应用LBM方法对列车空气动力制动的数值研究.pdf

1 9墨 } 、 ’ 0 L1 9 N0 ． 6 研 究与开发 R E SE A R I t x N1 I 1 E、 1 0 l 】 I 、 r 支 细 1 0 0 5 8 4 5 1 2 0 1 0 0 6 0 0 1 l - o 4 应用 L B M 方法对列车空气动力制动的数值研究 武 频 ，王 洋 ，方攸 同 ，晏子峰 ，张武 1 ． 上海大学 计算机工程与科学学院，上海2 0 0 0 7 2 ；2 ． 浙江大学 电气工程学院，杭州 3 1 0 0 2 7； 3 ． 卡斯柯信 号有限公 司，上 海2 0 0 0 7 0 摘 婴本文应用L B M L a t t i c e B o l t z ma n n Me t h o d 数值计算方法对列车空气动力制动在不同速度 下风翼提供的制动力和在相同列车速度下风翼的形状选择、位置安装以及不同安装数量等情况进行了研 究、 计算和 分析 。计算结 果为工程设 计人 员提 供 了有 力的参 考依据 。 父键} | i_I 列车；空气动力制动 ；L B M 方法；数值计算 I l J剞分类 T P 3 9 1 文献标 识 A Re s e a r c h o n m u m e r i c a l s i mul a t i o n LBM t o t r a i n a e r o dy n a m i c br a k e W U Pi n l ， Ⅵ，ANG Ya n g F ANG Yo u ． t o n g YAN Zi f e n g ． ZHANG W u 1 ． S c h o o l o f C o m p u t e r E n g i n e e r i n g a n d S c i e n c e ， S h a n g h a i U n i v e r s i t y , S h a n gha i 2 0 0 0 7 2 ， C h i n a ； 2 ． C o l l e g e o f E l e c t r i c a l E n g i n e e ri n g ， Z h e j i ang U n i v e r s it y ， H ang z h o u 3 1 0 0 2 7 ， C h in a ； 3 ． C AS CO S i g n a l Li mi t e d Co mp a n y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 7 0 ， Ch i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r p r e s e n t e d t h e c o mp u t e s i mu l a t i o n r e s u l t s o f t h e a e r o d y n a mi c b r a k e ． I t ma i n l y r e s e a r c h e d an d a n a l y z e d n ot o nl y t h e br ak e f o r c e pr o v i d e d b y t he d am p ing va ne s o n t he t r a i n a t di ffe r e n t s pe e ds ， bu t a l s o the dam p i ng v a ne s ’s h a p e s e l e c t i o n ， the d a mp i n g v an e s ’ i n s t a l l a t i o n p o s i t i o n ， and i t wa s i n s t a l l a t i o n q u a n t i ty a t t h e s a n l e t r a i n s p e e d b y u s i n g L B M L a t t i c e B o l t z r n a n n Me tho d n u me r i c a l c a l c u l a t i n g me tho d ． nl e c a l c u l a t i o n r e s u l t p r o v i d e d e n g ine e r i n g d e s i gne r wi th p o we r f u l r e f e r e nc e s ． Ke y wo r d s t r a i n ； a e r o d y n am i c b r ak e ； L B M ； n u me ri c a l s i mu l a t i o n 当列车速度从 3 0 0 k m／ h提高到 3 5 0 k m／ h时 ， 列车动能增加 4 0 ％ 以上 ，制动需要消耗 的能量也 相应增加 4 O ％ 以上 。对运行速度 3 5 0 k m／ h 及以上 的列车 ， 其黏着系数随列车速度的增加而下降。 此 外 ， 随着速度的提高 ， 采用盘形制动的列车 ， 其制 动盘 的温升 与热应 力等也 面临着 严峻 的考验 【 。 针对这种情况 ，欧洲和 日本等国现在对 3 5 0 k m／ h 及以上的列车采用非黏着制动作为紧 急情 况下的 制动方式 。 其中 ， 日本新干线和超导磁浮列车采用 空气动 力制动 简称 气动力制动 ，且这种非黏着 制动方式 已取得 了成功的经验 ，如 日本带空气动 力制动装置的 F a s t e c h 3 6 0 Z型列车[ 2 ] 。空 气动力 制动 与轮盘制动和 闸瓦制 动不 同 ，它不借助机械 摩擦产生制动 力，而用车顶展开 的风 阻翼片增加 列车的 气动 力阻力来产生制动 力。该装置既无磨 耗件 ， 又无摩擦热 ，因而具有高可靠性 、低维修费 收稿日期2 0 0 9 - 1 1 - 0 6 基金项目中国自然科学基金项 目 编号 5 0 8 7 7 0 7 0 ，上海市重点学科 建设项 目 编号J 5 0 1 0 3 作者简介武频，副教授。王洋 ，助教。 用等特点 。 空 气动力阻力与速度平方成正比 ， 特别 在快速时这一 系统具有优 良性能【 。 L a t t i c e B o l t z ma n n Me a t h o d 简称 L B M是 2 O 世纪8 0 年代末发展起 来的一种新兴 的数值模拟 方法 。 与传统模拟方法不同 ， 该方法在宏观上是离 散方法 ， 微观上是连续方法 ， 因而被称为介观模拟 方法【 4 】 。如今 ，几乎世界上所有重大汽车制造业都 转 向采用 L BM 方法来优化新车型的气动性能。由 于列车的速度可与飞机相 比，空气动 力对其运行 关系重大 。本文直接采用 L B M方法对带空气制动 的列车空气动 力进行数值模拟和分析 。 1 列午气动力制动数值汁算 1 ． 1 网 格 本文计算 的 8节长 度的列车的计 算网格是 由 软件 ANS YS I CE M CF D生成的笛卡尔 网格 ，网 格数量约 2 2 0 0多万。 1 ．2 L B M 数值计算方法 LBM 方 法 是 基于 分子碰 撞 的介 观模 型 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 研究与开发 ； _ 一 一 } ” ㈡ r ⋯ r H _ t ‘ 【 墨 鸳 匿蠡 囊 } H一 图 l 取高速列车带风翼截面网格正视图 Bo l t z ma n n 方程 o ． s⋯2 图 2 在安装 七组近车体型风翼的列车对称轴截面上 嚼 二 二 二 嚼 二 ； ～ 图 3 列车经过近车体型风翼 在 L BM 的网格上 ，上式化 为 1 f i x e ， ， ， t J_ 【 ， t - f ,叼 x ， f 】 2 x , t 定义在离散速度集 e 上 ，时刻 t 位于 空间网格点 x处粒子密度分布函数 叼 x ， ， 由系统 当前的宏观量构造 出来的局部动态平衡分布 函数 。 目前 ，最简 单也 最 常用 的 L B 模 型是 采 用 Bh a t n a g a r - Gr o s s Kr o o k 记为 BGK碰撞松弛模 型的格子BGK L a t t i c e B GK， 记 为L B GK 模型 。 L BG K模型的演化方程为 f ／ X c e i A t ， t A t - f , x ， t 缈 【 ， f 一 叼 f 】 3 式 中， f ／ x ， f 是时刻 t时定义在格点 x处沿方 向 e 上的粒子密度分布 函数 ； ‘ 。 ’ ， f 是相应的局 部动态平衡分布函数 ；c △ 一△ t 为粒子速度 ； 1 松弛因子 ，f 表示粒子分布 函数达到平衡态 的松弛时间。 流体的宏观密度和宏观速度 由下式确定 ∑ ∑ f 4 1 i 0 i O 、 ’ p u ∑ c j ∑ 叼 i 0 i 0 ＼ 一 ， 压力则 由p c p计 算得到。 1 ． 11 列 ／ I i 动力制动数f f f 计算结果 图 2 ～图 4中给 出了在 4 0 0 k m／ h下列车带近 车体风翼和矩型风翼部分的计算流场速度、压力 云 图和流线 图等 。 从图2 中可以清晰地观察到在风 翼前后速度和压力的变化 ，两种不 同类型风翼对 流场的不同作用 。 o一一{ 一 _ _ j i 面菌 ．． - ’ ～ 一 图 4 列车经过近车体型首组风翼 2 风翼的设 汁 } ‘ 算结果及分析 制动 系统的设计是 在紧急情况下 ， 除了应用 传统制动装置外 ， 同时升起空气动 力制动翼片 即 风 阻翼片 ，下文简称风翼 ，增加迎风投影 面积 ， 以较大 的空气阻力产生 预定的制 动力。本文 主要 针对风翼在不 同速 度下提供 的气动 阻力 ，以及风 翼的安装数量 、形状 、安装位置 ，应用 L BM数值 计算方法进行 了研 究、计算与分析 。 2 ． 1 列 速度不同时 ，同类型风烫作J } J 的研究 某类型风翼对列车提供的制动力的大小。图6 给 出了这 7种工况下风翼产生 的气动 阻力。 由图 5可 以看出风翼产生的气动 阻力随着速 度的增加基本呈线性增长 ，这可以弥补粘性制动 随速度增加而下降的劣势 ，对传统制动装置起到 一 个很好的补充作用 。 I | S O 0 } ， 一 f _ 、 、 ● 、 、 、 、 图 5 不 同速度下 ，某类型风翼产生气动阻力的比较图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 旃 1 9毯菊 6矧 研 究与开发 2 ． 2 风其 安 装 数 的 研 究 风翼安装数量的不 同对列车产生的力也不同， 从而产生的制动力也会不 同。 图6 为安装九组风翼的列车示意 图。 其 中仅安 装一组风翼的是取第 1 组；安装 3 组风翼的是取第 1 组 、第 5 组 、第 9组 ；安装 5组风翼的是取第 l 组 、第 2组、第 5 组 、第 8组、第 9组 ；安装 7 组 凤翼的是取第 1 组 、第 2组 、第 3 组 、第 5 组 、第 7组 、第 8 组 、第 9组 。 图 6 列车九组风翼示意图 图7 是安装不同组数风翼后 ， 风翼对列车制动 力的贡献比较 图。 图 7 不同组数风翼气动 阻力比较图 由图 7 可以看到 ， 随着风翼数量 的增加 ， 风翼 产生的气动阻力越大 ，则列车的总制动力也越大 。 2 ．3 风挺肜状的 6J f 究 2 ． 3 ． 1 j 千 l l 近 i 『 4 外轮 翼的研究 计算结果 见表 1 。 表 l 同速度下 ，同数量 、不 同形状风翼提供气动阻力比较 3种形状的风翼为 平板式 ，一边带弧 ，两 边带弧。表2为这 3 种翼型的计算结果。 表 2 同速度下同组数不同形状风翼提供气动阻力 匕 较 由于车体安装限制，风翼只能在一定厚度下带 弧 ，因此弧形大小有限制。由表 2 的计算结果可以 看出带弧形的风翼并不能够为列车带来明显作用 的制动力， 在计算中发现， 弧形风翼还会带来更大 的气动升力 ；同时弧形风翼将 为制造过程 的机械 工艺带来更大 的难度 ，因此不建议采用弧形风翼。 2 ． 4 风 翼 安 装 位 置 的 6 J f 究 不 同安装位置 的风翼 自身产生的 气动阻力不 同， 从而也会对列车产生不同的影响。 本文主要研 究了速度在 4 0 0 k m ／ h 下，第 1 组风翼在两组车体 间隙前后位置变化所受气动阻力的变化 。 表 3 是其 计算结果。 表 3 同速度下第 1 组风一在车体间隙前后 提供气动 阻力比较 由表 3可以看 出风翼的安装位 置会对 风翼产 生 的气动 阻力产生较大影 响 ，因此选择恰 当的风 翼安 装位 置将 会对列车 的制 动力的起 到事半功倍 的作用 。 2 ． 5 计 算 结 论 通过对列车的空气动力制动风翼形状 、安装 数量 、 安装位置 ， 以及不 同速度下的数值计算 ， 得 到的主要结论有以下几点 1 风翼对列车制动 力的贡献随着速度的增 加而增大。 2 风翼 的安装数量越多则给列车提 供的制动力越大。 3 风翼安装位置的细微变化 将会带来不同的气动阻力 ，进而 对列车的制动力 贡献有所不同。 4 根据计算结果，风翼整体带 弧 的形状对 列车制 动力增加效果 不明显 ，并且会 增加制作工艺难度 ，因此建议采用平板风翼。 1 空气动力阻力与速度的平方成正比，速 度越高制动 力越大 ，空气动力制动这一方式在高 速时具有优 良性能 ， 目前 ， 铁路列车运行速度越来 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 研 究与开发 RES EARCH AND DE、EL0P M ENT I 9卷 幕 6期 VO1 ． 1 9 NO ． 6 文章编 1 0 0 5 8 4 5 1 2 0 1 0 0 6 0 0 1 4 - 0 4 基于排队论的立体车库特征及流畅性分析 李斌 ，李建 国 兰州 交通大 学 机 电技 术研 究所 ， 兰州 7 3 0 0 7 0 摘 要以排 队论为理论基础，对立体车库中的选址、车流量、库存容量、作业效率等因素进行详细 分析，提 出评价立体车库性能的多种工作指标，对立体车库的流畅性进行阐述，并给 出立体车库规划设计 过程 中满足 流畅性的某些要求 。 父键 排 队论；立体车库 ；流畅性；分析 中图分类 号T P 4 6 8 ． 5 丈献标 i _} l 码 A Li qu i d i t y a n a l y s i s o f t hr e e - d i me ns i o na l g a r a g e ba s e d o n q ue u i n g t he o r y LI Bi n，L1 J i a n ． g u o Me c h a n i c a l a n d El e c t r o n i c T e c h n o l o g y I n s t i t u t e ， La n z h o u J i a o t o n g Un i v e r s i t y , L anz h o u 7 3 0 0 7 0 ， Ch i n a Abs t r a c t Ba s e d o n t he q u e u i n g the o r y ，t hi s p a pe r a n a l y z e d t h e f a c t o r s i n the t h r e e - d i me n s i o n a l ga r a g e s uc h a s the a dd r e s s ， t h e t r a ffic fl o w， t h e s t o c k c a p a c i ty a n d t h e wo r k e ffic i e n c y ，t h e n a d v a n c e d s o me p e r f o r ma n c e me a s u r e s a b o u t t h e t h r e e - d i me n s i o n a l g a r a g e ， e x p a t i a t e d t h e l i q u i d i ty o f t h e t h r e e - d i me n s i o n a l g a r a g e and g i v e n s o me d e s i r e a b o u t the l i q u i d i ty． Ke y wo r d s q u e u i n g the o r y ； t h r e e - d i me n s i o n a l g ara g e ； l i q u i d i ty； ana l y s i s 随着我国经济的发展和控制技术的不断更新 ， 立体车库在我 国的应用越来越广泛 ，作为静态交 收稿 日 期 2 0 0 9 ． 1 1 - 1 2 基金项 目甘肃省科技基金资助项 目 2 GS 0 6 6 - A 5 2 - 0 0 1 - 0 4 作者简介李斌，在读硕士研究生；李建国，教授。 通核心的一部分 ，立体车库不仅涉及到其 自身设 备 ， 还涉及到交通 、 环境 、 规划等不 同的学科领域 ， 因此 ，对立体车库技术进行研究不仅具有经济意 义 ，还具有一定的社会意义 。迄今为止 ，国内外的 很多学者 已经针对立体车库的不 同方面进行 了深 越高 ，因此对此种制动方式进行 数值研 究越发 显 得必要。 2 列车结构复杂 ，需要大规模 的计算 网格 ，本文所采用的 L B M数值计算方法具有天然 并行性 ，非常适合列车的计算模拟 。 3 在列车空 气动力制动研究的初步阶段，应用 C F D数值计算作 为气动力制动初步设计的辅助手段 ，代替许多实验 性工作，能够节约大量时间和经费 ，并且为设计人 员提供设计参考意见和建议。 由于风翼展开 后 ，将改变列车 周围的空气流 场。 我们在研究中发现 ， 增加风翼后会增加 列车的 气动升 力， 这对于列车制动是一个不利条件 ， 这需 要对翼型作进一步的研 究；另外 ， 风翼展开后在特 定的条件下 ， 可能产生负面效应 ， 这将也是我们对 空气动 力制动的后续研 究内容 。 4 致 谢 本论 文源起于和 同济大学合作项 目，在此特 别感谢 同济大学的吴萌岭教授 、田春讲师和费巍 巍同学的通力合作、全心配合和大 力支持。另外 ， 对于文 中参照或引用 了前辈的研究成果 ，在此一 并表示 感谢 。 参考l殳献 [ 1 ]田春 ，吴萌岭，任利惠，王孝延． 空气动力制动研究初 探[ J ] ． 铁道车辆，2 0 0 7 ，4 7 3 1 0 1 2 ． [ 2 ] 周 文． 日本最新研制的 “ 姊妹”高速列车一F a s t e c h 3 6 0 S 型和 F a s t e c h 3 6 0 Z型高速列车【 J 】 ． 铁道4 o ／ e ． ，2 0 0 6 4 ． [ 3 ] Ka z u ma s a , 0． and Ma s a f u mi ， Y． D e v e l o p me n t o f Ae r o d y n a mi c B r a k e o f Ma g l e v V e h i c l e f o r E m e r g e n c y U s e ． [ J 】 ． R T R I R e p o r t, 1 9 8 9 1 1 ． [ 4 ] 何雅玲，王勇，李庆． 格子B o l t z ma n n方法的理论及 应 用[ M】 ． 北京科学 出版社 ，2 0 0 9 ，1 ． [ 5 】 何冰，封卫兵，张武，武频，白 文，李立． 基 于可压缩格子B o l t z ma n n 方法的高可扩展并行算 法研 究【 J ] ． 航 空计算技 术，2 0 0 8 ，3 8 5 6 5 - 6 8 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m