CRH3頭車壓力場FFC仿真分析

摘 要：為研究CRH3動車組氣動特性和預防車體局部結構疲勞，保障列車運行安全，文章應用FFC（Fluent for CATIA）軟件，對CRH3動車組頭車周圍壓力場及車體表面壓力進行流體仿真分析。結果表明：頭車車體各部位表面壓力的壓力梯度隨車體幾何曲率的增加而增加，車鼻處壓力最大；排障器、車頂及車后棱角結構倒圓角后，最大正壓力由4 220 N/m 2 減至4 150 N/m 2 ；不同車速下，車體表面的壓力值隨車速的提高而增大，最大壓力絕對值與車速的平方成正比關系。棱角結構光順，有效改善了車體周圍流場及車體表面壓力分布，減小了車鼻處壓力水平；高速度是可能導致車鼻等處局部結構疲勞的要素。

關鍵詞：FFC；動車；壓力場；數值模擬

中圖分類號：TH12；TP399 文獻標志碼：A

作者簡介：楊敏（1973-），男，碩士，副教授，主要研究方向：載運工具、計算機軟件及應用。

Gansu Science and Technology Information CATIA（Computer Aided Three-dimensional In?teractive Application）是世界上主流的三維計算機輔助設計（CAD）/計算機輔助工程（CAE）/計算機輔助制造（CAM）一體化軟件[1]，功能強大，其結構分析（Generative Structural Analysis）模塊、DMU運動機構模塊和FFC（Fluent for CATIA）流體插件，能夠分別直接進行有限元、運動和動力學仿真、流體動力學和傳熱分析。動車組高速運行時可能因振動因素出現車體局部結構疲勞[2]，氣動壓力可能加速該疲勞，需要進行氣固耦合[3]分析。文章分析氣動壓力，為研究動車組氣動特性、列車安全運行提供參考，旨在FFC環境下構建數值風洞[4]、對CRH3動車組頭車[5]周圍壓力場進行流體仿真分析[6]。總體思路是，先用CATIA建立CRH3頭車三維模型，再用其一體化插件FFC建立流體工程，依次進行流體提取、網格劃分、模擬計算，最后獲取壓力云圖，并對車體表面氣動壓力進行相關分析。

1 幾何建模

1.1 車模

應用CATIA軟件零件設計模塊，對CRH3動車組頭車進行三維建模。為方便研究，省略車底轉向架、車頂受電弓等復雜結構。模型的長、寬、高接近真車，分別是26.014 m、3.176 m、4.580 m，如圖1。

1.2 計算域

綜合相關文獻資料及試算經驗[7]，車前取3倍車長，車后取6倍車長，寬取6倍車寬，高取5倍車高，故計算域為260 m×19 m×23 m，如圖2。由于選定的流場計算域足夠大，故可認為外圍邊界對CRH3頭車周圍流場的影響甚小。

應用CATIA軟件零件設計模塊，對長方體計算域建模，通過盒體使該長方體中空（去除前后兩個面）。用裝配設計模塊，將CRH3頭車模型通過接觸約束與鋼軌裝配，該裝配體再通過接觸約束定位于計算域中空長方體“內壁”的適當位置。

2 仿真分析

列車空氣動力學[8-9]研究方法主要有模型模擬試驗（風洞、動模型）、數值模擬計算[10]（CFD）、實車路試3種[11]，文章采用CFD方法。為便于快速計算，且不失其主要物理特征，建模時已合理簡化列車細小結構。該仿真分析必須跟理論分析及實車實驗結果相對照。

2.1 FFC性能

無縫集成于CATIA的FFC（Fluent for CATIA）流動分析插件，其控制方程為Navier—Stokes方程[12]；FFC能在單機Win10系統下完成車體三維流場的模擬，其快速計算能力在列車三維流場計算中具有很大優勢，不但大大提高了計算效率，節約了計算成本，而且建模、分析的一體化可使數值模擬操作過程便捷、直觀。

2.2 仿真計算

FFC分析包括：流體提取、網格劃分、流體模擬、后處理等。

（1）流體流量提取

接1.2裝配體環境，選[開始]-[分析與模擬]--[Fluent for CATIA V5]，切換至流體分析環境。在分析管理器（Analysis Manager）目錄樹中進行幾何定義（Geometry Definition），選幾何體對稱（Geometry Symmetry）前復選框并在模型中選中對稱平面，幾何定義內選項為實體模型（solid model），進口inlet、出口outlet分別選前、后出口薄壁截面1face、1face；則流體被提取，如圖3；再為流體指定材料Air。

（2）網格劃分

目錄樹中，通過滑動速度與精度欄調整網格大?。▎卧獢担?。該例中，因模型尺寸較大，受計算機容量（以免內存不足）因素的限制，FFC在默認的中等網格條件下收斂條件相對較高，網格級別為調粗（Coarse），采用四面體網格，暫不進行車體區域網格細化[13]及邊界層網格設置。模擬計算之初，FFC也可自動生成用于CFD模擬的網格。

（3）物理定義

動車組模擬運行中，空氣按穩態湍流（Turbu?lent），湍流模型采用標準k-ε雙方程模型[14]；穩態流動中空氣按不可壓縮流體處理。在目錄樹的物理模型定義（Physics Model Definition）對話框中設置。

（4）流體模擬

通過工具按鈕，分別設定進、出口條件即可運行工程計算[15-18]。文章構建的數值風洞中，入口邊界條件Inlet Boundary（FluidInlet.1_1）.2為速度（Ve?locity），即反向車速83.3 m/s （300k m/h）；出口邊界條件Outlet Boundary（FluidOutlet.1_1）.3為靜壓（Gauge Pressure），即0 N/m 2 。

（5）計算結果

計算完成后，選壓力節點值（Pressure nodal val?ues）項，則生成車體縱向對稱面上的壓力云圖，如圖4。值得一說的是，對模型局部結構（排障器、車頂及車后棱角結構）改變后FFC流體工程計算自動進行，勿需重建工程，這提高了Fluent流體仿真的效率。

可見，CRH3動車組以300 km/h運行中，迎面的靜止氣流被排開，頭部氣流被壓形成正壓區（壓力梯度較大）從而也對車體表面產生壓力，頭車各部位的壓力梯度最大處所均位于曲率變化較明顯的地方，同時曲率變化不明顯的位置壓力梯度較??；車鼻處紅色顯示的為壓力中心區，正壓力最大，最大值為4 220 N/m 2 。

2.3 車體結構倒圓角后的壓力云圖

在車模的頭部已流線型化的基礎上，對車頂、排障器等結構倒圓角，再查看壓力云圖，則系統自動進行該流體工程計算，結果如圖5。可見，倒圓角后的壓力分布更優，車鼻處壓力最大，最大正壓力由4 220 N/m 2 減至4 150 N/m 2 ，說明車體棱角結構光順也有助于減小車鼻處表面壓力[19]。

2.4 不同速度下CRH3頭車車鼻處最大正壓力分析

取 CRH3 車速 150～300 km/h（間隔 50 km/h）。以各車速（83.3 m/s、69.4 m/s、55.6 m/s、41.7 m/s）為入口（出口取靜壓），分別計算，可得各自壓力云圖，如圖6（截取車鼻及數據區）。

由圖6可見，CRH3頭車車鼻附近相同位置的壓力值，車速為 300 km/h 的 P 300 明顯大于車速為250km/h 的壓力值P 250 ；同理，P 250 >P 200 >P 150 ；故，P 300 >P 250 >P 200 >P 150 。

由圖6可得頭車壓力云圖中車鼻處最大值與車速的對應關系，見表1。

由表1可見不同車速的車鼻處最大正壓力數據統計，車速為 300 km/h 的最大正壓力與車速為250 km/h的最大正壓力之比為 1.416，對應車速平方比為1.440，兩者近似相等（等于 1.4）；類似地，1.544 與1.563、1.771 與 1.777，三對數據都分別近似相等。所以，CRH3頭車車體表面最大正壓力與車速的平方成正比關系[20]。即若P 1 /P 2 =（v 1 /v 2 ） 2 、P 2 /P 3 =（v 2 /v 3 ） 2 、P 3 /P 4 =（v 3 /v 4 ） 2 ，則有 P 1 /v 1 2 = P 2 /v 2 2 = P 3 /v 3 2 = P 4 /v 4 2 。同理可得CRH3頭車車體表面最大負壓力與車速的平方也成正比關系。

3 結語

文章應用FFC軟件，首先對車速為300 km/h的CRH3動車組頭車周圍壓力場及車體表面壓力分布進行數值模擬計算。通過分析得知，頭車各部位的壓力梯度最大位置均在其幾何曲率變化較明顯的地方，表面壓力的壓力梯度隨車體幾何曲率的增加而增加，曲率的變化越平緩，壓力梯度也越??；車鼻處正壓力最大，最大值為4 220 N/m 2 ；其次，對排障器、車頂及車后棱角結構倒圓角后進行模擬計算，相比倒圓角前，車鼻處最大正壓力減小，最大值為4150N/m 2 ；同時，在流線型車頭幾何基礎上，車體棱角結構倒圓角，可有效改善車體周圍流場及車體表面壓力分布；再次，對150 km/h、200 km/h 、250 km/h、300 km/h這4種車速下的CRH3動車組頭車車體表面壓力分別進行模擬計算，研究不同車速下頭車周圍壓力場及車體表面壓力分布，得知CRH3頭車車體表面最大正壓力絕對值與車速的平方成正比，表面壓力值隨車速的提高而增大，高速度是可能導致車鼻等處局部結構疲勞的要素。

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FFC Simulation Analysis of Pressure Field in CRH3 Head Train

YANG Min

（School of Civil and Transportation Engineering，Qinghai Minzu University，Xining Qinghai 810007，China）

Abstract：：To study the aerodynamic characteristics of CRH3 high-speed trains，prevent local structural fatigue of the vehicle body， ensure the safety of train operation，the fluid simulation analysis of the pressure field around the head of CRH3 high-speed train and the surface pressure of the vehicle body was carried out by using FFC（Fluent for CATIA）software. The results indicate that the pressure gradient of the surface pressure on various parts of the head car body increases with the increase of the geometric curvature of the body， the maximum pressure is at the nose of the train; after rounding the corners of the obstacle catcher， roof， and rear edge structure，the maximum posi?tive pressure has decreased from 4 220 N/m 2 to 4 150 N/m 2 .Under different speed， the pressure value on the surface of the vehicle body increases with the increase of vehicle speed， the absolute value of maximum pressure is directly proportional to the square of the vehicle speed. Conclusion：The angular smooth structure can effectively improve the flow field around the car body and the pressure distribution on the body surface， and reduce the pressure level at the nose. High speed is a factor that may cause local structural fatigue in areas such as the nose of the car.

Key words：：Fluent for CATIA; motor train; pressure field; numerical simulation