對(duì)高速列車(chē)氣動(dòng)效應(yīng)數(shù)值模擬參數(shù)分析

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1、低溫建筑技術(shù)2016年第2期(總第212期)DOI：10．13905／j．cnki．dwjz．2016．02．031高速列車(chē)氣動(dòng)效應(yīng)數(shù)值模擬參數(shù)分析鄭修凱(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司。天津300142)【摘要】基于計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent，結(jié)合k一二方程湍流模型，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)列車(chē)周?chē)娜S非定?？蓧嚎s流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模，研究不同參數(shù)設(shè)置對(duì)于數(shù)值模擬結(jié)果的影響。計(jì)算結(jié)果表明：求解器采用SIM—PLEC算法，空間離散格式采用二階迎風(fēng)，每時(shí)間步最大迭代次數(shù)采用2O次，時(shí)間步大小采用0．005s可以在節(jié)省計(jì)算時(shí)間的前提下

2、提高數(shù)值模擬精度。為今后進(jìn)一步數(shù)值模擬研究高速列車(chē)氣動(dòng)效應(yīng)問(wèn)題提供基礎(chǔ)和依據(jù)。【關(guān)鍵詞】高速列車(chē)；列車(chē)風(fēng)壓；氣動(dòng)作用；數(shù)值模擬【中圖分類(lèi)號(hào)】TU312．1【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B【文章編號(hào)】1001—6864(2016)02—0092—04高速列車(chē)快速行駛時(shí)，列車(chē)會(huì)帶動(dòng)周?chē)目諝庖籨iv(ka+div(pur)=gradT)+s(2)起運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生“列車(chē)風(fēng)”。列車(chē)氣動(dòng)效應(yīng)會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)c境產(chǎn)生附加風(fēng)荷載。高速鐵路線鄰近結(jié)構(gòu)在進(jìn)行設(shè)質(zhì)量守恒：計(jì)時(shí)應(yīng)考慮列車(chē)風(fēng)引起的氣動(dòng)效應(yīng)?；沘+a(ⅥJD)=0(3)目前國(guó)內(nèi)外列車(chē)風(fēng)常用研究方法主要分為兩類(lèi)

3、：．k一占方程：第一類(lèi)為試驗(yàn)方法，第二類(lèi)為數(shù)值模擬計(jì)算方法。試驗(yàn)方法分為：在線實(shí)車(chē)試驗(yàn)法、列車(chē)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)法、列車(chē)O(pk)+aOx=毒d[L(、+。rr，)aJGk+G。一動(dòng)模型試驗(yàn)法。進(jìn)行一次完整在線實(shí)車(chē)試驗(yàn)需要耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力，再加上自然條件千變?nèi)fp8一yM+Sk(4)化，重復(fù)性難以保證，因此實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)方法采用比較少。+Ox，=毒Ox[Lc、+’rrcgxj卜J隨著計(jì)算機(jī)水平的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬方法近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用，數(shù)值模擬計(jì)算具有適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用C。T(c+C3,~G)一c}+S(5)面廣、分析時(shí)間短、費(fèi)用低

4、等優(yōu)點(diǎn)，相比較試驗(yàn)方法有優(yōu)越性，是目前探究列車(chē)氣動(dòng)效應(yīng)的一種常用手段。式中，t為時(shí)間；。為笛卡爾坐標(biāo)(i=1，2，3)；p是國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于列車(chē)風(fēng)的形成機(jī)理、傳播過(guò)程的空氣密度是速度矢量；、和是速度矢在、研究比較完善，但對(duì)于參數(shù)設(shè)置對(duì)數(shù)值模擬影響的研和z方向的分量；為湍動(dòng)能；s為湍流耗散系數(shù)。究還有待進(jìn)一步的完善。高速列車(chē)引起的周?chē)諝?2)列車(chē)模型。列車(chē)外形參考CRH380型號(hào)，流動(dòng)是一種十分復(fù)雜的非定常、湍流流動(dòng)，數(shù)值模擬見(jiàn)．圖1。結(jié)果受許多因素的影響。本文結(jié)合我國(guó)高速列車(chē)實(shí)際情況，基于計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent，采用三

5、維、非定常、可壓縮k一8二方程湍流模型，分別探討求解器、空間離散格式、時(shí)間步大小、每時(shí)間步最大迭代次數(shù)等參數(shù)設(shè)置對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響，為今后進(jìn)一步數(shù)值模擬研究高速列車(chē)氣動(dòng)效應(yīng)問(wèn)題提供基礎(chǔ)和依據(jù)。1數(shù)值計(jì)算圖1CRH3g0動(dòng)車(chē)組外貌(1)控制方程。高速列車(chē)引起的周?chē)諝饬鲃?dòng)高速列車(chē)外表十分復(fù)雜且長(zhǎng)細(xì)比很大，數(shù)值模擬時(shí)受質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒定律的控制，除此之為控制計(jì)算模型、提高計(jì)算速度需對(duì)真實(shí)列車(chē)模型作一外還要滿足附加湍流輸運(yùn)方程。基本控制方程些簡(jiǎn)化。計(jì)算模型列車(chē)由車(chē)頭、車(chē)身和車(chē)尾組成。國(guó)內(nèi)如下：外學(xué)者研究表明列車(chē)車(chē)身對(duì)

6、周?chē)h(huán)境的影響很小，因此動(dòng)量守恒：車(chē)頭、車(chē)尾長(zhǎng)度參考實(shí)際列車(chē)，車(chē)身長(zhǎng)度縮減列車(chē)模型警+()一(1)如圖2所示。列車(chē)模型參數(shù)、計(jì)算域尺寸、網(wǎng)格劃分、邊界條件等參數(shù)設(shè)置詳見(jiàn)文獻(xiàn)[3]～[10]。能量守恒：鄭修凱：高速列車(chē)氣動(dòng)效應(yīng)數(shù)值模擬參數(shù)分析93兩者數(shù)值模擬結(jié)果較SIMPLE算法更接近于實(shí)測(cè)風(fēng)壓，但PISO算法需要更長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間。圖2CRH380動(dòng)車(chē)組模型2數(shù)值模擬方法驗(yàn)證通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比來(lái)驗(yàn)證數(shù)值模擬方法。圖3是同一位置處實(shí)測(cè)風(fēng)壓與數(shù)值模擬風(fēng)壓時(shí)程的對(duì)比圖，從圖3可以看出兩者風(fēng)壓極值大小相同、風(fēng)壓時(shí)程變化規(guī)

7、律相同，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的可靠性，為下文參數(shù)分析奠定了基礎(chǔ)。8．o8．59．o9．5lO．olO．5高度，m100(a)車(chē)速250km·h50。獸一50—100O246810∞d，幽匿Bdi_區(qū)時(shí)間，s圖3實(shí)測(cè)加風(fēng)壓與m數(shù)值?！迶M結(jié)果∞對(duì)比圖∞3數(shù)值模擬參數(shù)分析本節(jié)以列車(chē)車(chē)速250、300km／h數(shù)值模擬結(jié)果為高度『m例，在正線上方沿高度方向布置測(cè)點(diǎn)，將數(shù)值模擬結(jié)(b)車(chē)速300kin·h-’果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，分別研究求解器、空間離散格式、時(shí)間步大小、每時(shí)間步最大迭代次數(shù)等參數(shù)設(shè)置對(duì)數(shù)圖4不同求解器數(shù)值模擬結(jié)果值模擬結(jié)果的

8、影響。(1)求解器。求解器分為分離式求解器和耦合(2)空間離散格式。數(shù)值模擬時(shí)對(duì)流項(xiàng)的空間式求解器，分離式求解器又分為SIMPLE、SIMPLEC、離散格式分為一階迎風(fēng)格式和二階迎風(fēng)格式，一階離PISO等。SIMPLE算法通過(guò)壓力修正方程進(jìn)行壓力和散格式由于其截?cái)嗾`差小于二階而容易引起假擴(kuò)