高速列车湍流绕流三维数值模拟研究

本文在般曲线坐标系下，采用Ｋ－ε双方程模型及壁面控制函数，借助于代数变换建立起以协变速度分量为独立变量的三维复杂钝体湍流绕流数值计算方法，建立了一套适合于近地大长细比复杂几何体的三维网格生成与控制方法，同时采用交错网格，成功地解决了压力－速度耦合关系。首次对高速列车三维湍流绕流场压力分布、速度分布以及气动阻力进行研究。本文的研究工作对进一步解决近地大长细比复杂几何体湍流绕流数值模拟是一个良好的开端     

具有地面效应的高速列车湍流绕流数值模拟研究

利用数值模拟方法，研究了考虑地面效应和不考虑地面效应的高速列车湍流绕流之间差别，并利用风洞试验进行了验证。应用改进的曲线网格系统和计算程序Ｔｒａｉｎ，对高速列车绕流流场进行了较为精确的数值模拟。从计算结果分析看出，考虑地面效应的阻力系数比未考虑地面效应的阻力系数增加１５％，使计算精度从７５％增加到８５％。     

列车绕流的瞬态与稳态数值模拟对比

采用大涡模拟（Large Eddy Simulation,LES）和基于雷诺平均（Reynolds Average Navier-Stocks,RANS）的SST（Shear Stress Transport）k-ω湍流模型,分别对高速列车单车明线运行进行瞬态和稳态的仿真计算,通过与实车测试数据比较对数值模拟进行了验证.对比分析LES和RANS的计算结果发现：对于车头表面测压点,LES和RANS都能给出高精度的计算结果,且LES的瞬态计算结果表明,表面压力最大值在一个很宽的范围内波动;对于列车绕流结构,LES较RANS表现出更强的小尺度涡的捕捉能力,尤其表现在复杂的尾流区;通过气动力系数的傅里叶变换分析了波动的频域特性.LES在较复杂列车模型外流场模拟中的高计算精度,及其广泛的结果信息可以为列车的系统耦合设计提供可靠的数据参考.     

绕方柱流速度场的数值模拟

采用有限差分法 ,对雷诺数为 2 .2× 10 4 的三维绕方柱流的速度场进行了大涡模拟。运用时间分裂控制(Split Operator)法 ,将N S方程分为对流步、扩散步和传播步。对Smagorinsky假设在近壁区的发散问题用两层模型而非通常采用的WallDampingFunction进行处理。对流项用迎风 中心差分格式模拟 ,压力方程用SOR法迭代求解。计算得到的沿对称线的时均顺流向速度的计算结果与文献上的实验结果进行了比较 ,结果吻合较好。     

串列双方柱绕流的数值模拟

采用有限体积法,利用RNG k-ε模型对雷诺数Re=22 000情况下二维串列双方柱绕流进行湍流数值模拟。着重研究了不同的方柱间距比时上下游方柱所受到的阻力、升力与涡街特性,以及各方柱后尾流的变化情况。计算结果表明:上游方柱受力明显大于下游方柱,但两方柱脉动频率几乎相等,而升力有较大差别;下游方柱所受阻力沿水流方向随着间距的增加而增大;受上游方柱尾流作用,下游方柱升力增加,脉动较单柱情形时明显变大;分析了不同间距下流场的演变情况。     

尾部隔板影响圆柱绕流场的二维层流数值模拟

为了探讨尾部隔板对圆柱绕流场的影响,采用有限体积法、非结构化网格和层流模型求解二维不可压缩N-S方程.在雷诺数为200的条件下,对背流面沿流动方向的对称线上,带薄板的圆柱绕流场进行了数值模拟,得到了流场速度云图、斯特劳哈尔数及平均阻力系数随隔板长度的变化情况.研究结果表明:在圆柱尾部加入的隔板能有效改善旋涡的脱落情况,削弱尾迹区的能量耗散,同时降低绕流的斯特劳哈尔数.在板长与圆柱直径比为L/D≥7的情况下,加入的隔板使圆柱尾部的旋涡被拉伸为扁平结构并限定在隔板两侧,在扁平对涡的外侧形成类似流线型的流场结构;尾部的隔板也使绕流的阻力系数呈现下降的趋势,当L/D=7时,平均阻力系数下降了约40%.      

计算网格对列车空气动力学不确定性的影响

为评价计算网格对明线列车空气动力学数值仿真计算结果的影响,基于计算流体力学,研究了计算网格对列车气动特性的不确定性. 首先根据3种不同尺寸的计算网格及其计算结果,提出了计算网格对列车气动力和表面压力不确定性的计算方法;其次以ICE2列车为研究对象,划分了3种不同尺寸的计算网格,数值仿真得到了列车气动力和典型截面的压力;最后研究了该列车头车气动力和典型截面压力的不确定性. 研究结果表明:数值仿真得到的气动侧力系数与试验数据的误差仅为0.31%;车身迎风侧表面压力的不确定性接近于0;车身表面压力不确定性较大的位置主要位于车体底部,其最大不确定度达到1.42;头车侧力系数的不确定度为0.002 6,而头车升力系数的不确定度为0.509 3.      

高速列车波浪形受电弓弓头的气动特性数值研究

以高速列车受电弓弓头为研究对象,应用Fluent软件对弓头气动特性进行数值模拟,对受电弓弓头结构进行优化,提出了下表面波浪形新型弓头结构,探究弓头下表面结构对气动特性的影响。首先,以方柱绕流为研究对象进行湍流模型验证,结果表明使用Transition SST湍流模型对弓头二维模型进行数值仿真是可行的。其次,以CX-NG型受电弓为基础建立了传统方形弓头模型,对其进行模拟计算。最后,对受电弓弓头进行下表面结构改形设计,将下半部分外形优化为凹、凸波浪形。在不同速度下,建立弓头周围流场的速度与压力云图,将凹、凸形弓头与传统方形弓头进行气动特性对比,分析不同外形结构对流场的影响。对比分析发现,使用凸形受电弓弓头能够达到较好的减阻效果。在3种列车运行速度下,阻力系数C_d分别减少了10.26%、11.23%、12.69%。     

高雷诺数下方柱绕流特性的数值模拟

为研究高雷诺数为22 000下方柱周围流场形态及气动力特性,基于开源计算流体动力学（computational fluid dynamic,CFD）软件OpenFoam平台,采用基于动态亚格子模型的大涡模拟（large eddy simulation,LES）方法,对均匀来流作用下的方柱绕流进行了三维数值模拟.首先,通过对基于时间积分的平均积分分量的比较,验证了本数值计算的准确性;其次,深入分析了方柱周围及其尾流区的流场结构,给出了流场结构的平均和湍流特征,并在此基础上,研究了其气动力特性;最后,分析了两种长径比下表面压力的展向空间相关性.研究结果表明:雷诺数为22 000下方柱尾流区回转长度为1.37倍方柱宽度,Strouhal数为0.121,脉动升力系数为1.40;展向长度取8倍方柱宽度可更准确地获得周围湍流特性.      

双向流固耦合的圆柱式桥墩绕流的三维数值模拟

考虑双向流固耦合并利用软件ANSYS CFX模拟了圆柱表面涡脱的产生和变化过程,结合工程实际给出了计算实例,采用有限体积法对流体力学控制方程Navier-Stokes进行离散,用SIMPLE方法求解,分析计算了圆柱表面周向压力系数分布情况及圆柱的阻力系数、升力系数及Strouhal数,得到了流体与结构物相互作用对圆柱绕流特性的影响。结果表明:由于圆柱受到水流的作用,圆柱的升力及尾流特征显示周期性变化,并出现单一频率振动。     

高速列车隧道会车压力波的数值模拟

采用一维可压缩不等熵非定常流体流动理论的和广义黎曼变量特征线法发展了高速列车在隧道内会车所引起的隧道内空气压力瞬变的数值方法，并根据该方法计算、列车隧道内三种不同位置的会车压力波瞬变规律，结果表明，该方法可作为我国高速铁路单复线隧道设计参数选择的研究，为今后进一步研究隧道内会车引起乘客舒适性等问题提供基础和依据。     

升力翼对高速列车列车风与尾流特性的影响

为探究在高速列车车顶安装升力翼后引起的列车周围流场剧变,以三车编组1∶10缩尺比某型CRH高速列车模型为研究对象,采用基于两方程湍流模型的改进型延迟分离涡模拟(IDDES)方法,对比分析了有无升力翼的2种高速列车时均和瞬时列车风的发展规律;利用涡旋识别方法探讨了尾迹区瞬时涡结构分布特征,通过比较尾迹区不同流向位置的列车风分布特征与尾流涡旋移动规律,验证了列车风速度峰值与尾涡非定常特性的相关性,采用频谱分析方法获得了尾迹区速度功率谱密度曲线。研究结果表明：升力翼的几何外形结构加剧了车身表面边界层分离,令列车顶部和侧表面边界层厚度增大;升力翼使列车风速度峰值增大,其中在轨侧和站台位置最大时均列车风速度分别增大了1.556和1.327倍,且相较原型列车第2个峰值位置延后;由于翼尖涡不断向下游发展和累积,升力翼列车尾流结构表现为大尺度涡对中夹杂着一对更为破碎的细小涡旋,相较原型列车,涡旋与地面之间的剪切作用更强,升力翼列车尾流时均列车风速度在展向分布上有所增大,但垂直分布上有所降低,并在水平面上出现更明显的剪切分离;升力翼列车尾迹中包含较多破碎的小尺度涡,进而影响了尾迹涡脱落频率,使之比原型列车具有更高的能量,且涡旋耗散速度更慢。     

基于Swift的汽车外流场三维数值模拟

利用计算流体力学（CFD）方法,借助仿真模拟软件Swift对高速轿车外流场进行数值计算,得到轿车三维速度矢量分布图和纵向对称面内的压力系数分布图,并将计算结果与其他软件的计算结果进行对比,结果吻合较好。     

高速列车转向架空气阻力的数值模拟

为了研究转向架的空气阻力特性, 建立了列车空气动力学模型。基于三维定常可压缩N-S方程和k^-ε两方程湍流模型, 采用有限体积法对速度为400 km.h^-1的高速列车空气动力学性能进行了数值模拟, 分析了车底结构对转向架气动力的影响。研究结果表明: 转向架区域的流场结构非常复杂, 转向架前后都会有漩涡形成; 高速列车各转向架所受气动阻力差别很大, 无侧风条件下, 头车一位端转向架阻力是第4转向架阻力的4倍以上; 转向架气动阻力占列车总阻力的20%以上, 在侧风作用下占40%以上; 不同车体底部形状使转向架阻力最大相差30%以上; 适当改进列车底部结构, 有利于减少转向架的气动阻力, 进而减小列车运行气动阻力。     

明线上高速列车会车压力波的数值模拟

本文根据明线上高速列车绕流场的特点，建立会车压力波计算模型，介绍用Ｐａｎｅｌ法计算的过程和计算中一些问题的处理方法，提出一种粘性修正的简单方法。并以一种研究中的高速列车为模型，计算了不同线间距下的会车压力波。     

基于人工可压缩方法的后台阶绕流数值模拟

针对二维后台阶绕流采用人工可压缩方法进行数值模拟，方程的离散采用有限体积法．为了消除离散求解时可能产生的数值振荡，在离散方程的右端人为增加四阶人工耗散．在Re=45，60，90等低雷诺数下的数值试验结果表明，人工可压缩方法和有限体积离散方法联合进行数值模拟的可行性；在低Re的情况下，伪可压缩系数α取小的值会对方程求解的稳定性更有利．在其它参数取值相同的情况下，还分别针对加入和不加人人工耗散两种情况进行模拟，结果表明人工耗散的加入使迭代余量的绝对值明显减小，也就是从一定程度上消减了数值解的振荡．文中同时在数值试验的基础上提出了人工压缩系数的参考取值范围．通过采用上述方法对后台阶绕流进行模拟，模拟结果和商用软件PHOENICS3．2在相同条件下模拟结果基本吻合，表明了该方法的可行性．     

类客车体绕流场的数值模拟

应用计算流体力学专业软件ＰＨＯＥＮＩＣＳ,从雷诺时均Ｎ－Ｓ方程出发,采用ｋ－ε湍流模型,对类客车体外型的三维绕流场进行数值模拟,着重研究了后体收缩尾段的上表面倾斜角对底部流动的影响。     

两列车在隧道中交会期间的压力瞬变的数值计算

以一维可压缩不稳定等熵流理论为基础提出了一个种适用范围较为广泛的计算会车期间压力瞬变的方法。建立了模拟会车期间流动的边界条件方程,提出了一种新的跟踪列车运动的网格系统。通过与实测的会一期间压力瞬变曲线对比,验证了本文中提出了的方法。并对会车期间的压力瞬变的特征进行了讨论和分析。     

高速列车进入隧道的气动作用数值模拟

为了寻求减小气动作用的方法,基于三维非稳态粘性流的雷诺平均Navier—Storkes方程及两方程紊流模型,采用包含移动网格技术的计算流体力学方法,对高速列车进入隧道的气动作用进行了动态数值模拟;计算了2种车型（ICE和新干线300系）、5种车速（200,250,300,350和400km／h）和5种隧道断面尺寸的列车-隧道流场,获得了隧道内压力和列车气动阻力的变化趋势,并分析了列车速度、阻塞比、车头形状和线路状况等因素的影响．研究表明,列车速度和阻塞比对气动作用的影响具有一定规律．