高速列车同向并行运动的气动阻力数值仿真.pdf

2 0 1 2年 4月 第 3卷 第 2期 高速铁路技术 HI GH S P EE D RA I L W AY TE C HN OL OG Y N o ． 2， V o 1 ． 3 Apr ． 2 01 2 文章编号l 6 7 4 8 2 4 7 2 0 1 2 0 2 0 0 2 2 0 4 高速列车同向并行运动的气动阻力数值仿真 王进李 明 周俊超 南车青岛四方机车车辆股份有限公司高速列车系统集成国家工程实验室 南方 ， 青岛 2 6 6 1 1 1 摘要 文章采用流体力学数值计算软件 F L U E N T对我国某新型动车组的空气动力学性能进行了数值仿真。 研究了不同速度下， 两列高速列车明线同向并行运动时的气动阻力， 并与单车明线的气动阻力进行了对 比。 结果表明， 双车产生的气动阻力均大于单车时情况， 随着速度的提高， 气动阻力增幅加大。 关键词 高速列车 ； 气动阻力； 同向并行运动 中图分类号 U 2 9 2 ． 9 1 4 文献标识码 A S i mu l a t i o n i n t h e Ae r o d y n a m i c Dr a g o f Hi g h- s p e e d Tr a i n i n Pa r a l l e l M o v e me n t a l o n g S a me Di r e c t i o n W ANG J i n L I M i n g ZHOU J u n - c h a o N a t i o n a l E n g i n e e ri n g L a b o r a t o r y f o r S y s t e m I n t e g r a t i o n o f Hi g h - s p e e d T r a i n S o u t h ， C S R Q i n g d a o S i f a n g C o ． ，L t d ． ， Q i n g d a o 2 6 6 1 1 1 ，C h i n a Abs t r a c t A n u me ric a l s i mu l a t i o n o f a e r o d y n a mi c c h a r a c t e ris t i c s o f n e w mo d e l EMU i s g i v e n，u s i n g T he Co mp u t a t i o n a l F l u i d s D y n a mi c s S o ft w a r e F L U E N T ． T h e e f f e c t o f a e r o d y n a mi c d r a g f o r t w o h i g h s p e e d t r a i n s w i t h d i f f e r e n t s p e e d t h a t a r e r u n ni n g p a r a l l e l a l o n g t h e s a me d i r e c t i o n i s s t u di e d．Th e r e s u l t wa s c o mp are d wi t h t he s i n g l e t r a i n，Th e c a l c u l a t i o n r e s u l t s s h o w t ha t t he a e r o d y n a mi c d r a g s o f t wo t r a i n s i s b i g g e r t h a n t he s a me s i t u a t i o n o f s i n g l e t r a i n， a n d wi t h t r a i n s pe e d i s i n c r e a s i n g ， t h e d i f f e r e n c e o f a e r o d y n a mi c d r a g s a r e mo r e a n d mo r e l a r g e ． Ke y wo r d s h i g h - s p e e d t r a i n；a e r o d y n a mi c d r a g ；p a r a l l e l mo v e me n t a l o n g s a me d i r e c t i o n 1 引言 现阶段在复线上运行 的列车全部是相 向而行 ， 但 在春运等客流量高峰期间无法满足相应的需求量。如 将现有 的铁路线路 ， 由单车道增加到两车道可能会解 决春运等高峰期一票难求 的现象 ， 同时也能满足未来 铁路运输越来越大的需求量 ， 而且现今在某些特殊情 况下 ， 也有可能出现两车并行运行的状况 。目前 国内 外在高速列车单车空气动力性能或双车交汇等情况下 气动力的计算 已经有 很多 ， 但还 没有发现有关于 高速列车同向并行运行时的数值仿真 ， 故需要考虑 同 向运行列车间的空气动力性能 ， 尤其是气动阻力方面 的研究。本文将采用数值模拟计算 的方法 ， 对速度在 收稿 日期 2 0 1 1 一 - 2 9 作者简介 王进 1 9 8 3 - ， 男 ， 助理工程 师。 1 0 0～ 4 0 0 k m ／ h区间内， 两列高速列车同向并行运行 时的气动阻力进行仿真计算 ， 并 与单车明线 时的气动 阻力进行对 比， 得 出了一定的有益结论 。 2 列车模型 本文 以国内某新型动车组外型为参考 ， 模型采用 1 1 实车比例模型， 考虑到计算机 的计算能力 ， 编组方 式为 3节联挂 ， 即 头车 中间车 尾车。其基本形状 如图 1 所示。 图 1 全车模型 图 3 数值计算 3 ． 1 计算域场和网格划分 考虑空气绕流和流场的充分发展 ， 同时考 虑到此 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 王进， 等 高速列车同向并行运动的气动阻力数值仿真 2 0 1 2年 4月 次计算两列列车同向运行 ， 两列车 中间位置是 中截面 几何对称 ， 因此采用对称计算域。列车前方 长度约为 1 5 0 0 0 0 m m，后 方 约 为 2 5 0 0 0 0 m m，上 方 约 为 4 0 0 0 0 mm， 外侧为1 5 0 0 0 m m， 内侧为2 5 0 0 mm， 如 图 2所 示 。 图2 计算域示意图 全域场网格划分采用非结构 网格 ， 车体和制动风 翼表面为三角形网格 。为更好地模拟附面层效应 ， 在 紧靠车体和风翼表面空间上采用多层三棱柱五面体网 格 ， 在空间其它位置采用四面体网格 ， 如图 3所示 。在 保证计算精度的前提下 ， 节省 了网格数 目并提高 了计 算速度 。本次计算所有网格数 目控制在 2 0 0万左右。 图 3网格划分 图 3 ． 2 控制方程与湍流模型 在速度小于 3 0 0 k m ／ h时， 采用的是不可压流定常 计算方式， 大于 3 0 0 k m ／ h时 ， 按照可压缩流计算 。湍 流模型选用 的是带旋流修正 的 k - e R e a l i z a b l e k - e 两 方程模型 ， 此模型为耗散率增加了新的来源 自层流速 度波动的精确方程， 对于旋转流动、 强逆压梯度的边界 层流动 、 流动分离和二次流都有着很好 的表现。具体 公式为 杀 p K 蠹 p K u 蠹 [ ff 1 1 ,,l O xj J G G bJD l ， 1 ⅥS 1 击 p 毒 p e u 毒 [ Or 1i c3x j】 p c 一 p C 2 s { c ， 2 c ⋯ 0 ． 4 3 ， ] 3 卵S 4 式中 G G 由层流速度梯度 和浮力产生 的湍流 动能 ； y M 在可压缩湍流中， 过渡扩散产生的波动 ； C l ， C 2 ， C 3 常量 ； 方程和 e 方程的湍流 P r a n d t l 数 ； S ．s 自定义的值 。 在本文 中 ， 重要 常数 的取 值为 ， C 。1 ． 4 4， C 1 ． 9， o r 1 ． 0， 1 ． 2。 4计算结果分析 由图 4可 以看 出， 双车同向运行时， 车身所受的气 动阻力要大于单车在 明线上单独运行时的气动阻力。 并且随着速度的增大 ， 差值越大。 图4 整车气动阻力比较图 车体 的气动 阻力 主要 由粘性阻力 和压差阻力组 成。由图 5 、 图 6可以看 出， 双车明线并行 同 向运行 图 5 气动粘性阻力比较图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 王进， 等 高速列车同向并行运动的气动阻力数值仿真 2 0 1 2年 4月 时 ， 气动粘性阻力和气动压差 阻力均大于单车运行 时 的状态。并且 ， 气动粘性 阻力 的差值要 大于气动压差 阻力的差值 。可 以说 ， 粘性 阻力对整车气动阻力增 幅 的影响更大。 图6 气动压差阻力比较图 由图 7 、 图 8可以看出 ， 双车并行运行时 ， 车身分 布压力均小于单车时情况 ， 根据伯努利方程可知 ， 气流 压力越小 ， 气流流速就越快。而 由于气 流本身具有粘 性 ， 粘性阻力主要是 由气流问速度差产生 ， 故双车运行 时 ， 车身与气流速度差大于单车时情况 ， 所以产生的车 身粘性阻力也较大 ， 从而影响整个车身的气动阻力。 图7 单车压力分布云图 图 8 双车压力分布云图 5 结论与展望 本次仿真计算 了相同行车间距下 ， 不 同速度时的 全车气动阻力 。通过计算结果可以看 出， 双车 同向运 行时 ， 产生的气动阻力要大于单车时情况 ， 同时随着速 度 的提升 ， 气动阻力增幅加大 。对于列车而言 ， 气动阻 力越大， 维持相同速度下 ， 所需要的能耗就会越大 ， 所 以未来还需对列车间不同间距对气动阻力的影响作进 一 步的研究。综合气动阻力、 能耗、 建设成本等因素， 找到最优的解决方案。 我 国人 口众多 ， 国内城市间客运需求量较大， 未来 随着高速列车的运用越来越广泛 ， 双车道的铁路既可 以解决现今部分线路特定 时间段一票难求的情况 ， 同 时也能满足未来大城市间 日益增长的客运需求量。 参考文献 [ 1 ] 张经强 ， 梁 习锋． 高速列车外形 的气 动性能数值 计算和头 部外形 的改进 [ J ] ． 计算力学学报 ， 2 0 0 3 1 o ， 2 0 5 6 3 16 3 5 ． Z h a n g J i n g q i a n g ， L i a n g Xi f e n g ．Nu me ric al c a l c u l a t i o n o f a e r o d y n a mi c c h a r a c t e ris t i c s a n d i mp r o v e me n t f o r h e a d s h a p e o f h i g h s p e e d t r a i n s ． ⋯ ． C h i n e s e J o u r n a l of c 0 u t a t i o n a l M e c h a n i c s ， 2 0 0 3 1 0 ， 2 0 5 6 3 1 6 3 5 ． [ 2 ] 陈燕荣 ， 肖友 刚． 高速列 车空气动 力学性 能计算 [ J ] ． 铁道 车辆 ， 2 0 0 9 1 2 0 2 2 ． C HE N Yan r o n g，XI AO Yo u g a n g ．C a l c u l a t i o n i n Ae r o d y n am i c s P e r - 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