高速列车气动效应数值模拟参数分析.pdf

低温建筑技术 2 0 1 6年第 2期 总第 2 1 2期 DOI 1 0 ． 1 3 9 0 5 ／ j ． c n k i ． d w j z ． 2 0 1 6 ． 0 2 ． 0 3 1 高速列车气动效应数值模拟参数分析 郑修凯 铁道 第三勘察设计院集团有限公 司 。 天津3 0 0 1 4 2 【 摘要】 基于计算流体力学软件 F l u e n t ， 结合 k 一 二方程湍流模型 ， 采用滑移网格技术， 对列车周围的三 维非定常可压缩流场进行数值模， 研究不同参数设置对于数值模拟结果的影响。计算结果表明 求解器采用 S I M P L E C算法， 空间离散格式采用二阶迎风， 每时间步最大迭代次数采用 2 O次， 时间步大小采用 0 ． 0 0 5 s 可以在节省 计算时间的前提下提高数值模拟精度。为今后进一步数值模拟研究高速列车气动效应问题提供基础和依据。 【 关键词】 高速列车； 列车风压； 气动作用 ； 数值模拟 【 中图分类号】 T U 3 1 2 ． 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 6 0 2 0 0 9 2 0 4 高速列车快速行驶时， 列车会带动周围的空气一 起 运动 ， 产生 “ 列车风” 。列车气 动效应会对周 围环 境产生附加风荷载。高速铁路线邻近结构在进行设 计时应考虑列车风引起的气动效应。 目前国内外列车风常用研究方法主要分为两类 第一类为试验方法， 第二类为数值模拟计算方法。试 验方法分为 在线 实车试验法 、 列车 风洞实验 法 、 列 车 动模型试验法。进行一次完整在线实车试验需要耗 费大量的人力、 物力、 财力 ， 再加上 自然条件千变万 化， 重复性难以保证， 因此实车实验方法采用比较少。 随着计算机水平的不断发展， 数值模拟方法近年来得 到 了广泛 的应 用 ， 数值 模 拟计算 具有适 应性 强 、 应 用 面广、 分析时间短、 费用低等优点， 相比较试验方法有 优越性 ， 是 目前探究列车气动效应的一种常用手段。 国内外学者对于列车风的形成机理、 传播过程的 研究 比较完善 ， 但对于参数设置对数值模拟影响的研 究还有待进一步的完善。高速列车引起 的周 围空气 流动是一种十分复杂的非定常、 湍流流动 ， 数值模拟 结果受许多因素的影响。本文结合我国高速列车实 际情况， 基于计算流体力学软件 F l u e n t ， 采用三维、 非 定常、 可压缩 k 一 8二方程湍流模型， 分别探讨求解器 、 空 间离散格 式 、 时间步 大小 、 每时 间步最 大迭代 次 数 等参数设置对数值模拟结果的影响， 为今后进一步数 值模拟研究高速列车气动效应问题提供基础 和依据 。 1 数值计算 1 控制方程。高速 列车引起 的周 围空气 流动 受质量守恒、 动量守恒、 能量守恒定律的控制， 除此之 外还要满足附加 湍流输运方程 。基本控制方程 如下 动量守恒 警 一 1 能量守恒 d i v p u r a 质量守恒 粤 JD 0 a a ． Ⅵ k一占 方 程 d i v k c g r a d T s 2 3 O p k O x 毒 [ G k G 一 a d L 、 。 rr ， a J 。 p 8一y MS k 4 毒 [ c cgxjOx Ox 卜 ， L 、 ’ rr J C 。 T c C 3,G 一 c } S 5 式中， t 为时间； 。 为笛卡尔坐标 i1 ， 2 ， 3 ； p是 空气密度 是速度矢量 ； 、 和 是速度矢 在 、 和 z 方 向的分量 ； 为湍动能 ； s为湍流耗散系数 。 2 列 车模 型 。列 车外 形参 考 C R H 3 8 0型 号 ， 见 ． 图 1 。 图1 C R H 3 g 0 动车组外貌 高速列车外表十分复杂且长细比很大， 数值模拟时 为控制计算模型、 提高计算速度需对真实列车模型作一 些简化。计算模型列车由车头、 车身和车尾组成。国内 外学者研究表 明列 车车身对周围环境 的影响很小 ， 因此 车头、 车尾长度参考实 际列 车， 车身长度缩减 列车模型 如图 2所示 。列车模型参数 、 计算域尺寸 、 网格划分 、 边 界条件等参数设置详见文献[ 3 ]～[ 1 0 ] 。 郑修凯 高速列车气动效应数值模拟参数分析 9 3 图2 C R H3 8 0 动车组模型 2 数 值模 拟方法验证 通过对数 值模 拟 结 果与 实测 数 据 的对 比来 验 证 数值模拟方法 。图3是同一位置处实测风压与数值模 拟风压时程的对比图， 从图 3可以看出两者风压极值 大 小相 同 、 风 压 时程 变化 规律 相 同 ， 验证 了数 值模 拟 方法 的可靠性 ， 为下文参数分析奠定 了基础 。 1 0 0 5 0 。 兽一 5 0 1 0 0 O 2 4 6 8 1 0 时间， s 图3 实测风压与数值模拟结果对 比图 3 数值模拟参数分析 本节以列车车速 2 5 0 、 3 0 0 k m ／ h数值模拟结果为 例， 在正线上方沿高度方 向布置测点 ， 将数值模拟结 果与实测数据对比， 分别研究求解器、 空间离散格式、 时间步大小、 每时间步最大迭代次数等参数设置对数 值模拟结果的影响。 1 求解器。求解器分为分离式求解器和耦合 式求解器 ， 分离式求解器又分为 S I M P L E 、 S I M P L E C 、 P I S O等。S I MP L E算法通过压力修正方程进行压力和 速 度修 正 ， 该 方 法能 够较 好 的进行 速度 修 正 ， 但对 压 力的修正并不是十分理想 。S I MP L E C与 S I M P L E类 似 ， 不同点在于速度修正值方程中的系数 d的计算 ， S I M P L E算法在计算 d时并没有略去 四周压力修正值 对速度改进的间接影响。S I M P L E 、 S I MP L E C算法是两 步算法， 第一步预测 ， 第二步修正； 而 P I S O算法增加了 一 个修正步， 包含一个预测步和两个修正步， 两次求 解压力修正方程 ， 对速度和压力进行两次修正。S I M P L E C 、 P I S O这两种方法的计算量比 S I MP L E高 3 0 ％， 但 收敛速度快 、 计算时 间减少 3 0 ％ ～ 5 0 ％ 。 分别采用 S I MP L E、 S I M P L E C 、 P I S O算法， 离散 格 式全 部 采 用 二 阶迎 风 ， 时 间 步 大 小 统 一 设 置 为 0 ． 0 0 5 s ， 每一时间步最大迭代次数设置为 2 0次， 欠松 弛因子采用默认值， 边界条件 和湍流参数采用默认 值。各算法数值模拟结果与实测风压对 比如图 4所 示 ， 由图 4可 以看 出不 同车速下 风压分布规律一致 ， 随 着高度 的增加 风压 逐渐减 小 。S I MP L E C 、 P I S O两条 曲 线重合 ， S I M P L E C、 P I S O两种算法数值模拟结果相同， 两 者数 值 模拟 结 果较 S I M P L E算 法 更接 近 于实 测 风 压 ， 但 P I S O算法需要更长的计算时间。 8 ． o 8 ．5 9 ． o 9 ． 5 l O ． o l O ． 5 高度， m a车速2 5 0 k m h 高度『 m b车速3 0 0 k in h - ’ 图4 不同求解器数值模拟结果 2 空间离散格式。数值模拟时对流项的空间 离散格式分为一阶迎风格式和二阶迎风格式 ， 一阶离 散格式 由于其 截 断误差 小 于二 阶而 容 易引起 假 扩散 现象 ， 二阶迎风格式虽然也有假扩散现象 ， 但精度较 一 阶迎风格式高。离散格式分别采用一阶迎风、 二阶 迎风 ， 算法采用 S I M P L E C， 时间步大小 为 0 ． 0 0 5 s ， 每一 时间步最大迭代次数为 2 0次 ， 欠松弛因子采用默认 值 ， 边界条件和湍流参数采用默认值。对比不 同离散 格式数值模拟结果和实测结果如图 5所示， 由图5可 以看出不同车速下风压分布规律一致， 随着高度的增 加风压逐渐减小 ， 二阶离散格式较一阶离散格式更接 近实测结果， 精确性更高。 3 迭代次数。每时间步迭代次数越多其数值 模拟结果越精确， 但计算耗费的时间也越长。常用的 每时间步最大迭代次数为 2 0次和 4 0次。每时间步最 大迭代次数分别为 2 0次和 4 0次， 离散格式采用二阶 迎风， 算法选用 S I M P L E C ， 时间步大小为 0 ． 0 0 5 s ， 欠松 弛因子采用默认值， 边界条件 和湍流参数采 用默认 值。对比不同迭代次数数值模拟结果和实测结果如 图 6 所 示 ， 由图 6可 以看 出， 不 同车速下风压分布规律 一 致 ， 随着高度的增加风压逐渐减小， 不同迭代次数 加 m ∞ ∞ ∞ ∞ d ， 幽匿 B d i _区 低温建筑技术 2 0 1 6年第 2期 总第 2 1 2期 1 菩 区 高度， m a 车速2 5 0 k m h 8 ． 0 8 ． 5 9 ． 0 9．5 1 0．0 1 0．5 高度， m b车速3 0 0 k in h - I 图5不同空间离散格式数值模拟结果 高度， m a车速2 5 0 k m- h 高度， m b 车速3 0 0 k in h 图6 不同迭代次数数值模拟结果 的数值模拟结果相同。由于每一时间步迭代次数越 多， 其数值模拟所耗费的时间越长， 故在今后的数值 模拟过程中， 可以采用每时间步迭代 2 0次以节约数值 计算时间 。 8 ． 0 8 ． 5 9 ． 0 9．5 1 0 ． 0 1 0．5 高度／ m a车速2 5 0 k m h - t 8 ． 0 8 ． 5 9 ． 0 9．5 1 0．0 1 0．5 高度／ m b车速3 0 0 k in h 图7不同时间步大小数值模拟结果 4 时间步大小。时间步大小分别 为 0 ． 0 1 S 、 0 ． 0 0 5 s 和 0 ． 0 0 1 S ， 离散 格式 全部 采用 二 阶迎 风 ， 算 法 统一采用 S I M P L E C ， 每时间步迭代次数设置为 2 O次 ， 边界条件和湍流参数采用默认值。不同时间步大小 数值模拟结果与实测结果对 比如图 7所示 ， 由图 7可 以看出， 不同车速下风压分布规律一致， 随着高度的 增 加风压 逐渐 减小 ， 时 间步 大小 为 0 ． 0 0 1 s 、 0 ． 0 0 5 s 数 值模 拟结果相 同 ， 比 0 ． 0 1 S 数值 模拟结 果更 接近 实测 值 ， 故在今后的数值模拟过程中为了缩短计算时间选 用 0 ． 0 0 5 s 。 4结语 本文结合我国高速列车实际情况， 基于计算流体 力 学软件 F l u e n t ， 采 用三维 、 非定 常 、 可压缩 k s二方 程湍流模型， 分别探讨求解器、 空间离散格式、 时间步 大小、 每时间步最大迭代次数等参数设置对数值模拟 结果的影响。将数值模拟结果与实测风压进行对 比 分析 ， 结果表明 求解器采用 S I M P L E C算法， 空间离散 格式采用 二 阶迎 风 ， 每时 间步 最 大 迭代 次 数采 用 2 0 次 ， 时间步大小采用 0 ． 0 0 5 s 可 以在节省计算 时间 的前 d ， 匮 啪 m m ∞ ∞ 日 d ， 区 d ， 区 m 啪 m 啪 日 d ， 匿 ∞ d ， 坦区 郑修凯 高速列车气动效应数值模拟参数分析 9 5 提下提高数值模拟精度。为今后进一步数值模拟研 究高速列车气动效应问题提供基础和依据。 参考文献 田红 旗 ．列 车空气动力学 [ M] ．北京 中国铁道 出版社 ， 2 0 0 7 ． 王福 军 ．计算流体 动力学分 析一 c F D软件原理 与应用 [ M] ． 北京 ．清华大学 出版社 ．2 0 1 2 ． 郑修凯 ， 杨娜 ， 张建 ．高速列车经过时作用在跨线天桥 风压力 数值模 拟[ J ] ．铁道科学与工程学报 ， 2 0 1 4， 1 1 2 1 4 2 0 ． N a Ya n g ， Xi uK a i Z h e n g ， J i a n Z h a n g ， S ． S ． L a w， Q i n gs h a n Ya n g ． E x pe rime n t a l a n d n u me ric a l s t u d i e s o n a e r o d y n a mi c l o a d s o n a n o v e r h e a d b ri d g e d u e t o p a s s a g e o f h i g hs p e e d t r a i n[ J ] ． J o u r n a l o f Wi n d En g i n e e rin g＆ I n d u s t ria l Ae r o d y n a mi c s ． 2 01 5 ． 1 4 0 1 93 3． Xi uKa i Z h e n g， Na Ya n g ， J i a n Z h a n g， Do n gYu T e n g ， S h u a i Z h a n g ． Re s e a r c h o f Pr e s s u r e Ch a n g e s o n Ov e rl i n e Brid g e Du e t o Hi g hs p e e d T r a i n P a s s a g e [ C] ／ ／ He f e i T h e 1 3 t h I n t e r n a t i o n al S y mp os l u m o n S t r u c t u r a l En g i n e e rin g ．2 01 4 ． Oc t o b e r ． I 4 71 48 0． 上接 第 7 6页 层 ， 方案一的侧 向刚度都是最大的， 其次分别为方案 二、 方案三、 方案四， 因为转换层设置越低 ， 上部剪力 墙层 数越多 ， 而剪力 墙侧 向刚度相 对于框 支结 构要 大 一 些 ， 所 以方案一 的侧 向刚度就较大一些 。 3结语 当高层上 、 下部分的结构体系或者形式差异较大 时， 或者是下部楼层结构竖 向结构轴线距离扩大时， 又或者是上、 下部结构轴线错位时， 就需要在结构改 变的部位布置转换层结构。转换层结构已经成为现 在 高层建筑 的一种新 的发展趋势 。 文 中对带 有 转换 层 结构 的抗 震 性 能 的研 究 主要 还是停 留在弹性 阶段 ， 对 于结构 弹塑性 以及 塑性地 震 反应 对结构抗 震 性 能 的影 响还 需要 进 一步 的 深入 研 究。根据结构抗震性能结构 自震周期、 方向地震反 应力、 最大层 间位移角以及楼层 的侧 向刚度模拟结 果 ， 可知转换层应设 置在底 部几 层 ， 这 样对抗 震有 利 ， 结构偏于安全。在 l 0层及 以上， 自震周期、 方向地 震反 应力 、 最大层 间位移角 以及楼层 的侧 向刚度 ， 4个 方案结构的模拟结果相差不大 ， 这是因为上部结构 的 布置都是剪力墙结构 ， 对结构的侧向刚度影响不大。 参考文献 [ 1 ] 霍达等 ．高层建筑结构设计 [ M] ． 北京 高等教育出版社 [ 6 ] 张小钢 ， 刘应清 ， 赵海恒 ．高速列车经过路边建筑物时 的非定 常湍 流绕流 数值 模 拟研 究 [ J ] ．铁道 学报 ， 1 9 9 8 ， 2 0 2 8 7 9 2 ． [ 7] 雷波 ， 刘应清 ．高速列车作用 在跨线 天所上风压 力的数值模 拟[ J ] ．西南交通大学学报 ， 1 9 9 9 ， 3 4 3 2 5 9 2 6 2 ． [ 8 ] N a h mk e nHu r ， S aR y a n g K i m， C h a nS h i kWo n ， e t a 1 ．Wi n dl o a d s i m u l a t i o n f o r h i g hs p e e d t r a i n s t a t i o n s[ J ] ．J o u rna l o f Wi n d E n g i n e e ri n g a n d I n d u s t ri a l A e r o d y n am i c s ， 2 0 0 8， 9 6 1 O 2 0 4 2 2 0 5 3． [ 9] B a k e r C， J o r d a n S ， G i l b e a T ，e t a1．T r a n s i e n t a e rod y n a mi c p r e s - s u r e s a n d f o r c e s o n t r a c k s i d e a n d o v e r h e a d s t r u c t u r e s d u e t o p a s s - i n g t r a i n s ． P a r t 1 Mo d e l s c a l e e x p e rime n t s Pa r t 2 S t a n d ard s a p p l i - c a t i o n s[ J ] ．J o u ma l o f R a i l a n d R a p i d T r a n s i t ， 2 0 1 2 ， 7 4 5 8 9 5 9 7， [ 1 0 ]H J G e r h a r d t ， O K r u g e r ．Wi n d a n d t r a i n d ri v e n a i r m o v e m e n t s i n t r a i n s t a t i o n s [ J ] ．J o u rnal o f Wi n d E n g i n e e ri n g a n d I n d u s t ri a l A e r - o d y n a mi c s ， 1 9 98， 7 4 5 8 95 9 7． [ 收稿 日 期] 2 0 1 5 1 1 1 0 [ 作者简介 ] 郑修凯 1 9 8 9一 ， 男 ， 山东枣庄 人 ， 工学 硕士 ， 助 理工程师 ， 从 事结构设计工作 。 2 01 1 1 23 4． [ 2 ] 沈朝 勇 ， 周福霖 ， 黄 襄云 ， 等 ．错位 转换 高层建筑结构 水平地 震作用下的扭转反应研究 [ J ] ． 地震工程与工程振动 ， 2 0 0 9 ， 2 9 1 8 99 6 ． [ 3 ] 唐兴荣 ．高层建筑转换层结 构设计 与施工 [ M] ． 北京 中国建 筑工业出版社 ， 2 0 0 2 1 3 ． [ 4 ] 李军方 ．转换层结构 的研究现状及发展趋势 [ J ] ． 石家庄铁路 职业技术学院学报 ， 2 0 1 2 ， 1 1 3 8 18 5 ． [ 5 ] L o n d h e ， R ． S ． S h e ar c a p a c i t y o f r e i n f o r c e d c o n c ret e t r a n s f e r b e a m s r e i n f o r c e d w i t h l o n g i t u d i n al s t e e l[ J ] ． J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e ri n g Ma d r a s ， 2 0 0 8 ， 3 5 1 9 01 9 4 ． [ 6 ] S y n g e l l a k i s ， S ， Y o u n e s ， I ． T r a n s f e r m a t ri x m e t h o d a p p l i e d t o f r ame s h e ar w a l l s y s t e ms[ J ] ． C o m p u t e r s a n d S t ruc t u r e s， 1 9 9 1 ， 4 1 1 9 72 0 6 ． [ 7 ] K u a n g ，J ． S ． P u v v a l a ，J a w a h a r l a1． C o n t i n u o u s ans for b e am s s u p - p o rt i n g i np l a n l o a d e d s h e ar w a l l s i n t a l l b u i l d i n g s[ J ] ． S t rnc t u r - a l D e s i g n o f T a l l B u i l d i n g s ， 1 9 9 6 ， 5 2 8 1 2 9 3 ． [ 8 ] 徐培福 ， 郝锐坤 ， 吴廉仲等 ．底层 大空间剪 力墙结构抗震设计 [ J ] ． 建筑科学 ， 1 9 8 5 ， 1 2 83 6 ． [ 9 ] 魏琏， 王森 ．转换梁上部墙体受力特点及设计计算方法的研 究 [ J ] ． 建筑结构 ， 2 0 0 1 ， 3 1 1 1 3 6 ． [ 1 O ]唐兴荣， 姚江峰 ． 带转换层高层建筑结构的弹塑性地震反应 分析 [ J ] ． 南京工业大学 学报 ， 2 0 0 6 ， 2 8 3 3 3 3 8 ． [ 收稿 日期] 2 0 1 51 0 2 9 【 作者简介] 刘 玉娟 1 9 9 0一， 女 ， 山东荷泽人 ， 硕士研 究生 研究方 向 结构工程 。 ] i 1 J ]