高速列车空气动力制动方案研究.pdf

2 0 1 3年 4月 第 4卷 第 2期 高速铁路技术 HI GH S P E ED R AI L W A Y TE C HN 0L 0GY No ． 2， Vo 1 ． 4 Apr ． 2 01 3 文章编号 1 6 7 4 8 2 4 7 2 0 1 3 0 2 0 o 0 1 0 4 高速列车空气动力制动方案研究 王进 ， 1 ． 南车青岛四方机车车辆股份有限公司， 青岛 2 6 6 1 1 1 ； 2 ． 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 对速度在 1 0 0 k m／ h到 4 0 0 k m ／ h区间， 装有风阻制动板的高速列车进行了数值仿真计算。在面积相 同的情况下， 研究了不同形状的风阻制动板所产生的制动力值 ， 并对空气动力制动产生的制动动力效果进行 了分析。仿真结果表明， 带有风阻制动板的列车在整车气动阻力上远大于原型车， 且随速度的提高而制动阻 力效果更加明显； 在相同面积下， 不同摆放形式的风阻制动板会产生不同的制动效果， 综合比较下， 2块分开 放置的风阻制动板是最优方案。 关键词 高速列车； 空气动力制动；风阻制动板； 计算流体动力学 中图分类号 U 2 6 0 ． 3 5 4 文献标识码 A Re s e a r c h o n Ae r o d y n a mi c Br a k e o f Hi g h S p e e d Tr a i n W ANG J i n N a t i o n a l E n g i n e e r i 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 H i 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 n g C o ． ， L t d ．Q i n g d a o ， S h a n d o n g 2 6 6 1 1 1 ， C h i n a Abs t r a c t Th e nu me ric a l s i mu l a t i o n c a l c u l a t i o n i S ma d e f o r t h e h i g h s pe e d t r a i n mo u n t e d wi t h t he a i r r e s i s t a nc e b r a k e p a n e l ，f r o m 1 0 0 k m／ h t o 4 0 0 k m／ h ．T h e v a l u e o f t h e b r a k i n g f o r c e g e n e r a t e d b y t h e d i f f e r e n t a i r r e s i s t a n c e b r a k e p a n e l i s o b t a i n e d i n t h e s a me a r e a，a n a na l y s i s i s ma d e o f t he br a k i n g f o r c e e f f e c t g e n e r a t e d by a e r o d y n a mi c b r a k e ．T he r e s u l t s s h o w t ha t ，t h e r e s i s t a n c e i s mu c h g r e a t e r t ha n t h e p r o t o t y pe v e h i c l e wi t h d r a g b r a k e p a ne l t r a i n i n t he a e r o d y n a mi c s o f v e h i c l e s，a nd t h e b r a k i n g e f f e c t i s mo r e o bv i o u s wi t h t h e s p e e d i n c r e a s i n g ． I n t h e s a me a r e a，t h e d i f f e r e n t d r a g b r a k e p a n e l for m wi l l p r o d u c e di f f e r e n t b r a k i n g e f f e c t s ． A c o mp r e h e n s i v e c o mp a ris o n s h o ws t ha t t h e t wo s e p a r a t e d r a g b r a k e p a ne l i s t h e o p t i ma l s c h e me ． Ke y wor ds hi g h- s p e e d t r a i n；a e r o d y n a mi c s b r a k e；b r a k e pa n e l s ；CFD 1 前 言 高速铁路的速度已达到了3 0 0 k m ／ h以上 ， 但 目前 国内外的绝大多数高速列车仍采用的是盘形制动。由 于轮对踏面的黏着系数会 随速度 的增加而下降 ， 换言 之 ， 制动力也随速度增加而下降， 同时刹车时制动盘 的 温度升高也会产生热应力等问题。13本新干线 如 日 本 F a s t e c h 3 6 0 z型列车⋯ 和超导磁悬浮列车采用了空 气动力制动作为紧急情况下 的制动方式 ， 并且 已取得 了成功的经 验。空气动力制 动与轮盘和 闸瓦制动不 同。空气动力制动是制动时打开制动风阻板 ， 其迎风 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 8 1 3 作者简 介 王进 1 9 8 3 ． ， 男 ， 工程师 。 面受正压力作用 ， 背风面气体分离后 ， 流场为负压 ， 风 阻板产生压差 阻力 。由于不借助机械摩擦产生 制动 力 ， 故该装置无磨耗 ， 无摩擦生热。因为空气阻力与速 度 的平方成正比 ， 所 以空气动力制动的效率 随速度 的 增加而提高， 可以说空气动力制动将会是高速列车未 来必备的制动方式之一l 2 。 对于风阻制动板 的形状进行探讨 的文章还很少 。 基于此， 本文将结合具体车型， 分析相同面积下， 不同 形状的制动风档板对空气阻力的影 响， 为风阻制动板 形状的研究提供设计依据。 2 计算几何模型 2 ． 1 列车模型 本文以国内某新型动车组外型为参考 ， 模型采用 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 王进 高速列车空气动力制动方案研究 2 0 1 3年 4月 方程如下。 连续方程 为 运动方程为 度更大 ， 也就是说制动效率更好 。同时可以看出， 第一 种带风阻板的整车气动阻力最大， 第二种带风阻板的 O ap 嚣 。 ㈩ 嘉 主 笺 别不大， 但是对车身气动阻力的影响比较明显。 ．4 - 一 考 去 詈 i 警 ] 一一 一 一 一 l ．I 一 l l a￡ a a a L，’ ＼ 。 ， J 4 式中 “ 、 “ ， 平均速度分量 ； 、 坐标分量 ； P气体密度； p 流体微元体上的压力 ； 。 湍流有效粘性系数。 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 J ， 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。具体公式如下。 湍动能 k方程为 杀 cp ，c 毒 cp K uj 毒 [ 差 ] G G b p 8一l ， MS k 5 湍动耗散率 8方程为 击 0 x i O x i ／z , ／ O e ] pc1 s 一pc2 “ c - 詈 c 3 。 G 6 6 ／J8 0 n c ⋯0． 4 3 ， ] 7 田S 8 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 1 、 c 2 、 c 3 常量 ； drk、dr 。 方程和 e 方程的湍流 P r a n d t l 数 ； s 、 s 。 自定义的值。 4计算结果分析 F l u e n t 是 目前 比较 流行 的 C F D软件 ， 在 航 空航 天、 汽车设计等方面有着广泛的应用， 故本文采用 F l u e n t 软件进行数值仿真。 从图 5中可以看出， 加了风阻制动板后 ， 列车气 动 阻力明显增大 ， 并且随着速度的增大 ， 气动阻力增大幅 图 5 整车气动阻力比较图 图 6 气动 阻力分类 比较图 通过图 6 、 图7可以看出 ， 面积相同而摆放方式不 同的风阻板 ， 产生的风阻板 自身的气动阻力大致相 同。 但由于摆放方式不同 ， 对车身流场影响不同， 导致车身 阻力有着一定的差别。气流绕过风阻板后， 产生了分 离 ， 破坏了原有 的附面层 ，故气流分离程度越大， 影 响 区域越大， 导致车身的气动粘性阻力越小。从图8也 可以看出， 在车顶表面上 ， 第一种风阻板影响气流的区 域较小， 第二种风阻板产生的气流分离区域最大， 而且 气流分离程度深 ， 第三种风阻板产生 的影响介 于两者 之 间。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 王鲁， 等 青荣城际五沽河特大桥刚构连续梁设计关键问题分析 2 0 1 3年 4月 应根据实际情况做细致研究 ， 阻尼器的设 置应根据整 体结构的经济性 、 安全性合理选择 ， 综合考虑以实现优 化设计和经济效益 的统一。 参考文献 [ 1 ] 陈永祁． 桥梁工程液体粘滞阻尼器设计与施工[ M] ． 北京 中国铁 道 出版社 ， 2 0 1 2 ． Ch e n Yo n g q i ． De s i g n a n d Co n s t r u c t i o n o f Brid g e En g i n e e ri ng Vi s c o u s D a m p e r[ M] ． B e i j i n g C h i n a R a i l w a y P u b l i s h i n g H o u s e ， 2 0 1 2 ． [ 2 ] 孙树礼． 高速铁路桥梁设计 与实践 [ M] ． 北京 中国铁 道出版 社 ， 2 01 1 ． S u n S h u l i ．D e s i g n a n d P r a c t i c e o f Hi g h S p e e d R a i l w a y B ri d g e[ M] ． [ 3 ] [ 4] B e i j i n g C h i n a R a i l w a y P u b l i s h i n g H o u s e ， 2 0 1 1 ． 兰州交通大学． 京沪高 速铁路天津 特大桥地震 反应分 析[ R] ． 兰 州 兰州交通大学 ， 2 0 0 8 ． S e i s mi c R e s p o n s e A n a l y s i s o f T i a n j i n G r a n d B ri d g e o f B e i j i n g -S h a n g - h a i H i g h S p e e d R a i l w a y[ R]． L a n z h o u L a n z h o u J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， 2 o o 8． 铁道第三勘 察设计 院集团有 限公 司， 桥梁用液压阻尼器理论研究 报告[ R] ． 天津 铁道第三勘察设计院集团有限公司 ， 2 0 1 1 ． T h e o r e t i c a l R e s e a r c h R e p o o f H y d r a u l i c D a m p e r i n B r i d g e[ R] ． T i a n j i n T h e T h i r d R a i l w a y S u r v e y a n d D e s i g n I n s t i t u t e G r o u p C o ． L t d． ，2 01 1 ． 上接 第4页 参考文献 [ 2 ] [ 3 ] 周 文．日本 最新 研 制 的 “ 姊 妹 ”高 速列 车 一F a s t e e h 3 6 0 S型 和 F a s t e c h 3 6 0 Z型 高速列车 [ J ] ． 铁道知识 ， 2 0 0 6 4 l 7 ． Zh o u We n．J a p a n ’ S L a t e s t“S i s t e r ” Hi g h- s p e e d T r a i n f a s t e e h 3 6 0 S | r y p e a n d F a s t e c h 3 6 0 Z Hi g h - s p e e d T r a i n 【 J ] ．Ra i l w a y K n o w l e d g e ， 2 0 06， 4 1 7． Ka z u ma s a ， O．a n d Ma s a f u mi ，Y．De v e lo 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 Ve 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 rt，1 9 8 9 I 1 ． Ma s a f u mi Y． C h a r a c t e ris t i c s o f t h e Ae r o d y n a mi c Br a k e o f t h e Ve h i c l e [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] o n t h e Ya m a n a s h i Ma g l e v T e s t L i n e [ J ] ．R T R I ， 2 0 0 0， 4 1 2 7 4 ． Ka z u ma s a 0， Ma s a f u mi Y． De v e l o p me n t o f Ae r o d y n a mi c Br a k e o f Ma g l e v V e h i c l ef o r E m e r g e n c y Us e [ J ] ． R T R I ， 1 9 8 9 ， 3 1 1 5 3 ． 吉村正文 ， 黄德 山． 宫崎 试验 线车 辆空 气 动力制 动装 置 的开发 [ J ] ． 国外铁 道车辆 ， 1 9 9 6 5 4 3 4 7 ． Ma s a f u mi Yo s hi mu r a ．De v e l o p me n t o f Ae r o d y n a mi c Br a ke o f Mi y a z a k i Ma g l e vT e s t L i n e V e h i c l e [ J ] ．F o r e i g nR ail i n g S t o c k ， 1 9 9 6 5 4 3 4 7． 王福军． 计算流体动力学分析[ M] ． 北京 清华大学 出版社 ， 2 0 0 4 ． Wa n g F u j u n ． C o m p u t a t i o n a l F l u i d D y n a m i c s A n al y s i s [ M] ．B e ij i n g Ts i n g h u a Un i v e rsi t y P r e s s ，2 0 0 4． 上接第 1 8页 [ 9 ] 汪定伟 ， 能优化方法 [ M] ． 北京 高等教育 出版社 ， 2 0 1 1 ． Wa n g D i n g w e i ．I n t e l l i g e n t O p t i mi z a t i o n Me t h o d[ M] ．B e ij i n g H i g h - e r Ed u c a t i o n P r e s s ， 2 01 1 ． [ 1 O ]唐和生， 许锐， 薛松涛， 等．基于 C L P S O算法的结构系统识别 [ J ] ．振动 、 测试 与诊断 ， 2 0 1 0 6 71 3 ． Ta n g He s he n g，Xu Ru i ，Xu e S o n g t a o，e t a 1 ．S t ruc t u r a l S y s t e m I d e n t i fi e a t i o n Us ing Co mp r e h e n s i v e L e a r n i n g P a r t i c l e S wa r m Op t i mi z a t i o n A l g o ri t h m[ J ] ．J o u rnal o f V i b r a t i o n ， Me a s u r e m e n t ＆D i a g n o s i s ， 2 0 1 0 6 71 3 ． [ 1 1 ]许锐 ， 王泽兴 ， 罗雪． 架优化的改进粒子群算法 [ J ] ． 佳木斯 大学学 报 自然科学版， 2 0 1 2 1 3 7 ． Xu Ru i ， W a n g Z e x i n g， L u o Xu e ． A CL P S O Al g o ri t h m for T ru s s S t ru c t u r e O p t i m i z a t i o n [ J ] ． J o u r n a l o f J i a m u s i U n i v e r s i t y N a t u r a l S c i e n e e E d i t i o n ， 2 0 1 2 1 3 7 ． [ 1 2 ] S u n J ，e t a 1 ．P a r t i c l e S w a rm O p t i m i z a t i o n w i t h P a r t i c l e s H a v i n g Q u a n t u m B e h a v i o r ． P r o c [ C ] ．C o n g r e s s o n E v o l u t i o n a r y C o mp u t a t i o n ， 2 0 0 4 ． [ 1 3 ] S u n J ， e t a 1 ．A G l o b a l S e a r c h S t r a t e g y o f Q u a n t u m b e h a v e d P a r t ic l e S w a r m O p t i mi z a t i o n[ C ] ． P r o e ．I E E E C o n f e r e n c e O n C y b e r n e t ic s a n d I n t e l l i g e n t S y s t e ms ， 2 0 0 4 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m