大風(fēng)環(huán)境列車(chē)橫截面外形優(yōu)化

董天韻 鐘 睦 梁習(xí)鋒

(中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院 軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410075)

我國(guó)鐵路沿線環(huán)境復(fù)雜、氣候多變,對(duì)列車(chē)運(yùn)行氣動(dòng)性能影響顯著。沿海地區(qū)和部分地勢(shì)平坦內(nèi)陸地區(qū)存在大風(fēng),影響列車(chē)運(yùn)行穩(wěn)定性,可能引起列車(chē)脫軌、傾覆和人員傷亡,對(duì)列車(chē)運(yùn)行以及人身安全造成威脅[1-8]。

Minora等[9-10]在研究中指出,橫風(fēng)作用下列車(chē)外形會(huì)對(duì)列車(chē)所受氣動(dòng)性能產(chǎn)生顯著影響,而車(chē)輛外形較圓滑會(huì)擁有更好的橫風(fēng)穩(wěn)定性。Krajnovic[11]嘗試?yán)谜囗?xiàng)式響應(yīng)曲面模型對(duì)列車(chē)的阻力、升力、橫風(fēng)穩(wěn)定性等氣動(dòng)特性進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)高速列車(chē)的頭部橫風(fēng)穩(wěn)定性及減阻導(dǎo)流裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)。于夢(mèng)閣、熊駿等[12-13]對(duì)列車(chē)尤其是頭型進(jìn)行參數(shù)化建模,提取設(shè)計(jì)變量對(duì)橫風(fēng)作用下列車(chē)整體外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化結(jié)果表明各方面指標(biāo)均有所改善。

由于列車(chē)較長(zhǎng),車(chē)身等截面部分占比較大,因此車(chē)身貢獻(xiàn)的橫向氣動(dòng)作用則成為影響列車(chē)橫向穩(wěn)定性的主要因素之一。通過(guò)改變車(chē)身截面外形,優(yōu)化其所受橫向力、升力以減小傾覆力矩,降低列車(chē)傾覆危險(xiǎn)性,是一種可行而有效的方法。張潔等[14]通過(guò)比較3種特定形式斷面形狀列車(chē),得到了三維條件下有較優(yōu)氣動(dòng)性能的列車(chē)斷面。李紅霞等[15]對(duì)列車(chē)斷面寬度、高度、過(guò)度角半徑進(jìn)行了固定參數(shù)的比選,得到適當(dāng)增大過(guò)度角半徑可以改善橫向穩(wěn)定性的結(jié)論。雖然研究工作對(duì)橫風(fēng)下列車(chē)車(chē)身斷面外形優(yōu)化進(jìn)行了探索,但是主要還是使用固定外形進(jìn)行方案比選的方法,難以避免主觀上對(duì)方案參數(shù)選擇的不全面。因此本文旨在對(duì)橫風(fēng)條件下較優(yōu)斷面外形進(jìn)行探索,并對(duì)現(xiàn)有高速列車(chē)斷面進(jìn)行優(yōu)化,以得到具有更好橫風(fēng)性能的車(chē)身斷面外形。

研究工作從矩形樣本截面出發(fā),通過(guò)比較不同優(yōu)化部位對(duì)傾覆力矩的影響,得到各部位對(duì)橫風(fēng)性能的影響規(guī)律,確定斷面外形優(yōu)化的關(guān)鍵部位。再以高速列車(chē)實(shí)際斷面為研究對(duì)象,對(duì)現(xiàn)有車(chē)體斷面外形進(jìn)行優(yōu)化。

1 計(jì)算區(qū)域、邊界條件及網(wǎng)格驗(yàn)證

考慮列車(chē)車(chē)體中部截面不變,使用二維模型進(jìn)行研究。以均勻來(lái)流模擬橫風(fēng),風(fēng)速設(shè)置為40 m/s,馬赫數(shù)小于0.3,流動(dòng)按不可壓縮處理。此條件下流動(dòng)大多為湍流流動(dòng),應(yīng)用k-epsilon雙方程模型[16]對(duì)湍流進(jìn)行模擬。網(wǎng)格使用非結(jié)構(gòu)形式,并對(duì)壁面附近進(jìn)行網(wǎng)格加密,第一層網(wǎng)格厚度為1 mm,滿足k-epsilon模型對(duì)第一層壁面網(wǎng)格30＜y+＜150的要求。為保證流入和流出計(jì)算域的流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)均能達(dá)到穩(wěn)定,流體入口AD與車(chē)體之間的距離設(shè)置為10H,流體出口與車(chē)體之間的距離設(shè)置為22H,模型頂部AB與車(chē)體之間的距離設(shè)置為11H。計(jì)算域尺寸見(jiàn)圖1。H=3 500 mm,L=3 367 mm。模型底部距離地面為600 mm。

為考察網(wǎng)格密度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,使用3種密度網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算比較,見(jiàn)圖2,所得結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn),網(wǎng)格一加密到網(wǎng)格二后氣動(dòng)力變化幅度較大。從網(wǎng)格二加密到網(wǎng)格三后,氣動(dòng)力與力矩的變化很小,橫向力、升力、傾覆力矩與網(wǎng)格三分別相差0.1%、2.5%、3.0%。因此本文使用網(wǎng)格二進(jìn)行后續(xù)分析。

圖1 計(jì)算域尺寸

圖2 3種密度網(wǎng)格

表1 不同網(wǎng)格密度計(jì)算結(jié)果

2 矩形斷面優(yōu)化

以矩形斷面為初始斷面,基于車(chē)體結(jié)構(gòu)尺寸,以其寬度L=3 367 mm、高度H=3 500 mm 作為約束,對(duì)其不同部位分別進(jìn)行優(yōu)化,其外形參數(shù)定義示意見(jiàn)圖3。優(yōu)化部位分別為內(nèi)傾角位置高度H1、側(cè)壁上傾角α、側(cè)壁下傾角β、頂部折角γ、頂部折角邊長(zhǎng)L1、底部折角θ、底部折角邊長(zhǎng)L2。優(yōu)化內(nèi)傾角位置高度H1時(shí),固定α=β=5°;優(yōu)化側(cè)壁上傾角α?xí)r,固定β=3°,H1=1 500 mm;優(yōu)化側(cè)壁下傾角β時(shí),固定α=3°,H1=1 500 mm;優(yōu)化頂部折角γ時(shí),固定L1=600 mm;優(yōu)化L1時(shí),固定γ=40°;優(yōu)化底部折角θ時(shí),固定L2=600 mm;優(yōu)化L2時(shí),固定θ=45°。變化外形參數(shù)時(shí),未涉及的其他參數(shù)變量默認(rèn)為0。以?xún)A覆力矩為優(yōu)化目標(biāo),得到計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。

圖3 外形參數(shù)定義示意(單位：mm)

圖4 氣動(dòng)力、力矩隨頂部折角γ變化

頂部折角γ從20°增加到60°過(guò)程中(見(jiàn)圖4),車(chē)體受到的橫向力與負(fù)升力均表現(xiàn)為先減小后增加。這是由于在角度增加初期,折角起到了引導(dǎo)氣流更加順利越過(guò)車(chē)頂?shù)男Ч?直接作用于車(chē)體的氣流減少,既氣流作用于車(chē)體的橫向分量減小,表現(xiàn)為阻力減小。同時(shí),由于越過(guò)頂部的氣流對(duì)車(chē)體作用角度的改變,原本直接作用于車(chē)體的氣流越過(guò)車(chē)頂時(shí)增加了車(chē)頂?shù)呢?fù)壓,表現(xiàn)為列車(chē)的升力增加,由于此時(shí)列車(chē)升力為負(fù),因此為負(fù)升力減小。在角度達(dá)到一定值以后,繼續(xù)增加角度反而阻礙了氣流的繞流,氣流開(kāi)始重新作用在車(chē)體表面,與角度增加時(shí)氣流對(duì)車(chē)體的作用剛好相反。當(dāng)γ取到40°左右時(shí),截面橫風(fēng)氣動(dòng)性能較好,傾覆力矩最大值與最小值之間相差39.42%。所以γ對(duì)截面的橫向氣動(dòng)性能影響顯著。

圖5 傾覆力矩隨不同參數(shù)變化

其他參數(shù)變化時(shí)目標(biāo)截面傾覆力矩變化見(jiàn)圖5,與上述分析類(lèi)似,參數(shù)的變化引起橫向力與升力的分配,改變了傾覆力矩的大小。從傾覆力矩隨各參數(shù)的變化可以看出,高度H1增加過(guò)程中,車(chē)體所受傾覆力矩總體呈現(xiàn)波動(dòng)中上升趨勢(shì),H1從1 000 mm 增加到2 400 mm,傾覆力矩上升了13.54%。隨著側(cè)壁上傾角α不斷增大,列車(chē)受到的傾覆力矩呈現(xiàn)下降趨勢(shì),α從1°增長(zhǎng)到5°,傾覆力矩下降了8.31%。在實(shí)際使用中如果α值過(guò)大,則會(huì)影響車(chē)輛使用空間,當(dāng)α=3.0°時(shí),車(chē)體傾覆力矩取得一個(gè)相對(duì)較小的值。隨著側(cè)壁下傾角β增大,列車(chē)的傾覆力矩整體呈上升趨勢(shì),β從0°增大到8°過(guò)程中,傾覆力矩上升了7.61%,β為3.5°時(shí)傾覆力矩取得一個(gè)較小值。頂部折角邊長(zhǎng)L1的增大,車(chē)體傾覆力矩下降,L1從100 mm 增大到900 mm,車(chē)體傾覆力矩下降了39.38%。底部折角角度θ的增大,車(chē)體受到傾覆力矩整體為先升后降趨勢(shì),在θ=45°處,傾覆力矩值下降幅度較大。隨著L2的增大,傾覆力矩整體為上升趨勢(shì),L2=100 mm處與L2=900 mm處傾覆力矩相比上升了19.81%。

傾覆力矩隨側(cè)壁上傾角α變化的規(guī)律與頂部折角邊長(zhǎng)L1變化一致,原因是兩者的變化都可以引導(dǎo)氣流更順暢的越過(guò)車(chē)頂,從而減小側(cè)面受到的氣流沖擊。傾覆力矩隨側(cè)壁下傾角β的變化規(guī)律與底部折角邊長(zhǎng)L2變化規(guī)律一致,因?yàn)閮烧叩淖兓紩?huì)引起氣流向列車(chē)下方運(yùn)動(dòng),列車(chē)下方空間有限,氣流無(wú)法更好地經(jīng)過(guò)車(chē)體,作用在列車(chē)的橫向沖擊無(wú)法有效減小;另一方面,從側(cè)面流向車(chē)身下方可能導(dǎo)致升力增加,加大傾覆危險(xiǎn)。內(nèi)傾角位置高度H1變化綜合了上述2種效應(yīng),在H1增大過(guò)程中會(huì)同時(shí)影響氣流向上與向下流動(dòng)的比例,但是當(dāng)H1處于一個(gè)合適中間值時(shí),傾覆力矩較小。

從傾覆力矩結(jié)果可以看出頂部折角γ與底部折角θ的變化并非單調(diào)增長(zhǎng),而且傾覆力矩受其影響較大,存在進(jìn)一步優(yōu)化的可能性。

將每個(gè)部分得到的優(yōu)化結(jié)果組合得到優(yōu)化樣本,這里稱(chēng)折角模型,見(jiàn)圖6(a)。將優(yōu)化前后氣動(dòng)性能進(jìn)行比較,結(jié)果見(jiàn)圖6(b)。

圖6 優(yōu)化前后氣動(dòng)性能對(duì)比

由圖6(b)可以看出,折角模型的橫向氣動(dòng)性能校矩形模型有了很大的改善。其橫向力下降28.28%,負(fù)升力變?yōu)檎?絕對(duì)值下降42.85%,傾覆力矩值下降45.91%。

3 列車(chē)斷面優(yōu)化

通過(guò)對(duì)折角模型的分析,上折角γ以及底部折角θ表現(xiàn)出明顯的非單調(diào)變化趨勢(shì)。因此在列車(chē)斷面的優(yōu)化設(shè)計(jì)中,可以著重針對(duì)這2個(gè)過(guò)渡部位進(jìn)行優(yōu)化。

以列車(chē)橫斷面形狀為優(yōu)化對(duì)象,利用10個(gè)點(diǎn)將列車(chē)左側(cè)橫斷面輪廓線分為9段,將1、2、4、5、6、7、10,7個(gè)點(diǎn)設(shè)置為固定點(diǎn)來(lái)固定車(chē)體橫斷面形狀的總體框架;通過(guò)調(diào)整上下2個(gè)過(guò)渡部位,點(diǎn)3(x1,y1)、8(x2,y2)、9(x3,y3)的位置對(duì)車(chē)體橫風(fēng)氣動(dòng)性進(jìn)行改進(jìn)(其初值見(jiàn)表2),優(yōu)化斷面見(jiàn)圖7。

圖7 目標(biāo)優(yōu)化斷面

使用Star-ccm+中Optimate優(yōu)化模塊的Sherpa算法來(lái)進(jìn)行尋優(yōu)處理。Sherpa算法在優(yōu)化過(guò)程中使用多種優(yōu)化方法進(jìn)行組合尋優(yōu),能更全面的發(fā)揮各優(yōu)化方法的長(zhǎng)處,提高優(yōu)化的效率和結(jié)果。

整個(gè)優(yōu)化過(guò)程可分為3個(gè)部分,首先是在較大設(shè)計(jì)空間內(nèi)對(duì)橫斷面形狀進(jìn)行優(yōu)化,尺寸變化增量為0.05 m,得到優(yōu)化值;縮小參數(shù)變化范圍和收縮步長(zhǎng),進(jìn)行第一次局部?jī)?yōu)化,尺寸變化增量為0.025 m,得到第一次局部?jī)?yōu)化的值;再根據(jù)第一次選優(yōu)得到參數(shù),做第二次局部?jī)?yōu)化,且縮小參數(shù)設(shè)計(jì)空間和收縮步長(zhǎng),得到最終優(yōu)化結(jié)果,見(jiàn)表2。利用這種遞進(jìn)選優(yōu)的方式,一方面可以得到較精確的計(jì)算結(jié)果,另一方面可以節(jié)省計(jì)算量。

表2 優(yōu)化過(guò)程參數(shù)與結(jié)果 m

優(yōu)化前后車(chē)體氣動(dòng)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)圖8。優(yōu)化過(guò)程中車(chē)體橫向力上升,但升力和傾覆力矩均下降,橫向力在整個(gè)優(yōu)化過(guò)程中增長(zhǎng)了24.28%,升力和傾覆力矩分別下降了75.99%和27.19%,見(jiàn)圖8(a)。在實(shí)際的運(yùn)行中,由于橫風(fēng)作用,列車(chē)車(chē)體會(huì)發(fā)生一定角度傾斜。根據(jù)規(guī)定,橫風(fēng)條件下列車(chē)允許出現(xiàn)的最大傾斜角度2.5°。將計(jì)算模型繞1點(diǎn)傾斜2.5°,進(jìn)一步計(jì)算分析結(jié)果見(jiàn)圖8(b)。從圖8(b)中可以看出,傾斜導(dǎo)致列車(chē)氣動(dòng)參數(shù)發(fā)生一定改變,但優(yōu)化后的車(chē)體截面橫風(fēng)氣動(dòng)性能仍更優(yōu)。相比原車(chē)模型,優(yōu)化后模型的傾覆力矩下降了11.22%。

圖8 優(yōu)化前后氣動(dòng)性能對(duì)比

4 結(jié)論

(1)傾覆力矩隨側(cè)壁上傾角及頂部折角邊長(zhǎng)增大呈減小趨勢(shì);隨側(cè)壁下傾角及底部折角邊長(zhǎng)增大呈上升趨勢(shì);隨內(nèi)傾角位置高度H1增加整體呈現(xiàn)變大趨勢(shì),但在中間位置存在波動(dòng);隨頂部折角與底部折角變化呈非單調(diào)增長(zhǎng)。

(2)由矩形截面優(yōu)化得到的折角模型,橫向力下降28.28%,負(fù)升力變?yōu)檎?升力大小下降42.85%,傾覆力矩減45.91%。

(3)優(yōu)化后的列車(chē)外形參數(shù)x1、x2、x3、y1、y2、y3取值分別為1.525、1.335、1.075、0.12、3.075、3.3 m。與原始列車(chē)斷面相比,優(yōu)化后的斷面橫向力增長(zhǎng)24.28%,升力和傾覆力矩分別下降75.99%和27.19%。傾斜車(chē)體狀態(tài)下,優(yōu)化模型橫風(fēng)性能依然更好,傾覆力矩較原車(chē)下降11.22%。