CFD在铁路机车设计中应用.docx

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1、CFDCFD 在铁路机车设计中应用在铁路机车设计中应用摘摘要要本文主要对高速列车外流场的空气动力学特性进行研究，选择高速列车动车组CRH2 为研究模型在 Solidworks 中建模，再将建立好的 3D 模型导入至 Workbench平台上的 ICEM 进行网格划分与 Fluent 湍流流动计算，最后将计算结果导入至Tecplot 后处理软件中进行图像处理。而本文主要对高速列车明线运行的静风状态进行研究，研究 CRH2 高速列车组在 200350km/h 运行速率区间内其空气动力学特征，包括列车外流场的速度分布、压力分布与列车表面的压力载荷分布，进而研究不同列车运行速度下的运行阻力。结果表明，

2、随着运行速度从 200km/h 上升至 350km/h，列车前车的鼻锥、前窗以及前车顶部附近的流动速度都相应增加，但动车组前后流速差从 20m/s 减小至 10m/s；列车前车的鼻锥附近的空气压力 2000pa上升至 5417pa，需要对车头鼻锥进行强度的提升，以适应正压部分的提高；动车组尾部正压区域扩大，正压值从 214517pa 上升至 2801307pa，而在尾部分离区域的负压极值从-500pa 上升至-1775pa；车前窗的压力值从 600pa 左右增加至2200pa 左右；前后压差提高，从 300pa 上升至 900pa。关键关键词词：高速列车；气动性能；数值模拟；空气动力学Abst

3、ractThis paper mainly studies the aerodynamic characteristics of high-speed trainexterior flow field,selects the high-speed train EMU CRH2 as a research model to bemodeled in Solidworks,and then imports the established 3D model to ICEM onWorkbench platform for meshing.Fluent turbulent flow calculati

4、on,and finally thecalculation results are imported into Tecplot post-processing software for imageprocessing.This paper mainly studies the static wind state of high-speed train running,and studies the aerodynamic characteristics of CRH2 high-speed trains in the200350km/h operating speed range,includ

5、ing the speed distribution,pressuredistribution and train surface The pressure load distribution,and then study the runningresistance at different train speeds.The results show that as the operating speedincreases from 200km/h to 350km/h,the flow speeds of the nose cone,front window,and the top of t

6、he front of the vehicle in front of the train increase accordingly,but theflow rate difference between the front and rear of the EMU decreases from 20m/s.Up to10m/s;the air pressure near the nose cone of the trains vehicle rises from 2000pa to5417pa.The strength of the front nose cone needs to be in

7、creased to accommodate theincrease in the positive pressure;the positive pressure zone at the rear end of the EMUis enlarged and the positive pressure value is from 214517pa rises to 2801307pa,while the negative pressure in the tail separation area rises from-500pa to-1775pa;thepressure value in the

8、 front window of the vehicle increases from about 600pa to about2200pa;the pressure difference increases before and after,rising from 300pa to 900pa.Keywords:high-speed train;aerodynamic performance;numerical simulation;aerodynamics目目 录录摘摘要要.2Abstract.3第一章第一章 绪论绪论.41.1 研究背景.41.2 列车空气动力学的研究内容以及研究方法.6

9、1.3 国内外研究现状.71.4 研究内容与研究方法.10第二章第二章 数值计算方法理论数值计算方法理论.112.1 湍流模拟的数值方法.112.1.1 湍流模型分类.112.1.2 RANS 湍流模型的控制方程.122.1.4 控制方程的离散化.13第三章第三章 不同运行速度对高速列车外流场的影响不同运行速度对高速列车外流场的影响.143.1 模型描述.143.1.1 几何模型.143.1.2 计算域与边界条件.153.1.3 网格划分.163.1.4 计算设置与收敛条件.173.2 计算结果分析.183.2.1 列车周围流动速度分布.183.2.2 列车周围流动压力分布.193.2.3 列

10、车表面压力分布.21第四章第四章 结论结论.24参考文献参考文献.25致致 谢谢.26第一章第一章 绪论绪论1.1 研究研究背景背景从建国开始国家就不遗余力投入铁路网的建设，内燃机技术的发展与电力牵引的应用使得铁路机车的应用越来越广泛，而逐渐取代机车成为交通运输最为重要的一环。但由于其动力有限以及列车外形的设计缺陷以及路基条件的限制，使得内燃机车难以达到较高的速度，以实现跨地区的快速交流，因而在这样的背景下，高速列车应运而生，其设计时速可达 200 公里每小时，相比于传统运输行业，包括汽车、飞机、轮船甚至内燃机车在内，都具有非常明显的优势；低能耗、高速度、稳定性好、安全系数高、不易晚点使得高速

11、列车在全世界获得空前的关注。高速列车的技术在日本和欧洲一些国家首先得到发展。1964 年日本就建成了时速可达 210 公里的“光”号列车，“光”号列车在日本东海道新干线得到良好的商业运营，随着“光”号列车的商业示范运营，其覆盖到东北、山阳等其他干线上。日本在高铁运行上积累深厚，在 03 年底，高铁总运营里程就已达到 2325 公里。日本偏向于商业运行上的稳定，而法国则更偏向于追求极致的运行速度，早在 20 世纪90 年代，高铁的设计速度就达到 300km/h，这远远领先与其他国家，而在实验室中，其实测的最高时速就达到 510 km/h，足以彰显其高铁技术的领先地位。随着法国与日本高铁事业的蒸蒸

12、日上，德国的高铁技术也不堪落后，其第一代 ICE 的设计时速已达到 317 km/h，而经过数年发展，第三代 ICE 的运行速度就达到 330km/h。截止至 2003 年底，全世界高铁运行总里程就已到达 15000 公里（时速 200km/h 的 11000 多公里与超过时速 200 km/h 的 4800 公里），但仅占世界铁路总里程的仅 2%，另一方面其承载的客运量将近总客运量的 1/6。因而其高效的客运能力使得其受到越来越多国家的关注。而中国的高铁事业是从铁道部至 90 年代提出的六次大提速开始的，但至今发展速度相较于其他发达国家是相当显著的，在 2007 年，全国多数干线运行速度已提

13、升至 200km/h，而在 2008 年第一条 350km/h 的高铁线路投入运行，其架设与京津城际铁路上极大促进京津两地的交流，随后京津城际铁路的成功给时速 300km/h的武广、郑西、沪杭等铁路干线的投入运行打下良好基础。中国的高铁技术在充分吸收、吸纳发达国家先进的高铁技术，通过再创新的方式逐渐形成世界领先水平的高铁设计与运行技术体系。青岛 BSP 公司、四方股份、唐山客车厂、长客股份等优秀企业给 CRH1 至 CRH5 的设计与运行投入大量精力而使得这一系列的动车组都获得全世界的关注。截止2010年底，我国高速铁路运行总里程就已达到8538公里，高铁运行速度均可到达 200350km/h

14、，运行可靠。据统计，中国高铁运行总里程以及速度等级都已占世界首位。本文就已在高铁设计研究的热潮下，通过CRH2 和谐号动车组列车为切入口，研究不同列车运行速度对列车周围空气动力特性的影响。1.2 列车列车空气动力空气动力学学的研究内容以及的研究内容以及研究研究方法方法列车空气动力学是研究高铁列车周围流场空气动力特性的基础，它是在流体力学与经典空气动力学之上发展而来，用以研究列车运动对周围流场环境的改变，通过对空气周围流场的研究来设计或者优化列车的外形等，除了空气动力学与流体学外，它还涵盖了车辆工程、结构力学等交叉学科。而对列车外流场的空气动力学的研究通常主要在一下 4 个方面：（1）研究明线运

15、行时，列车外流场的空气动力学分布特征，其中包括对列车周围流动速度分布、流线分布、压强分布与车体表面压强负载分布等；研究横风作用对列车运行的影响，例如横风的风速、风向，列车的重量、是否架设挡风墙等。（2）研究列车交汇时，列车外流场的空气动力学分布特征，其中包括列车间产生的压力波产生原因、影响因素、敏感性分析等，同时研究列车交汇对周围流场与周围环境的改变。研究列车相对速度与绝对速度的影响，研究列车间距的影响，研究列车细长比的影响（3）研究列车车头形状对列车运行状况的影响，通过对外形进行仿生设计以求用最小的阻力实现空气动力学性能的最大优化。（4）研究列车穿越隧道时的空气动力学特征，研究穿越隧道产生过

16、大的压差而增加了列车运行的阻力，同时研究列车运行产生的活塞作用的相互挤压进而产生压缩波和膨胀波，以此为研究目标研究压缩波和膨胀波对乘客舒适性的影响。以阻塞比、列车长度或隧道长度、缓冲段等为研究目标。而对于列车空气动力学的研究通常采用以下三种方法，即在线实车法、风洞实验法与 CFD 数值模拟法。（1）列车实测法最能够反应列车运行的真实情况，研究者与设计者能够对刚制作或设计完成的列车直接进行空气动力学实测，由于在运行线路上，可考虑多种实际的影响因素，因而其可靠性是最好的。但实测费用昂贵、环境风的影响不好控制、难以协调线路或者调度使其充分或者测量数据，有限的测点与有限的数据分布。因而列车实测法最好用

17、于其运行时的调试与优化工作，对设计阶段的列车成本较大。（2）风洞实验法。按照相似原理将列车的真实模型进行一定比例的缩放，将其放置于风洞之中，通过模化实验的方法对列车周围的空气动力学进行研究，但风动的搭建费用通常也十分昂贵，同时受风洞条件限制测量结果往往需要修正，另一面它有限的测点与有限的数据分布，同时对有相对移动的物体模拟困难。（3）CFD 模拟法。随着计算机技术的发展，计算流体力学的应用也越来越广泛，包括开源软件 Openfoam 和商业计算流体力学 Fluent、CFX 等在内都对高速列车空气动力学进行了建模计算，其最初应用于高铁列车的外形设计，随着其应用的认可度，其逐渐变成研究高铁列车空

18、气动力学的可靠工具，模型精确、算法精准、快速建模、可重复使用，能够创新性地对尚未出现的情况进行预先研制。1.3 国内外国内外研究现状研究现状随着计算机计算能力的提高与计算流体力学软件的不断优化和改进，计算流体力学软件也在众多工程实践与科研领域得到广泛开展。通过计算流体力学软件能够快速建模，能够详尽提供列车内外流场的空气动力学信息，因而以成为研究高速列车空气动力学的重要工具，由于其高效的分析能力以及解决与优化能力，使得其在列车空气动力学开发和研究都应用广泛。在低速列车时代，列车周围附近的与列车内部的内流场区域湍流分布可通过模化或者现场实测来获取数据，但在高速列车时代，由于其高速的运行状态使得列车

19、空气动力学的问题变得更为复杂，因而需要借助 CFD 模拟计算来对其提供更多的帮助。对于列车空气动力学的分类通常分为两个大类，第一大类是列车外流场的研究，包括列车头部、列车尾流、列车远场噪声等，第二大类是列车内流场的研究，包括列车空调通风、列车水箱晃动等。Baker C J 等人1对利用风洞模型和空气动力学数值建模技术对列车外的环境风进行研究。用于计算空气动力学和弯矩系数，并将这些数据与脉动风速时间历程和列车速度相结合，以产生风力作用时间。这种方法是快速和有效的，它允许风力施加到长轨道的列车动力学之中。Baker C J 等人2考虑高速列车的空气动力特性方面，从根本上描述高速列车外流场的性质。研

20、究高速列车在明显静风条件与侧风条件下的运行状态。Ding 等人3提出了一种新的方法来模拟列车在高横向风的稳定性。模拟一次横风的通过过程中，对列车通过横风时的运动情况进行建模。Baker C J 等人4给出了全尺寸和风洞实验测量列车横向风时间平均值和非稳态力矩的结果。结果表明两组实验之间的一致性很好，但也说明了在模拟风洞模拟中局部粗糙度效应时需要注意的问题。Pombo J 等人5对高速列车在随时间变化的风侧中的受电弓进行研究，其风侧通过风洞实验中的风场获得，随时间变化的风场会施加非线性的外力给受电弓，因而受电弓气动动力系数也会随着大风环境中风侧的强度变化而变化。其提出的方法通过应用于高速列车的实

21、际运行场景来证明，其目的是基于列车和风速组合来定义速度的限制。Hassan H 等人6利用大涡模拟（LES）研究铁路货运列车在 90偏角下的横向气动下的空气动力学响应，为了减少计算成本，仅限于从火车中部选择的单个货车周围的气动载荷和流动结构，LES 结果表明，流动在集装箱和车厢之间的间隙中高速流动，导致与货车先前文献中获得的数据相比，在货车尾部的流动拓扑复杂得多。货车尾部的流动在迎风边缘处分离，以在货车尾部顶部形成大的分离流动区域。Mitsuru I 等人7提出了一套降噪技术，即对云台的形状优化，松弛空气动力干扰 平头和铰接框架，以及使用多孔材料进行表面覆盖以减小高速列车中主要噪声源之一的受电

22、弓所产生的空气动力噪声，为了评估这些技术的总降噪效果，将它们应用于在风洞中测试的原型受电弓。测试结果表明，原型受电弓将当前低噪声受电弓的噪声水平降低了约 4dB。Sinisa K 等人8研究受侧风影响的简化列车模型绕流，并对其进行大涡模拟，将数值计算模拟结果与实验数据进行了比较，显示出良好的一致性。基于入口速度和模型高度的雷诺兹数为 22 615。除了对运动模型周围的流动进行模拟之外，还对运动情况下的最大侧风影响下的静止模型绕流进行了另一种模拟，并将结果与运动情况进行了比较。在固定情况下的运动情况下的几个空气动力学系数中观察，偏航力矩系数示出了超过 30%，表明为了实现安全标准而执行动态测试的

23、重要性。Minom S 等人9研究横风下列车/车辆的空气动力特性，结果表明列车的空气动力特性不仅取决于车辆的形状，还取决于基础设施的形状。通过三种风洞试验，对典型结构的桥梁、路堤等典型结构的空气动力特性进行了评价。随着桥梁厚度的增大，车辆的气动侧向力系数增大。随着车辆的顶部变得更高，它也会增加更多。路堤上车辆的空气动力特性取决于地面上边界层的分布。高路堤上车辆的空气动力侧向力系数大于低路堤的空气动力侧向力系数。Canafini A 等人10利用多体模拟（MBS）用于评估铁路车辆侧风稳定性，结果表明计算模型受很大的不确定性影响。特别是，在车辆上的气动载荷难以建模，并且不能容易地获得各个参数。这样

24、的不确定性通常被忽略在安全规范，即使它们对风险评估的影响可能非常大。其提出通过将最有影响但不确定的参数建模为随机变量来解决该问题。最终导致了传统的特征风曲线（CWC）的概率特征风曲线（PCWC）的替代。丁叁叁等人11以高速列车减阻为目标，通过改变动车的气动外形通过结合高速列车轻量化的设计理念，以列车运行阻力为主要研究参数，对运行阻力进行优化与分析，并采用高速动车组降噪减重的实施策略，结果表明，降噪减重的实施策略能够有效的提升运行效率、减少运行阻力，以最小的能耗实现高速列车的速度提升，节约能源，有利环保。田红旗教授12在其著作 列车空气动力学 中建立列车空气动力学的理论体系，包括其主持研制的列车

25、气动特性模型的试验装备，列车交汇、列车过隧道等三维非对称滑移网格法，阐述列车气动特性模型的风洞实验室搭建与研究方案等，并提出一系列空气动力学的关系式，包括列车交汇的压力波、列车速度、线间距、车体宽度对交汇压力波的影响，研究列车外形参数对列车的阻力、浮升力等影响，研究当地来流风速、风向、行车速度等高速列车气动特征、运行阻力等影响。李田等人13,14利用 Fluent 和 Simpack 建立高速列车流固耦合数值计算模型，用于研究高速列车行驶状况下气动力学特征，以及高速列车车体的列车系统动力学，对 10m/s 横风下以 350kmh 速度运行时的高速列车进行流固耦合分析。于梦阁等人15-17认为随

26、着列车速度的不断提高，列车的动态环境成为空气动力学控制。解决气动问题已成为高速列车机头设计的关键因素之一。考虑到气动阻力是制约列车运行速度和节能的重要因素，降低气动阻力是高速列车头部设计的一个重要考虑因素。提出了高速列车机头的多目标优化设计方法，将气动阻力和减载系数设为优化目标。通过将一系列过程集成到多目标优化算法中，如建立三维参数化模型、气动网格生成、流场计算等，可以实现高速列车头部的自动多目标优化设计。围绕火车，以及车辆系统动力学。分析了优化目标与优化变量之间的相关性，得到最重要的优化变量，并进一步分析了关键优化变量与优化目标之间的非线性关系。优化后，优化列车的气动阻力降低了 4.15%，

27、减载系数降低了1.72%。1.4 研究内容与研究内容与研究研究方法方法本文主要对高速列车外流场的空气动力学特性进行研究，选择高速列车动车组CRH2 为研究模型在 Solidworks 中建模，再将建立好的 3D 模型导入至 Workbench平台上的 ICEM 进行网格划分与 Fluent 湍流流动计算，最后将计算结果导入至Tecplot 后处理软件中进行图像处理。而本文主要对高速列车明线运行的静风状态进行研究，研究 CRH2 高速列车组在 200350km/h 运行速率区间内其空气动力学特征，包括列车外流场的速度分布、压力分布与列车表面的压力载荷分布，进而研究不同列车运行速度下的运行阻力。第

28、二章第二章 数值计算数值计算方法理论方法理论2.1 湍流模拟的数值方法湍流模拟的数值方法2.1.1 湍流模型分类湍流模型分类目前的湍流数值模拟方法可分为直接数值模拟（Direct Numerical Simulation，DNS）与非直接数值模拟。而非直接数值模拟则可细分为大涡模拟方法（LargeEddy Simulation，LES）与 Reynolds 平均方法（Reynolds Averaged Navier-Stokesequations，RANS）。1）DNS 方法DNS 方法直接在计算网格内采用瞬时 Navier-Stokes 方程进行对湍流的计算，不必简化或近似相应的湍流运动，因

29、而在理论上在保证了计算的精度获得相应湍流相关的物理量以及模型内各个区域的计算数值。但是所需网格精细而网格数更大，对内存空间等计算机的硬件要求较高。目前现阶段 DNS 仍不能计算过去复杂的模型，缺少真正意义上的工程实例。2）Reynolds 平均方法Reynolds 平均方法通过对湍流运动的简化，将各种瞬时量用时均相与脉动相组合而成使 Reynolds 方程时均化，而不直接求解 Navier-Stokes 方程。但在时均化的过程，由于略去随机脉动的细节而导致丢失相应的脉动信息，只能获得相应的统计平均表现，而无法获得流动的瞬时脉动特性。根据对脉动项假设的不同，RANS 方法又可分为常用的四种，即标

30、准 k-模型、RNG k-模型、Realizable k-模型及单方程模型。3）LES 方法LES 方法在大尺度流动结构与小尺度流动结构间通过对滤波尺寸的选择对湍流控制方程进行滤波，因而需要分别计算大尺度变量与小尺度变量。其中对大尺度变量与 DNS 方式类似，采用瞬时 Navier-Stokes 方程进行直接模拟，而对小尺度变量采用亚格子模型（Subgrid model）进行模拟。因而 LES 方法可以用相对较少的计算资源实现对分离流动的精确模拟以及与模拟几何相关的大尺度非定常运动。综上所述的三种数值模拟方法都存在不同的优势与缺点，本文将对上 CRH2高速列车进行建模计算，利用商业计算流体力学

31、软件 Fluent，通过 RANS 方法了解动车周围流体流动的平均变化趋势。2.1.2 RANS 湍流模型的控制方程湍流模型的控制方程在本文的模拟中，空气被假定为不可压粘性流而空气及污染物的密度保持不变，被视为常数。同时假定入口的流动速度不随时间而变。因此，相应的连续性方程，动量方程如下所示：连续性方程：0iiUx(1)动量方程：21()iijijijijjjUUpUuuFxxxxx (2)其中 xi表示为笛卡尔坐标分量，而 i 和 j 取值在 13 之间，表示坐标轴 x、y和 z 三个方向的分量，Ui与 Uj分别表示在 i 方向与 j 方向的速度分量，p 代表平均气压；ui表示速度 Ui的脉

32、动；表示为空气密度，为空气的运动粘度。本文选用 RNG k-e 湍流模型，因而相应湍动能及耗散率的输运方程为：()imjijjjjkjUKkkUuuxxxx(3)211()imjijjjjjUKUC uuCRxxxxk(4)而 C1=1.42,C2=1.68,k=1.39 为经验常数；额外应变率项如下式所示32030(1/)(1)CRk (5)1/2()jiijijUUUkxxx(6)其中 C=0.0845,0=0.012,0=4.377 为经验常数2.1.4 控制方程的离散化控制方程的离散化如上所示的湍流模型的控制均表示为偏微分的形式，难以通过数学方法获取其精确解，而只能通过代数方程组等数值

33、计算方法来获取解析解或近似解。借助网格计算方法，建立适当的离散方程组将上述控制方程与其定解条件离散成数学方程组，将变量转化至网格节点中。根据不同转化方法与在网格中的分布假设，可分为三种主要计算方法：第一种称为有限差分法（Finite difference method）、第二种称为有限元法（Finite element method）、第三种称为有限元体积法（Finitevolume method）。其中，本文将采用应用最为广泛的有限体积法，通过使用不相交的网格对计算区域进行划分，而将控制方程在每个网格中计算，进而求解离散方程组。在选择控制方程的离散方法后，需要确定相应的离散格式，即求解控制体

34、积界面上相应的物理量及其导数所用的插值方式，不同的插值方式将导致不同的离散结果。在求解后台阶的空气流动的一阶迎风差分格式、二阶迎风差分格式与QUICK 格式。其中一阶迎风差分格式计算稳定性高，收敛快，但是当对流作用对污染物的扩散起主要作用，扩散影响较小时，而需要较高的网格精度。二阶迎风差分格式与一阶类似，都以上游单元节点的数值来确定控制体积的数值，但需要用到两个节点，因而其对流项采用二阶迎风格式，保证更高的计算精度。而 QUICK格式可以减小假扩散误差，精度较高，应用较广泛，但主要用于六面体或四边形网格。本文将采用二阶迎风差分格式作为离散格式。通过对控制方程组的离散化得到相应速度与压力的代数方

35、程组，可通过分离求解法(segregated method)和耦合求解法(coupled method)对离散后的代数方程组进行求解。本文将选用应用广泛的 SIMPLE 算法对采用 RANS 湍流模型的案例进行离散。第三章第三章 不同不同运行速度运行速度对高速列车外流场对高速列车外流场的的影响影响3.1 模型描述模型描述3.1.1 几何模型几何模型本文选用和谐号 CRH2 型电力动车组作为研究对象，CRH2 在目前中国大功率动车组中占有很大的市场份额，其适用性强、安全性好同时能够耐严寒、不惧酷暑等良好的性能特点，使其成为后续车型的开发基础。其列车指标及相应的运行参数如表 3-1 所示，CRH2

36、 的构造速度为 200km/h 至 350km/h，采用 8 节编组的方式，车头与车尾长度均为 25.86m 而中间车辆为 24.825m，车辆宽度为 3.265m而车身高度为 3.890m，相应的轨距为 1.435m。表 3-1 CRH2 运行参数指标运行参数构造速度200km/h 至 350km/h编组方式8 节编组，4M+4T 动力分散式车身长度车头与车尾长度均为 25.86m 而中间车辆为 24.825m车身宽度3.265m车身高度3.890m轨距1.435m对于高铁动车组外流场模拟的数值建模中需要以物理模型的真实性为前提，在考虑到数值计算方法的可行性后建立数值计算模型。但真实动车组由

37、于门把手、车灯、车体底部等非光滑表面加大的数值计算的能力，使其外形更加复杂而难以模拟，因而需要建立相应的简化模型，在简化模型的基础上再建立外流场区域，相应的简化如下所示：（1）首先要缩短计算模型，根据冉瑞飞等人对高铁动车组的模拟实验的结论，由于高铁运行速度较高而使得高铁中间车厢附近的流场有几何相似性，主要的流场在两头发生改变而在列车中部流场较为稳定，因而缩短中间的距离仅考虑头车加尾车的两车厢结构模型不会对高铁周围的空气动力学模型造成较大的影响，本文采用头车（26.5m）+尾车（26.5m）的两车厢模型。（2）其次简化表面凸起部分，本文对列车表面进行简化处理而使其表面光滑，不考虑门把手、排气孔、

38、受电弓等表面凸起的影响，减少模型规模增加计算效率，并假定车身各处摩擦力均匀一致。（3）简化底部结构，由于列车底部车轮、车轴等转向架局部结构由于其结构较为复杂导致网格划分困难，因而将列车底部结构进行相应的简化。其简化模型根据 CRH2 的外形参数在三维建模软件 Solidworks 中建立，如图3-1 所示。图 3-1 CRH2 动车组几何简化两车厢模型3.1.2 计算域计算域与与边界条件边界条件在理论上，外流场的计算区域应该是无限大的，但考虑到实际的计算条件，必须对计算区域进行限制，由于动车组后部区域产生较强的横向流动会产生较为复杂的湍流流动，为使得动车组尾部尾流充分发展，通常尾流区长度取为模

39、型高度的 5 到 10 倍，因而车尾据计算域边界为 5H，而车头、车顶与车侧也各取 5H至计算域边界。本文采用气动力学的研究方法，假设列车静止而风以相对速度实现列车的高速运行，因而该模拟方法为稳态的计算方法，外流场流动的对称性，其对称面为列车左右对称平面，所以选取半车身来建立模型，如图 3-2 所示，总体尺寸为 90m*20m*20m，左右对称平面在计算流体力学软件 Fluent 中用对称面（Symmetry）定义，并设置相应的速度入口与压力出口，在计算域侧面设置为壁面边界条件，在顶部也设置为对称面，在顶部假定没有垂直的流场进出。图 3-2 计算流场区域3.1.3 网格划分网格划分对计算区域进

40、行离散是数值模拟研究的重点，但求解离散方程需要建立在更小的网格单元中，因而网格质量的好坏决定了计算的精确度与收敛程度。本文在Workbench 平台中导入 Solidworks 建立好的计算区域，通过 Workbench 平台的ICEM 软件建立网格划分方法，如图 3-3 所示，本文选用采用“Tetm/Mixed”网格划分方法，在外流场区域用非结构化的四面体网格进行划分，保证列车附近有最细的网格节点，如图 3-2 列车表面网格分布所示，由于车头与车尾部分湍流情况最为复杂，在这两个部分的空气流动需要特殊对待，因而在车头部分用最细的网格。同时为模拟列车表面流动边界层，因而如图 3-3（c）所示，在

41、动车壁面上设置 6 层 1.2 增长比的边界层网格，使得更好的模拟动车组周围的湍流流动。整个计算区域网格节点数为 22.5 万。（a）对称面上网格分布情况（b）动车组表面网格分布情况（c）动车组表面边界层分布情况图 3-3 计算域网格分布情况3.1.4 计算设置与计算设置与收敛条件收敛条件本小节采用二阶迎风差分格式作为离散格式，由于本文将选用应用广泛的SIMPLE 算法对采用 RANS 湍流模型的案例进行离散。而将收敛的残差设置为10e-5，同时监测出口面的平均流速，当出口面流速平缓不再改变同时满足收敛残差时停止计算。3.2 计算计算结果分析结果分析本小节研究不同的 CRH2 动车组运行速度下

42、，对列车组周围流场区域以及列车表面风压分布的影响。本文设置动车组速度为 200km/h、250 km/h、300 km/h与 350 km/h 四个工况。3.2.1 列车列车周围流动速度分布周围流动速度分布如图 3-4 所示，首先对整个流场的流动速度进行简要说明，在动车组车头鼻锥附近出现驻点，这是因为鼻锥为动车组最前端，气流流经鼻锥后回逐渐降低速度，而向上下两侧流动，所以出现鼻锥处出现滞止速度，根据伯努利原理在此处可能会出现较大的压强区域。顺着流动向上，在鼻锥后部出现第一个流动分离点，在此处的流动速度较大，而顺着气流继续往上，在车头顶部出现第二个流动分离点，在此处的流动速度更大，速度达到最大值

43、，根据伯努利原理，在此处出现第一负压区域，因而在速度边界层之中，速度从 0 快速增加到列车运行速度的量级，速度梯度很大。随着列车速度增加，第一负压区域的流动速度也相应增加，在 200km/h 的运行速度下，第一负压区域的流动速度也为 60m/s 左右，随着列车运行速度增加到350km/h 时，第一负压区域的流动速度也为 100m/s 左右，这是由于高铁的运动速度带动了气流速度，使得边界层内的速度梯度较大。另一方面，动车组前端面气流流动速度也从 50m/s，增加至 80m/s 左右，使得在动车组前端面出现更大的正压区域。而在鼻锥附近的流动速度也相应的增加，从 30m/s 左右 50m/s 左右，

44、在鼻锥附近的正压也相应增加。（a）V=200km/h（b）V=250km/h（c）V=300km/h（d）V=350km/h图 3-4 动车组车头附近流动速度分布如图 3-5 所示为动车组车尾附近流动速度分布，在列车车尾的鼻锥部分也出现滞止区域，而出现一个较小的正压区域，但车尾附近的流动要弱于车头附近的流动，随着列车运行速度提高，在 200km/h 的运行速度下，车尾表面附近流动速度为 30m/s 左右，小于车头的 50m/s 左右的流动速度，而随着列车运行速度的提高，在 350km/h 的运行速度下，车尾表面附近流动速度增加至 70m/s 左右，略小于车头的 80m/s 左右的流动速度，因而

45、随着列车运行速度的提高，动车组前后流动速度差变小，即运行速度从 200km/h 上升至 350km/h，动车组前后流速差从20m/s 减小至 10m/s。（a）V=200km/h（b）V=250km/h（c）V=300km/h（d）V=350km/h图 3-5 动车组车尾附近流动速度分布3.2.2 列车列车周围流动周围流动压力压力分布分布如图 3-6 所示，在动车车头鼻锥部分由于流动停止出现一个较大的正压区域，沿着车头迎风面向上，由于第一个流动分离点出现第一个负压区域，再沿着流动迎风面向上，驾驶室视窗部分为正压区域，而在车头顶部的第二个流动分离点，由于速度较大而出现第二个负压区域，这个区域的负

46、压面积以及强度都较大。在200km/h 的运行速度下，车头鼻锥部分的正压为 2000pa 左右，而随着列车运行速度的提高，在 350km/h 的运行速度下，车头鼻锥部分的正压为 5417pa 左右，因而需要对车头鼻锥进行强度的提升，以适应正压部分的提高。而车顶部负压区域的最大负压值从-500pa 上升至-1775pa。（a）V=200km/h（b）V=250km/h（c）V=300km/h（d）V=350km/h图 3-6 动车组车头附近流动压力分布如图 3-6 所示，在车尾鼻锥部分也出现正压区域，同样在车尾顶部的流动分离区域出现较大的负压区域，在运行速度 200km/h 时，车尾后部出现较大

47、面积的负压，负压值-500pa，而正压区域较小，正压值在 214517pa 的区间段，随着运行速度的增加 当运行速度增加至 250km/h 时，车尾后部的负压区域逐渐缩小，但最大负压值增加约为-1000pa，在车尾背风面压力分布为 0500pa，而当运行速度增加至300km/h 时，负压区域再一次缩小，在车尾背风面压力分布为211965pa，当运行速度增加至 350km/h 时，负压极值为-1775pa，整个背风面压力分布为2801307pa。因而可得，随着列车运行速度从 200km/h 上升至 350km/h，动车组尾部正压区域扩大，正压值从 214517pa 上升至 2801307pa，而

48、在尾部分离区域的负压极值从-500pa 上升至-1775pa。（a）V=200km/h（b）V=250km/h（c）V=300km/h（d）V=350km/h图 3-6 动车组车尾附近流动压力分布3.2.3 列车表面压力列车表面压力分布分布本文研究的 CRH2 是典型的双拱形车头，双拱形车头的设计使得车身线条具有很好的流畅性，同时在动车组车头的前窗能够具有良好的视野，但在第一个流动分离点后，在第一拱形与第二拱形之间（车前窗）的边界层附近出现一个风速较低的滞止区域，如图 3-4 所示，但随着行车速度的增加，即使在 350km/h 时，前窗附近的滞止区域仍然存在，所以如图 3-5 所示，在车头前窗

49、附近有较大的正压区域，当行车速度从 200km/h 增加至 350km/h 时，该正压区域的压力值从 600pa左右增加至 2200pa 左右，因而随着行车速度增加，车前窗受到更大的压强负载。（a）V=200km/h（b）V=250km/h（c）V=300km/h（d）V=350km/h图 3-7 动车组车头表面压力分布而如图 3-8 所示，也在车尾顶部的分离区域出现负压，但整体来说动车车尾背风面所所受到的正压更为主导，在运行速度为 200km/h，前后压差为 300pa 左右，在运行速度为 250km/h，前后压差为 500pa 左右，在运行速度为 300km/h，前后压差为 700pa 左

50、右，而当运行速度为 350km/h，前后压差约为 900pa。因为随着运行速度为200km/h至运行速度为350km/h，前后压差从300pa上升至900pa。（a）V=200km/h（b）V=250km/h（c）V=300km/h（d）V=350km/h图 3-8 动车组车尾表面压力分布第四章第四章 结论结论本文主要对高速列车外流场的空气动力学特性进行研究，选择高速列车动车组 CRH2 为研究模型在 Solidworks 中建模，再将建立好的 3D 模型导入至Workbench 平台上的 ICEM 进行网格划分与 Fluent 湍流流动计算，最后将计算结果导入至 Tecplot 后处理软件中