所示。圖中：h為高速列車空氣動(dòng)力學(xué)模型的高度。考慮到雷諾數(shù)的影響作用[10]，基于模型高度h和平均來流速度v∞的平均流動(dòng)雷諾數(shù)Re達(dá)到3×105(Re=v∞h/νK；νK為空氣運(yùn)動(dòng)黏度，取1.5×10-5m2·s-1)，馬赫數(shù)Ma約為0.12(Ma=v∞/c；c為音速)，因馬赫數(shù)小于0.3，則空氣可視為不可壓縮流體。

圖1　計(jì)算域幾何尺寸及邊界條件

計(jì)算域的邊界條件如圖1所示。將進(jìn)口條件設(shè)為速度進(jìn)口，平均來流速度矢量為(v∞, 0, 0) m·s-1；將出口條件設(shè)為壓力出口；設(shè)湍流強(qiáng)度為0.05，湍流長度尺度取0.1h[7]。計(jì)算域底面為無滑移的移動(dòng)壁面并以平均來流速度v∞運(yùn)動(dòng)，除進(jìn)、出口外的兩側(cè)邊壁和頂面均設(shè)為滑移壁面。此外，空氣動(dòng)力學(xué)模型表面設(shè)為無滑移的固定壁面。

1.2　網(wǎng)格劃分

計(jì)算網(wǎng)格主要由近壁區(qū)的棱柱層以及遠(yuǎn)離壁面區(qū)域的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格構(gòu)成。車體表面附近網(wǎng)格的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可見：在車體表面設(shè)置的邊界層網(wǎng)格(即棱柱層)為12層。車體表面上第1層邊界層網(wǎng)格單元的無量綱厚度δ+約為1(δ+=vτδ/νK，vτ為摩阻速率，δ為車體表面法向方向上邊界層網(wǎng)格單元厚度)，拉伸因子為1.3。

圖2　車體表面附近網(wǎng)格的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了準(zhǔn)確模擬車身及近尾流區(qū)域空氣的流動(dòng)情況并捕捉到必要的渦旋結(jié)構(gòu)，對(duì)車身周圍以及尾流區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格加密，共細(xì)化了5個(gè)區(qū)域的網(wǎng)格，如圖3所示。通過參考相關(guān)文獻(xiàn)[7-8]，在不影響計(jì)算效率并能夠獲取影響尾車氣動(dòng)特性的大尺度渦旋結(jié)構(gòu)的情況下，在近尾流區(qū)中加密網(wǎng)格單元的最小尺寸約為0.02h(不考慮棱柱層法向間距)，而加密區(qū)內(nèi)六面體網(wǎng)格單元的最大尺寸小于0.08h。整個(gè)計(jì)算域的網(wǎng)格單元總數(shù)約為1 300萬個(gè)。

圖3　網(wǎng)格加密區(qū)示意圖

1.3　數(shù)值方案

分離渦模擬方法(DES)是將大渦模擬方法(LES)與雷諾平均方法(RANS)相結(jié)合，可在一定程度上降低對(duì)計(jì)算硬件資源的要求，提高計(jì)算效率，同時(shí)可以捕捉到比非穩(wěn)態(tài)雷諾平均方法(URANS)更為精確的瞬態(tài)流場信息[8]。模擬中采用了基于Spalart-Allmaras湍流模型的改進(jìn)型延遲分離渦模擬方法(IDDES)。

通過隱式耦合求解器對(duì)非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值求解。對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式；時(shí)間項(xiàng)采用隱式二階格式；時(shí)間步長Δt取0.02h/v∞，這樣對(duì)于絕大部分網(wǎng)格，對(duì)流庫朗數(shù)Co小于1(Co=v∞Δt/Δx，Δx為x方向上計(jì)算網(wǎng)格的間距)，有助于數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性。

2　高速列車尾流的湍流特性分析

2.1　數(shù)值模擬結(jié)果的驗(yàn)證

高速列車尾流區(qū)形成的列車風(fēng)與渦旋結(jié)構(gòu)有緊密的聯(lián)系，可以說，湍流尾流的渦旋結(jié)構(gòu)主導(dǎo)著其誘導(dǎo)產(chǎn)生的空氣流動(dòng)所具有的一般性特征。

鑒于數(shù)值模擬中列車模型是靜止的，列車風(fēng)速度vSSt定義[12]為

(1)

式中：vx和vy分別為列車周圍流場在x方向與y方向上的瞬時(shí)流動(dòng)速度。

圖4和表1給出了通過數(shù)值模擬與試驗(yàn)得到的列車風(fēng)速度對(duì)比情況，其中DES結(jié)果是對(duì)瞬時(shí)列車風(fēng)速度進(jìn)行時(shí)間平均得到的。

圖4　DES數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

方法比例尺Re列車風(fēng)速度峰值YsZnDES模擬1∶303×10502113003試驗(yàn)(軌旁)[12]1∶106×10502320005試驗(yàn)(站臺(tái))[12]1∶106×10501520035LES[9]1∶203×10503113005

注：展向Ys為相應(yīng)位置與模型半寬W/2的比值；引用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)的垂向位置Zn以軌面為基準(zhǔn)；列車風(fēng)速度峰值用特征速度進(jìn)行無量綱化。

由圖4可知：在-4h0時(shí)，一方面，模擬曲線沿流向逐漸抬升并出現(xiàn)峰值，這與試驗(yàn)結(jié)果在發(fā)展趨勢上保持一致，另一方面，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在差異，這是由于列車頭型的差異對(duì)列車風(fēng)的影響作用是很顯著的[13-14]。

由DES得到的列車風(fēng)數(shù)據(jù)整體上符合近尾流區(qū)渦旋結(jié)構(gòu)主導(dǎo)的典型流動(dòng)特征，這在一定程度上說明DES模擬捕捉到了近尾流區(qū)渦旋結(jié)構(gòu)的存在和發(fā)展。因此，下文中對(duì)近尾流區(qū)渦旋結(jié)構(gòu)湍流特性的分析討論具有合理性。

2.2　近尾流區(qū)渦旋結(jié)構(gòu)的湍流特性

1)湍動(dòng)能

湍動(dòng)能為

(2)

垂向位置z分別為0.03h，0.11h和0.24h時(shí)不同展向位置處(y分別為0，0.25h，0.50h，0.67h和0.83h)湍動(dòng)能沿流向的變化曲線如圖5所示。由圖5可見：當(dāng)z為0.03h時(shí)，展向位置y=0和0.25h對(duì)應(yīng)的湍動(dòng)能曲線在流向范圍0

圖5對(duì)應(yīng)于z=0.03h，0.11h和0.24h的不同展向位置處湍動(dòng)能沿流向的變化曲線

2)雷諾應(yīng)力

3　結(jié)　論

(1)分析湍動(dòng)能的變化規(guī)律可知，在尾車鼻端附近，近尾流區(qū)渦旋結(jié)構(gòu)中的湍流渦旋非常活躍，這是由于湍流渦旋具有可觀的湍動(dòng)能所致；隨著湍流渦旋向下游的發(fā)展，其湍動(dòng)能逐漸耗散；與此同時(shí)，由于渦旋結(jié)構(gòu)攜帶的能量沿展向方向移動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致湍動(dòng)能在該方向上的分布出現(xiàn)差異。

(2)分析雷諾應(yīng)力的變化規(guī)律可知，受到由車體側(cè)表面分離形成的剪切流動(dòng)的影響和作用，在尾車鼻端附近，近尾流區(qū)渦旋結(jié)構(gòu)中的湍流渦旋在較高的垂向位置處能夠使流向與展向的脈動(dòng)速度之間保持很好的相關(guān)性，而離尾車稍遠(yuǎn)的湍流渦旋，則會(huì)在較低的垂向位置處會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較大的雷諾應(yīng)力；雷諾應(yīng)力在垂向上的變化規(guī)律是受到分別來自車底區(qū)域和車體頂部的分離剪切流動(dòng)的影響和作用而導(dǎo)致的，并且位于尾車鼻端附近，近尾流區(qū)渦旋結(jié)構(gòu)中的湍流渦旋在由車體底部分離形成的剪切流動(dòng)的作用下，能夠使流向與垂向的脈動(dòng)速度之間保持相對(duì)較好的相關(guān)性，即相應(yīng)的雷諾應(yīng)力顯著。

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