CRH3型高速列车气动头型优化计算
高速列车空气动力学模拟与优化设计
高速列车空气动力学模拟与优化设计随着现代交通需求的增加，高速列车作为一种高效、环保的交通工具备受青睐。
空气动力学模拟与优化设计成为了设计师们关注的焦点。
本文将详细介绍高速列车空气动力学模拟的方法以及优化设计的要点。
首先，高速列车的空气动力学模拟是设计过程中的重要环节，通过模拟可以全面了解列车在高速行驶中面临的气动压力、阻力和稳定性等问题。
模拟的方法有多种，常用的包括计算流体力学（CFD）方法和风洞试验。
计算流体力学方法是一种基于数值计算的模拟方法，可以通过计算空气流场的速度、压力、温度等参数，进而计算出车体周围的气动力。
该方法使用计算模型对列车进行几何建模，并使用Navier-Stokes方程和Turbulence Model等数值方法进行模拟。
通过CFD方法可以准确地分析列车表面的气动流动细节，如湍流、气动力分布以及压力分布等。
这些数据为优化设计提供了重要的依据。
与计算流体力学方法相比，风洞试验是一种物理实验方法，通过模拟真实的气流场来进行实验。
这种方法可以直接观测到列车表面的压力、阻力、气动力分布等信息，并通过实测数据来验证计算模型的准确性。
虽然风洞试验成本较高且周期较长，但它对于模拟结果的精确度和可靠性更有保证。
在进行空气动力学模拟后，对于高速列车的优化设计也是非常关键的。
优化设计旨在降低阻力、提高速度稳定性、减少噪音以及改善列车外貌。
以下是几种常见的优化设计方法。
首先，减小阻力是空气动力学优化设计的重点。
阻力是列车行驶过程中面临的主要气动力之一，降低阻力有助于提高速度和降低能源消耗。
减小阻力的方法包括改善列车外形，减少流体动压缘、减少空气脱落等。
模拟和优化设计可以帮助设计师找到最佳的外形，减小阻力。
其次，提高列车的稳定性也是优化设计的重要目标。
高速列车行驶时受到气流的影响，稳定性是确保列车安全行驶的关键因素。
通过模拟和优化设计，可以找到对气流响应较小的外形和减小气动力矩的方法，以提高列车的稳定性。
CRH3列车车头曲面气动压力稳态数值模拟
CRH3列车车头曲面气动压力稳态数值模拟CRH3列车是中国高速铁路的先进动车组之一，其车身外形采用了曲面设计，可以有效地减少阻力，提高列车的运行速度。
为了深入研究CRH3列车车头的气动特性，进行过曲面气动压力稳态数值模拟的研究。
首先，我们需要对CRH3列车的车头进行三维建模。
采用计算机辅助设计软件，将车头的曲面进行精确建模，并确定车头的尺寸和比例。
在建模过程中，需要考虑车头几何形状的复杂性和曲率的不同程度，以确保建模的精度和可靠性。
在车头建模完成后，进行气动流场的数值模拟。
采用计算流体力学（CFD）方法，对车头表面进行网格划分，确定计算区域。
在进行数值模拟之前，我们需要输入车头运行的速度和流体介质的物理属性，如密度、粘度等。
接下来，进行车头稳态气动压力的计算。
在CFD软件中，采用Navier-Stokes方程求解车头表面处的流体动力学压力。
通过数值模拟，可以得到车头各个曲面部位的气动压力分布图。
对于曲面部位，我们可以通过数值积分对整个曲面上的气动力进行求解，以得到曲面受到的总气动力。
最后，对计算结果进行验证，检查模拟结果的准确性和可信度。
通过与实际测试数据的对比，可以发现建模和数值模拟的精度已经达到了实际需要。
综上所述，CRH3列车车头曲面气动压力稳态数值模拟是一项基于高性能计算机的复杂科学计算。
它利用现代计算机辅助设计技术和CFD方法，能够准确地预测车头的气动性能，并为高速铁路的技术研究提供了有力支持。
在CRH3列车车头曲面气动压力稳态数值模拟中，需要涉及到一些相关的数据以及参数。
以下列出一些可能涉及的数据和参数，以及对其进行分析。
1. 车头长度和宽度：车头的长度和宽度是影响气动力学性能的重要参数。
一般来说，车头越长，表面积越大，阻力就越大。
但是如果车头需要承担更多的空气阻力，可以通过增加长度和宽度来减少表面积、减小阻力系数，以达到降低气动阻力的目的。
2. 速度：车头速度是影响气动力的主要参数之一。
高速列车车头气动性能分析及优化
高速列车车头气动性能分析及优化随着科技的不断发展，高速列车已经成为人们出行的主要方式之一，而车头气动性能则是高速列车技术不可或缺的一部分。
本文旨在对高速列车车头气动性能进行分析，并提出相应的优化方案。
一、高速列车车头气动性能的重要性高速列车在高速行驶过程中，必须要克服气动阻力的影响，因此车头的气动性能对列车的运动性能和经济性能都有着重要影响。
良好的车头气动性能能够减少阻力，提高列车的牵引力和速度，同时也能够降低油耗和能耗，为高速列车的运行提供更好的保障。
二、高速列车车头气动性能分析1. 车头气动阻力车头气动阻力主要由空气阻力和压力阻力组成。
空气阻力是指空气对车头流动的阻力，压力阻力是指由于车头顶部压缩空气所产生的阻力。
车头气动阻力的大小与车头形状、速度、空气密度以及粘性系数有关。
2. 车头流场特性车头的气动性能还与车头的流场特性有关。
良好的流场特性能够使车头阻力降低，但是流场特性的具体表现和影响因素相对较为复杂，通常需要通过模拟和实验来进行分析研究。
3. 车头结构设计车头的结构设计直接关系到车头的气动性能。
优秀的车头设计应该能够减小车头气动阻力，降低车厢震动和噪声，提供更好的乘坐舒适度和安全性。
三、高速列车车头气动性能优化方案1. 物理模拟和数值模拟相结合的优化方法对于高速列车车头气动性能的优化，通常需要使用物理模拟和数值模拟相结合的方法来进行研究。
物理模拟可用于测量车头气动性能和流场特性数据，而数值模拟则可用于对车头结构进行优化和分析。
2. 车头复合材料的应用在车头结构设计上，采用轻量化和高强度的复合材料代替传统的钢材材料，能够减少车头的质量和阻力，降低能耗和运营成本，提高列车的经济性和环保性能。
3. 空气动力学设计的改进车头形状直接影响到车头的气动阻力和流场特性，因此应该采取合理的空气动力学设计来改进车头形状，以减小车头气动阻力和提高流场特性。
4. 无人驾驶技术的应用随着无人驾驶技术的不断发展，适度应用无人驾驶技术，可以实现高速列车的智能化控制，提高行驶效率和安全性，同时也能够优化车头结构设计，降低车头气动阻力和能耗，提高高速列车的经济性和环保性能。
高速列车空气动力学热力学性能优化设计
高速列车空气动力学热力学性能优化设计随着科技的进步和人们对出行效率的不断追求，高速列车在现代交通系统中扮演着重要的角色。
为了提高高速列车的能源利用率和整体性能，空气动力学热力学性能优化设计成为不可忽视的关键问题。
本文将围绕高速列车的空气动力学和热力学性能进行探讨，旨在寻找优化设计方法。
一、空气动力学性能优化设计1. 空气阻力降低空气动力学阻力是高速列车运行中最主要的阻力来源。
为了减少空气阻力，可以采取以下措施：（1）外形优化：通过流线型设计、减小空气动力学截面积等手段，降低列车与空气之间的阻力。
合理的车厢外形和凸起的阻力降低导流装置可以减少气流的湍流程度，降低阻力。
（2）细节设计：如减小车身与地面之间的间隙，减小气动因子，减少尾部的湍流。
2. 噪声抑制高速列车在高速运行时会产生很大的噪声，对于乘客的舒适感和周围环境的影响十分重要。
为了抑制噪声，可以采取以下措施：（1）车辆表面材料的选择：选择吸音性能好的材料，减少噪音的反射，避免噪音的扩散。
（2）减振和隔音措施：在车身和底盘中添加减振材料，减少振动传递路径；采用隔音材料，阻止噪声的传播。
3. 稳定性提升高速列车的稳定性对于乘客的安全感和行车的平稳性至关重要。
为了提升稳定性，可以采取以下措施：（1）重心控制：车辆中心重心的设计与控制，尽量降低车辆的侧倾和抖动。
（2）悬挂系统优化：采用先进的悬挂系统，提供更好的悬挂刚度和减振效果，改善车辆在曲线行驶和高速行驶时的稳定性。
二、热力学性能优化设计1. 能源利用率提升高速列车的能源利用率直接影响到运行成本和环境负荷。
为了提高能源利用率，可以采取以下措施：（1）优化动力系统：选择高效的能源动力装置，如电动机、发动机等，减少能源浪费。
（2）能量回收利用：将列车制动过程中产生的能量回收利用，供给给其他电气设备或储存起来。
2. 温度控制高速列车在运行过程中会产生大量的热量，对列车和乘客都带来一定的不适。
为了控制温度，可以采取以下措施：（1）空调系统的设计：合理安排车内空调系统，以方便调节车厢内的温度。
高铁运输中的空气动力学优化方案
高铁运输中的空气动力学优化方案引言随着交通工具的不断发展，高铁作为一种快速、高效的交通工具，已经成为人们出行的重要选择。
高铁在运输过程中，需要克服空气阻力对列车的影响，因此，空气动力学优化方案变得至关重要。
本文将探讨高铁运输中的空气动力学优化方案，以提高列车的运行效率和安全性。
1. 空气动力学基础知识在研究高铁运输中的空气动力学优化方案之前，有必要了解一些基础知识。
空气动力学是研究物体在空气中运动时所受到的力和力矩的学科。
对于高铁来说，最主要的空气动力学因素是空气阻力。
2. 优化列车外形设计在高铁的设计过程中，外形设计是非常重要的一环。
优化列车外形设计可以减小空气阻力，提高列车的运行效率。
一种常用的优化方案是采用流线型外形设计。
流线型外形可以减小空气流动时的阻力，降低列车在高速运行中所受到的空气阻力。
此外，还可以通过减小列车的外部突出部分，减小空气流动的干扰和阻力。
3. 降低空气湍流空气湍流是空气动力学中的一个重要概念。
在高速运行中，列车周围的空气会产生湍流现象，增加列车受到的空气阻力。
因此，在高铁运输中，降低空气湍流对于优化空气动力学非常重要。
一种常用的降低空气湍流的方法是采用封闭式车厢结构。
封闭式车厢可以减小空气通过车厢的缝隙流动，减少湍流产生的可能性。
4. 空气动力学模拟与测试在设计和优化高铁的空气动力学方案时，模拟与测试是不可或缺的。
通过使用计算流体力学（CFD）软件进行模拟分析，可以评估不同外形设计对空气阻力的影响，并找到最佳设计方案。
此外，还可以通过在风洞中进行实验测试，验证模拟结果的准确性，为实际生产提供可靠的数据。
5. 优化动力系统除了优化外形设计和降低空气阻力之外，优化动力系统也是提高列车运行效率的关键。
采用先进的电力驱动技术，如采用永磁同步电机和变频调速系统，可以提高列车的加速度和牵引力。
这样可以加快列车的起步速度和提高运行效率。
6. 运用智能控制系统在高铁运输中，智能控制系统的应用可以进一步优化空气动力学。
高速列车车体气动特性分析与优化设计
高速列车车体气动特性分析与优化设计随着交通事业的不断发展，高速列车的运行速度也越来越快。
高速列车的车体气动特性对列车的运行安全、乘客的舒适度以及能源消耗等方面都有着重要影响。
因此，对高速列车车体气动特性进行分析与优化设计是十分必要的。
首先，我们来分析高速列车的车体气动特性。
高速列车在运行过程中，由于车体形状和列车速度的影响，会产生较大的气动阻力。
这种气动阻力不仅会导致能源消耗的增加，还会对列车的运行稳定性产生不利影响。
因此，减小气动阻力是优化设计的一个重要目标。
针对高速列车车体气动特性的分析与优化设计，可以采取以下几个步骤：第一步，建立高速列车的气动模型。
通过建立数值模拟模型，可以模拟列车在不同速度下的气动行为。
这样可以提供有关气动阻力、气动升力和气动力矩等重要参数的数据。
第二步，分析高速列车的气动特性。
基于气动模型，可以对列车的气动特性进行分析。
通过分析气动力矩、气动阻力和气动升力等参数的变化规律，可以了解列车的气动特性，为优化设计提供依据。
第三步，优化高速列车的车体形状。
根据气动特性的分析结果，可以对车体形状进行优化设计。
例如，通过改变车头、车尾和车体侧面的线型，可以减小气动阻力。
通过采用适当的倾斜角度和减小车体截面积，可以降低气动阻力。
此外，还可以通过改变车体的尾流和减小空气涡流，来减小气动阻力。
第四步，验证优化设计的效果。
通过数值仿真和实际试验，可以验证优化设计的效果。
将优化设计后的车体与原始车体进行对比，分析比较其气动特性的差异。
如果优化设计的效果良好，表明优化设计是成功的。
最后，需要指出的是，高速列车车体气动特性的分析与优化设计是一个复杂的工程项目。
在实际操作过程中，需要综合考虑多个因素，包括车体形状、空气流动速度、气动力参数等。
同时，还需要注重工程实践的可行性和经济效益。
只有综合考虑这些因素，才能达到最佳的气动优化效果。
总结起来，高速列车车体气动特性的分析与优化设计对于提高列车的运行安全和舒适度具有重要作用。
参数化驱动的高速列车头型气动外形优化设计_李明
第３５卷第１１期铁 道 学 报Ｖｏｌ．３５ Ｎｏ．１１２ ０ １ ３年１１月ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＨＥ ＣＨＩＮＡ ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＯＣＩＥＴＹ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０１３文章编号：１００１－８３６０（２０１３）１１－００１４－０７参数化驱动的高速列车头型气动外形优化设计李 明， 李明高， 李国清， 孔繁冰， 刘 斌（唐山轨道客车有限责任公司产品技术研究中心，河北唐山 ０６３０３５）摘 要：通过建立参数化驱动的高速列车头型气动性能自动计算的优化分析流程，运用基于多目标遗传算法ＮＳＧＡ－Ⅱ的整体多目标优化设计方法，对车头长细比、纵向对称线、水平最大轮廓线、车底水平轮廓线、辅助剖面线、车头鼻尖高度等关键控制变量进行与气动特性相关的优化设计，提出综合性能较佳的头型气动外形。
本文所提出的多目标优化设计方法可为不同风格、不同技术需求的动车组头型及气动外形设计工作提供参考。
关键词：参数化驱动；阻力；多目标优化；高速列车中图分类号：Ｕ２６６．２ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－８３６０．２０１３．１１．００３Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｃ－ｄｒｉｖｅｎ Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ Ｓｈａｐｅ ｏｆＨｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ＥＭＵ Ｈｅａｄ－ｔｙｐｅＬＩ Ｍｉｎｇ， ＬＩ Ｍｉｎｇ－ｇａｏ， ＬＩ Ｇｕｏ－ｑｉｎｇ， ＫＯＮＧ Ｆａｎ－ｂｉｎｇ， ＬＩＵ Ｂｉｎ（Ｐ＆Ｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｔａｎｇｓｈａｎ Ｒａｉｌｗａｙ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔａｎｇｓｈａｎ ０６３０３５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ａｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｃ－ｄｒｉｖｅｎ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒ－ｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ＥＭＵ ｈｅａｄ－ｔｙｐｅ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ－ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ＮＳＧＡ－Ⅱ，ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｗａｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｉｎ ｒｅｓｐｅｃｔ ｏｆ ６ｋｅｙ ｄｅｓｉｇｎ ｖａｒｉａｂｌｅｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｓｌｅｎｄｅｒｎｅｓｓ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｄｔｙｐｅ，ｔｈｅ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｌｉｎｅ ｏｆ ｓｙｍｍｅｔｒｙ，ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｃｏｎｔｏｕｒ，ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｃｏｎｔｏｕｒ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｒｂｏｔｔｏｍ，ｔｈｅ ａｓｓｉｓｔｉｎｇ ｈａｔｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｓｅ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｓｈａｐｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｄ ｗｅｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄ．Ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ－ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｓｕｐｐｏｒｔ ｄｅｓｉｇｎ ｗｏｒｋ ｏｆ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｓｈａｐｅｓ ａｎｄｎｅｗ ｈｅａｄ ｔｙｐｅｓ ｗｈｉｃｈ ａｄａｐｔ ｔｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔｙｌｅｓ ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｎｅｅｄｓ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｃ－ｄｒｉｖｅｎ；ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｍｕｌｔｉ－ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ＥＭＵ 随着列车运行速度的提高，气动效应对高速列车的影响加剧。
高速列车的气动设计与优化
高速列车的气动设计与优化高速列车是现代交通系统的重要组成部分，随着人们对交通速度、舒适性和安全性的需求不断提高，高速列车设计也在不断创新和优化。
其中，气动设计是高速列车设计中的重要部分，优化气动设计可以提高高速列车的运行速度、降低运行噪声、减少能耗和排放等。
一、高速列车气动设计的原理和要求高速列车气动设计是针对高速列车运行过程中所遇到的空气阻力、气动噪音、空气动态效应等问题进行的设计工作。
在高速列车运行时，列车与空气流体之间会发生相互作用，使其运行时受到空气阻力的影响，因此高速列车的气动设计十分重要。
气动优化的主要目标是尽可能降低气动阻力，提高列车运行速度和能效，同时减小气动噪声和提高安全性。
高速列车气动设计需要考虑车体外形的气动特性、车体表面的摩擦阻力、压力分布与流线形状、流场中的空气动力学效应等因素，其中，车体外形的气动特性是设计中的重要因素。
二、高速列车气动设计的方法1.计算流体力学方法高速列车气动设计中的一种重要方法是计算流体力学(CFD)分析方法，该方法使用数值方法对空气动力学效应进行数值模拟和计算，可以快速而精确的分析汽车的流场，揭示流场特性和流动规律，以实现优化设计。
CFD方法可对列车的外形、速度、气动力学特性、噪声等进行综合性分析，研究列车的燃料效率、推进力和噪声等问题。
2.试验方法试验方法是高速列车气动设计中另外一种重要的方法，主要以实际测试的方法去验证理论分析结果，以及开展早期程序开发和测试工作。
对于高速列车的气动优化设计，一般需要进行模型试验、隧道试验和道路试验等多种试验方法，从而实现高速列车气动优化设计的实验验证。
三、高速列车气动优化设计的关键技术1.减轻气动阻力减轻气动阻力是高速列车气动优化设计的重要技术，当列车运行速度越高，车辆所受的空气阻力就越大，因此如何减小空气阻力就显得尤为重要。
高速列车的气动优化设计中采用的防风措施主要有外换面设计、斜面设计、压力平衡设备等。
2.控制气动噪声控制气动噪声是高速列车气动优化设计中不可忽视的一环。
高速列车运行中的气动特性与优化
高速列车运行中的气动特性与优化高速列车是现代交通运输中的重要组成部分，其快速、高效的特点深受人们喜爱。
然而，高速列车在高速运行时面临着气动力学问题，这对列车的运行稳定性和能效有着重要影响。
本文将探讨高速列车运行中的气动特性以及优化方法。
一、气动特性分析高速列车在运行过程中，其表面会受到风的作用，由此产生的气动力会对列车产生干扰。
这些气动力主要包括空气阻力、升力、侧力和扰动力。
首先，空气阻力是高速列车运行中最主要的气动力之一。
随着列车速度的增加，空气阻力的大小会呈指数级增长。
因此，减小空气阻力是提高高速列车能效的关键。
其次，升力的产生是高速列车独特的气动特性之一。
在列车运行过程中，车体周围的空气流动会产生升力，一定程度上也会增加空气阻力。
因此，在设计高速列车时需要综合考虑减小升力和空气阻力的矛盾。
此外，高速列车运行过程中还存在侧力和扰动力。
侧力的产生主要源于列车运行时的侧风和曲线行驶，而扰动力则受到列车前后车厢之间的空气流动的影响。
这些气动力的存在会对列车的稳定性和行车安全产生不利影响，因此需要进一步研究和优化。
二、气动优化方法为了减小高速列车在运行中所面临的气动力干扰，并提高列车的运行稳定性和能效，研究人员提出了一系列的气动优化方法。
首先，改进列车表面的流线型设计是减小空气阻力的有效途径。
通过合理的流线型设计，可以使空气在列车表面流动时产生较小的阻力，从而减小运行时所需的能量。
流线型设计不仅包括减小车头前沿的阻力，还包括对车厢侧面和尾部的优化。
通过减小车厢周围的涡流和尾迹对空气流动的干扰，可以降低车厢周围的气动力。
其次，利用气动附着力也可以改善高速列车的运行稳定性。
当列车在高速运行时，车体周围的气流会产生压力，使得列车与轨道之间的附着力增加。
通过优化车厢底部和侧面的形状，可以增加车辆与轨道之间的气动附着力，从而提高列车的运行稳定性和操控性。
此外，采用智能控制系统也是提高高速列车气动特性的一种方法。
高速列车的空气动力学优化设计
高速列车的空气动力学优化设计随着科技的快速发展，高速列车成为现代交通体系中不可或缺的一部分。
高速列车的空气动力学优化设计是提高列车运行效率和安全性的关键因素之一。
本文将讨论高速列车的空气动力学原理、优化设计方法以及相关的技术创新。
一、空气动力学基础知识空气动力学是研究物体在空气中运动时所受到的力学因素的科学。
在高速列车设计中，空气动力学同样至关重要。
空气动力学主要涉及两个方面：阻力和升力。
1. 阻力阻力是高速列车在运行过程中所受到的空气阻力。
空气阻力由于空气的粘滞性和压缩性，会对列车产生阻碍力。
减小阻力对于提高列车的能效和运行速度至关重要。
常见的减小阻力的方法有优化列车外形、减小前沿曲率半径、采用流线型车头等。
2. 升力升力是指高速列车在空气中受到的垂直向上的力。
在高速列车设计中，通常不需要考虑升力，因为列车的运行是在地面上进行的。
相反，如果列车产生了升力，反而会导致不稳定和飞行危险。
二、高速列车的空气动力学设计方法在高速列车的设计过程中，空气动力学优化设计是必不可少的一环。
为了提高列车的运行效率和安全性，以下是一些常见的优化设计方法。
1. 外形优化优化列车外形是减小阻力的重要手段之一。
通过对列车外形的优化设计，可以降低空气阻力，提高列车的运行速度和能效。
2. 轮廓线设计轮廓线设计对列车的空气动力学性能有重要影响。
通过合理设计列车车体的轮廓线，可以减小空气的激波和涡流的产生，降低列车的阻力。
3. 车头形状设计列车的车头形状对空气动力学性能有直接影响。
采用流线型车头可以减小阻力、降低压力激波的产生，提高列车的运行效率。
4. 轴箱设计轴箱是高速列车的重要组成部分，其设计对列车的空气动力学性能有一定影响。
通过轴箱的优化设计，可以减小轴箱对列车周边空气流动的干扰，降低列车的阻力。
三、高速列车的空气动力学优化技术创新为了进一步提高高速列车的运行效率和安全性，研究人员一直在不断探索和创新空气动力学优化技术。
高速列车气动外形的CFD计算与优化
高速列车气动外形的CFD计算与优化ＤｉｇｉｔａｌＤｅｓｉｇｎ数字化设计西迪阿特公司ｆ简称ＣＤＡＪ—ＣＨｌＮＡ）是计算流体动力学软件｛ＳＴＡＲ—ＣＣＭ＋）和优化软件（ｍｏｄｅＦＲｏＮＴＩＥＲ）亚太地区的独家代理商。
该文基于庞巴迪公司发表＂于２００８年ＣＤ－ａｄａｐｃｏＪｚ澜欧洲用户大会上利用这两款软件进行气动外形优化的成果，向大家介绍如何利用ＳＴＡＲ—ＣＣＭ＋和ｍｏｄｅＦＲＯＮＴＩＥＲ软件进行高速列车气动外形ＣＦＤ计算和优化的过程。
－＿＿｜Ｌ－一口同速列车气动外形的ＣＦＤ计算与优化口西迪阿特信息科技（上海）有限公司刘俊刘伟一、项目背景庞巴迪（Ｂｏｍｂａｒｄｉｅｒ）公司是加拿大的国际性交通运输设备制造公司，从支线飞机、公务机到完整的铁路、轨道交通运输设备、系统和服务等创新交通运输解决方案的制造方面，均居世界领导地位。
庞巴迪在产品设计过程中，广泛使用ＣＡＥ分析及优化工具来提高产品性能，基于计算流体动力学软件（ＳＴＡＲ—ＣＤ和ＳＴＡＲ－ＣＣＨ＋胙为流体开发工具，并应用优化软件（ｍｏｄｅＦＲＯＮＴＩＥＲ）作为优化平台。
鉴于庞巴迪公司在铁路行业已经与我国展开了广泛的合作，本文将高速列车ＣＦＤ分析和优化方面的内容介绍给大家。
高速列车外形设计是列车公司的重要课题，然而借助计算流体动力学软件（简称ＣＦＤ）进行分析和优化是最前沿的手段，有周期短、成本低的显著特点。
通过使用ＣＤ－ａｄａｐｃｏ公司开发的ＣＦＤ软件ＳＴＡＲ－ＣＣＭ＋以及意大＃ｌＪＥＳＴＥＣＯ公司开发的优化软件ｍｏｄｅＦＲＯＮＴＩＥＲ，庞巴迪公司对其设计的列车头型进行了ＣＦＤ分析和优化设计，并将研究成果发表于ＣＤ－ａｄａｐｃ０２００８年欧洲用户大会上，下面将向大家介绍此项目的流程与思路。
二、优化流程ｍｏｄｅＦＲＯ｝《ＴＩＥＲ作为一款专业的多学科多目标稳健性设计优化软件，具有强大的平台集成与整合能力，能够完备地集成包括ＣＡＤ、ＣＦＤ及ＦＥＡ等在内的各种成熟商业软件。
高速列车的气动性能分析与优化
高速列车的气动性能分析与优化随着现代交通工具的快速发展，高速列车作为一种高效、快捷的交通方式已经成为人们生活中不可或缺的一部分。
在高速列车的设计过程中，气动性能的分析与优化是十分重要的一环，它直接影响着列车的稳定性、能耗和运行速度。
气动性能分析是通过对列车与空气之间相互作用进行研究，分析空气流动情况以及列车所受到的气动力和阻力等因素的影响，从而为设计师提供可靠的数据依据。
优化则是根据分析结果对列车的设计进行改进，以达到降低阻力、提升速度和节能减排的目的。
在进行气动性能分析时，先要对高速列车的外形进行细致的测量与建模。
使用计算流体力学（CFD）方法进行数值模拟，对列车在运行过程中的空气流动进行详细分析。
通过模拟不同工况下的气流场变化，可以分析气流分离、气动力分布、气动阻力和升力等关键参数，从而找出改善空气流动的策略。
设计师可以通过避免尖角或锐边设计，减小阻力产生，提高列车的气动效率。
曲面的光滑设计可以减少阻力，并防止气流从表面分离，从而减小气动阻力。
同时，对列车的气动外形进行流线型优化，可以减小气动阻力，提高列车的速度和能效。
另外，降低列车的噪声也是优化的一个重要方面。
通过减小气流与列车表面的相互作用，可以降低噪音的产生。
采用凹槽和凹陷的设计，可以减少压气波和湍流的产生，从而减小列车运行时的噪声。
气动性能的优化还需要考虑列车与隧道的相互作用。
当列车高速通过隧道时，气流压缩和加速会对列车产生一定的影响。
通过分析气流压力分布以及列车进出隧道时的气动力变化，设计师可以对列车进行优化，提高列车的运行安全性和舒适度。
除了气动性能的分析与优化外，高速列车的悬挂系统也是影响列车稳定性和乘坐舒适度的关键因素之一。
合理设计悬挂系统能够减小列车的倾斜、震动和噪声，提高列车的稳定性和乘坐舒适度。
在高速列车的设计过程中，还需要充分考虑列车的能耗问题。
通过降低列车的阻力和气动阻力，有效减少能耗的同时最大程度地提高列车的能效。
高速列车头型气动外形关键结构参数优化设计
ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎｃ ｅ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｆ ｏ ｒ ａ ｎ ｅ ｗ ＥＭＵ ｈ ｅ ａ ｄ － ｙｐ ｔ ｅ ｉ ｓ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ ｗｉ ｔ ｈ Ｉ ｓ ｉ ｇ ｈ ｔ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ ， ｈｅ ｔ ｓ ｔ ｅ ｐ ｓ ｏ ｆ ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｉ ｎ ｃ 车运行阻力和气动噪声是提升高速列车速度能力和环境适应性 的有效手段 。针对气动阻力、气动噪声这两项优
化 目标 ，利用 Ｉ ｓ ｉ ｇ ｈ ｔ 软件建立 了集参数化驱动建模、计 算网格划 分、气动计算 、优化分析等步骤的高速列车新头型气动 性能 自动优化设计流程 ，运用基于多 目标遗传算法 ＮＳ Ｇ Ａ ． Ｉ Ｉ的优化设计方法 ，对鼻尖高度、排障器前端伸缩 量、转 向架 区域挡 板倾角等关键设计变量进行 了优化设计 以及与气动 阻力和气动 噪声 的相关性分析 ， 在此基础上提 出了综合性能较佳的新头型
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｒｅ ｄ ｕ ｃ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｒ ｎｎ ｕ ｉ ｎ ｇ ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ ａ ｅ ｒ ｏ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｎ ｏ ｉ ｓ ｅ ｉ ｓ ｔ ｈ ｅ ｅ ｆｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｗａ ｙ ｔ ｏ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ
中 图 分 类 号 ：Ｕ２ ７ ０
Ｏｐｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｎ Ｋｅ ｙ Ｓ ｔ ｒ ｕｃ ｔ ｕｒ ａ ｌ Ｐａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｏ ｆ Ｈｉ ｇ ｈ Ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ＥＭ Ｕ
高速铁路列车空气动力学优化设计
高速铁路列车空气动力学优化设计随着科技的不断发展和交通需求的增长，高速铁路列车作为一种高效、快速、节能的交通工具，在现代社会中的地位日益重要。
然而，随着列车速度的提高，空气动力学对列车运行的影响也变得越来越显著。
为了提高列车的运行效率和安全性，空气动力学优化设计成为当今高速铁路技术研究的重要方向之一。
首先，对于高速铁路列车空气动力学优化设计的考虑因素中，阻力是最重要的。
阻力的大小直接影响列车的能耗和运行速度。
通过减小列车与空气之间的阻力，可以提高列车的运行效率和降低能耗。
为了减小阻力，设计师可以采用各种方法，包括改变列车形状、降低列车风阻系数以及优化车体表面等。
例如，通过采用流线型的列车外形设计，可以降低空气阻力，提高列车的速度和能效。
其次，噪音和震动是高速列车空气动力学优化设计中需要考虑的另一个重要因素。
高速列车运行时产生的噪音和震动不仅会对列车内部乘客造成不适，还会对周围环境产生负面影响。
因此，在列车设计过程中，需要采取相应的措施来减小噪音和震动。
例如，在列车车体设计中增加隔音和减震设备，通过合理布置车内设施来降低噪音和震动的传播。
另外，高速列车的稳定性也是空气动力学优化设计的一个重要考虑因素。
稳定性的提高可以增加列车运行的安全性和舒适性。
在设计过程中，需要通过优化列车的动力装置、减小重心高度以及改进悬挂装置等手段来提高列车的稳定性。
此外，为了应对高速运行过程中可能出现的气动干扰，还可以采用气动稳定装置等技术手段来提高列车的稳定性。
除了以上几个方面，高速列车的节能性也是空气动力学优化设计的一个重要目标。
通过优化列车及其配套设备的设计，可以减小列车的能耗，提高能源利用效率。
例如，通过采用轻量化材料构建列车车体，减小列车自重，降低能耗。
另外，还可以通过优化电力系统、减小内外部风阻等手段来提高列车的能效，减少能源消耗。
总之，高速铁路列车空气动力学优化设计是一个综合性的工程，需要综合考虑阻力、噪音和震动、稳定性以及节能等方面的因素。
超高速列车气动特性研究及优化设计
超高速列车气动特性研究及优化设计随着人们生活水平的提高，交通工具的速度也越来越快，超高速列车作为现代科技的代表，一直备受人们关注。
然而，超高速列车的运行速度超过了常规列车所能承受的极限，想要实现它的商业化应用，需要解决很多问题。
其中，气动特性是关键领域之一，对于超高速列车的运行和安全至关重要。
本文将介绍超高速列车气动特性的研究和优化设计。
一、超高速列车气动特性概述超高速列车是指时速在400公里以上的高速列车。
在高速行驶过程中，列车会受到强烈的空气阻力，从而导致能源损失和安全问题。
因此，超高速列车的气动效应是一个非常重要的研究领域。
目前，研究超高速列车气动特性主要分为两个方向：外形优化设计和气动性能优化控制。
外形优化设计主要考虑如何减小列车表面的气动阻力，从而减少能耗和增加列车的速度。
一般来说，减小列车前部的阻力是最优选择，因为前部通常是阻力最大的区域。
其中，坡度和半径是影响气动阻力的两个重要因素。
通过密集的气动试验，研究者可以得出最佳的外形设计，从而满足列车在高速行驶中的气动需求。
气动性能优化控制则着眼于如何提高超高速列车的力学性能，增加稳健性和防止动态失稳。
对于超高速列车的运作，稳定性和安全性是最基本的要求。
因此，研究人员需要考虑列车的气动特性，如外形、质量、速度、方向等因素，通过综合设计来确保列车在高速行驶时的稳定性。
二、超高速列车气动特性研究超高速列车气动特性的研究主要包括数值模拟和实验研究两部分。
数值模拟是通过数值计算和仿真模型来模拟列车的运动状态，在研究中可以修改参数观察其对列车性能的影响。
实验研究则是通过实验操作来测试列车的气动性能。
最近的一项研究表明，通过复合式封闭高速列车的设计，可以有效地降低气动阻力。
这个设计将每一个车厢闭合在一个气密的舱室内，舱室与舱室之间通过空气进出口连接。
舱室内部通过惯性空气滤波法实现空气循环净化，逐步冷却，降低气动阻力，提高列车的运行速度。
除此之外，还有实验研究表明，通过减小列车前部的坡度或调整侧面的气动斜率，也可以有效地降低气动阻力。
超高速列车气动设计的研究与优化
超高速列车气动设计的研究与优化随着现代社会的发展，人们对于交通出行的需求越来越高。
高速列车正逐渐成为人们出行的首选方式。
而相较于传统的高速列车，超高速列车的出现能够将出行时间缩短到最短，大大提高人们的出行效率。
然而，与此同时，超高速列车也面临着诸多挑战，其中之一便是气动设计的研究与优化。
超高速列车的气动设计主要包括以下几个方面：空气动力学效应、阻力、气动噪声、风险防范等。
其中，空气动力学效应是超高速列车气动设计中最为核心的一个方面。
其研究与优化能够大大改善列车的运行效率，延长列车的使用寿命。
首先，针对超高速列车在高速情况下的空气动力学效应需要进行研究和分析。
空气动力学效应是超高速列车所面临的最大挑战之一。
由于列车所处的高速环境下空气的物理性质发生了较大变化，因此列车所受到的空气阻力也相应增大。
而针对这种情况，研发人员需要进行大量的模拟分析和试验研究，通过捕捉列车所处的空气流场，分析列车表面的压力分布，优化列车表面的气动性能，从而减小列车所受到的空气阻力，提高列车的运行效率。
其次，针对超高速列车的阻力需进行优化研究。
阻力是指列车所受到的空气摩擦力和气动阻力。
阻力的存在会导致列车的行驶速度变得缓慢，严重阻碍列车的前进。
因此，优化列车的气动外形，减小列车的阻力是值得研究的方向。
同时，也需要研究列车所受到的其他阻力，比如轮胎和导轨的摩擦力等，以保障列车的平稳运行。
超高速列车的气动噪声也是一个不容忽视的问题。
在高速行驶的过程中，列车所受到的气流产生的噪声会直接影响列车内部的舒适性以及沿途的环境。
因此，在超高速列车的设计中，需要对噪声的产生进行研究和优化。
一方面，可以通过气动外形的优化来减小气动噪声的产生；另一方面，针对列车的车体材料、音响结构等进行优化，来降低列车内部的噪声水平。
最后，针对超高速列车的风险防范需进行研究与优化。
在列车行驶的过程中，一些外力因素，比如风暴、地震等，都有可能对列车的运行造成影响甚至危害。
高速铁路气动外形优化设计
高速铁路气动外形优化设计第一章介绍高速铁路是当今世界最重要、最快速和最安全的铁路交通方式之一。
它已经成为许多大型城市之间的主要交通工具。
高速铁路的外形设计对于其性能和舒适性至关重要。
本文将介绍高速铁路气动外形优化设计的过程和方法。
第二章气动优化设计方法在高速铁路气动外形优化设计中，使用计算流体力学（CFD）是最常见的方法。
CFD可以帮助工程师正确预测车辆的空气动力性能，从而在设计过程中制定更准确的决策。
在气动优化设计中，先要利用CAD软件建模，然后将模型导入CFD软件中。
在CFD软件中，需要设置模型的初始条件和边界条件。
例如，空气速度、温度、湍流强度等。
在进行CFD计算后，需要分析模拟结果并进行优化。
可以通过调整模型的形状和细节来改善空气动力性能。
一些常见的工具包括：撞角的加强和倾斜、平整表面的调整等。
CFD可以帮助优化设计的差异以及在不同空气动力场和运行条件下进行测试。
第三章模型建立在高速铁路的气动外形优化设计中，需要首先建立CAD模型。
将设计师的设计思想转化为CAD模型，模型的质量对于后续的分析和优化至关重要。
需要注意的是，建模过程中需要对高速铁路的各个部分进行精细划分。
第四章测试在气动外形优化设计中，测试也是非常重要的一步。
可以采用多种测试方法，其中包括风洞实验和CFD模拟。
风洞实验是对车体以不同速度和方向的气流进行测试。
通过测试，可以获得车体的系数、气动压力和气动力等信息。
CFD模拟可以模拟车体在不同速度和空气流动条件下的空气动力性能。
模拟结果可以得出车辆的气动阻力、升力和飞行距离等数据。
第五章优化在进行优化设计时，需要考虑以下几个方面：车体的流线型、车轮的排列方式、车辆的长度和高度、车体的剖面和外形的平滑性等因素。
只有正确的权衡这些因素，才能制定出最优的优化方案。
第六章结论高速铁路气动外形优化设计对于车辆的性能和安全性至关重要。
通过CFD计算和模拟实验，在考虑了车体的外形设计、流线型、车轮和外形平滑性等因素的影响后，可以得出最优的设计方案。
CRH3型高速列车气动头型优化计算
摘要
本文针对 CRH3 型高速列车的气动外形设计问题, 提出了一套高效的头型气动力优
化方法. 使用 NS 方程进行流场求解, 结合遗传优化算法和任意网格变形技术, 避免了流场 计算时几何变形和网格剖分的庞大时间开销, 提高了优化计算的效率. 通过对设计空间中的 设计点进行统计分析, 研究了优化设计变量与优化目标之间的相关性, 分析出了影响优化目 标的几个关键变量, 并采用 Kriging 算法对关键设计变量与优化目标进行了响应面分析, 得 到了关键设计变量与优化目标之间的非线性关系. 最后, 通过优化头型与原始头型的气动性 能比较, 对 CRH3 型高速列车原始头型的气动稳定型进行了评估.
英文版发表信息:
Sun Z X, Song J J, An Y R. Optimization of the head shape of the CRH3 high speed train. Sci China Tech Sci, 2010, 53: 33563364, doi: 10.1007/s11431-010-4163-5
1
优化思路
流场中的三维几何优化主要存在 3 个挑战: 1) 反 复求解 NS 方程的效率; 2) 数学上准确描述任意三维 几何模型的能力 ; 3) 在几何变形后保持或者获得新 的流场合适网格的能力. 针对第一点, 为了提高 CFD 计算的效率, 应该保证每次求解 NS 方程时给定一个 比较合理的初始值, 以减少计算迭代的步数, 使计算 更快地收敛; 为了实现第二点, 人们寻找一个通用的 方法 , 先将原始几何参数化 [8]. 对第 3 个挑战 , 有两 种不同的方法来完成 . 第一种方法就是在每次几何 变形后重构网格 . 这对大多数工程问题来说基本上 不现实 , 因为它取决于相应的网格自动生成是否可 行 , 但后者的研究在目前看来远远没有达到成熟的 地步 . 第二种方法就是在优化过程中当几何变形的
高速动车组头型优化设计
高速动车组头型优化设计【摘要】多学科优化设计是追求高速动车组整体最优的一种设计思想，是并行工程的重要组成部分。
本文采用sculptor软件对高速动车组头型进行网格变形，iSIGHT软件建立多目标设计平台，实现不同软件之间数据的动态耦合，达到系统模型的协同仿真，实现对高速动车组头、尾车外形的气动性能进行优化设计。
【关键词】多学科优化；高速动车组头型；空气动力学引言随着列车速度的不断提高以及高速列车运营里程的增加，列车的空气动力学问题越显突出。
在空气动力学基础上优化头车外型，降低头车气动阻力是实现自主研发高速动车组头型的重要途径。
高速动车组的头型设计过程是一项复杂的系统工程，需要众多学科相互交叉耦合，涉及大量的设计计算任务，须解决各学科之间协同仿真问题。
本文使用iSIGHT软件的并行运行功能调用多个软件模块，同步处理分析各模块输入输出文件，初步形成多目标、多软件、系统的集成优化设计环境。
1 基于iSIGHT软件的多学科优化设计iSIGHT是经过近20年发展的成熟产品，同时也是一个开放的框架，其功能体现在四个方面：集成自动化，设计优化，质量设计，以及协同设计。
现代的工程稳健系统设计、参数设计、容差设计的步骤和策略都可以在iSIGHT中实现。
作为一种现代设计方法，基于iSIGHT的设计日益受到工程界的重视，在发达国家的航空航天、机械、车船、制造、兵器等行业均得到广泛应用且产生巨大经济效益，目前已成为发达国家设计工程师必备的工具。
多学科设计优化涉及的关键技术是：系统与子系统模型的建立，包含数学描述与程序编码、简单模型与复杂模型、精度与计算成本的协调；面向设计的分析方法，包含适用于不同层次的分析方法、低成本的近似敏度计算方法、数据管理与可视化技术；人机界面，动态显示优化迭代过程；分解策略，包括层次式、非层次式及混合分解技术，大系统分解成许多小的子系统，采用综合方法得出可行的设计。
2 高速动车组头型气动性能优化本文优化模型采用CRH3原型车头外形，采用变形网格工具sculptor改变头型外型，利用多学科优化软件iSIGHT调用空气动力学分析软件STAR-CCM+进行生成网格划分和计算，循环计算多次，最终找到满足气动性能要求的新型头车外型。
基于代理模型的高速列车头型优化设计
基于代理模型的高速列车头型优化设计周家林;包福明;陈秉智【摘要】为降低高速列车的气动阻力,对高速列车流线型头尾进行优化设计.建立高速列车空气动力学模型,基于三维黏性不可压缩控制方程组和两方程湍流模型,对明线上运行的3节编组列车周围流场模拟计算.构造6个优化设计变量关于空气阻力的响应面函数.结果表明,各优化设计变量之间相互耦合,和优化目标之间存在非线性关系,同时得到了各设计变量对空气阻力的贡献率.优化后,空气阻力值降低10.8%.%Shape optimization is used to reduce aerodynamic resistance of high-speed train.After building the aerodynamics model, flow field around the high-speed train is simulated based on three-dimension uncompressible equations and turbulent model of twoequations.Response surface function of 6 design variables is established.Results show that the design variables are coupled with each other and optimization object is the nonlinear function of the variables.Contribution to air resistance of each variable is also calculated.Air resistance is reduced 10.8% after optimizing.【期刊名称】《大连交通大学学报》【年(卷),期】2017(038)004【总页数】5页(P83-87)【关键词】气动优化;网格自动变形;响应面法;遗传算法【作者】周家林;包福明;陈秉智【作者单位】中车四方车辆有限公司,山东青岛 266111;大连交通大学交通运输工程学院,辽宁大连 116028;大连交通大学交通运输工程学院,辽宁大连 116028【正文语种】中文列车气动阻力随列车运行速度而急剧增长，降低高速列车运行时的空气阻力可以提高列车运行的安全性，稳定性和经济性.高速列车所受气动阻力与列车头尾外形有密切关系，流线型外形的优化设计已成为高速列车的关键技术之一[1-2].张在中[3]通过对包括CRH2在内的不同高速列车模型(1∶8)进行风洞实验，分析了列车流线型头部形状对阻力的影响.其阐述的方法实际上是优选方法，优选结果并不能达到或接近最优解.随着计算机软硬件的不断发展，Krajnovi[4]以径向基神经网络和多项式函数为组合代理模型，对列车的气动特性进行了优化.Yao[5]提出局部型函数的优化方法，对高速列车鼻部外形进行优化，其优化结果使列车气动阻力减小8.7%.Sun[6]采用直接网格变形技术，省去了几何重构和网格划分的时间，对高速列车司机室上壁面形状进行优化.熊骏[7]采用神经网络算法对城际列车外形进行优化.翟建平[8]考虑在横风载荷作用下对列车头型优化.刘加利等人[9]采用几何自动重建技术使流线型车头改变形状，使列车空气阻力降低.本文在对CRH3高速列车参数化建模后，由拉丁超立方抽样法得到200组样本自变量值，通过集成批处理文件及脚本文件，实现网格自动变形及空气动力学自动计算，得到样本因变量值.再构造空气阻力关于设计变量的响应面代理模型.最后采用多岛遗传算法得到近似的全局最优解.上述过程不仅实现了一种空气动力学自动计算方法，而且可以通过响应面分析得到各设计变量与列车空气阻力的关系.实现了一种适于高速列车的外形降阻优化设计的方法，对于高速列车的降阻设计具有较好的工程应用价值.一般情况下，明线运行上的高速列车马赫数小于0.3[10]，在不考虑列车交会、列车过隧道等问题时，空气密度的变化对流动的影响极小，列车周围流场可以按照不可压缩粘性流动模型考虑.在此模型中，能量方程与连续性方程和运动方程不耦合，如果不计算温度场，则无需引入能量方程.不可压缩定常流动控制方程如下：连续方程：N-S方程：式中，ui为流场速度，代表u、v、w三个坐标方向的速度分量；xi为三个坐标，代表x、y、z三个坐标分量；p为热力学压强；μ为空气动力粘度；ρ为空气密度. 高速列车周围流场为湍流流动，采用两方程模型来描述湍流流动.定义湍流粘性系数为：湍流动能方程为：湍流耗散率方程方程为：其中，k为湍流动能；ε为湍流耗散率; cμ为湍流常数，一般情况下取cμ=0.09；μl为层流粘性系数；c1、c2、σk、σε为经验常数，根据经验，计算时取值如下：c1=1.47，c2=1.92、σk=1.0、σε=1.33.以上方程组共含有7个未知数和7个方程，方程组封闭.给定边界条件后，可求解.2.1 参数化几何模型由于数学上无法用单个解析方程刻画复杂空间曲面，于是采用具有连续阶的若干子曲面拼接成列车车头流线型曲面.由流线型车头表面的若干控制点生成若干条非均匀有理B样条曲线，再由这些空间曲线生成NURBS三维空间曲面.最后对控制点进行参数化处理，最终实现列车参数化几何建模.需要说明的是，由于是以高速列车流线型头型优化为目标，可以对列车底部平底简化处理[9].2.2 数值模型列车采用三节车(头车+中间车+尾车)编组，列车全长76.125 m.根据多次计算得知，当计算区域选择如图1所示的区域时,计算结果较为准确.区域右侧设置为速度入口边界，其速度大小为350 km/h，区域左侧及上侧设置为压力出口边界(表压强=0)，区域前侧、后侧及车体表面设置为壁面边界条件.地面设置为滑移壁面条件.其中计算区域长、宽、高分别为298、92、90 m.车头距速度入口处31m，车尾距离压力出口201 m，车底距地面0.61 m.有限元模型包含9 426 594个单元，1649836个节点.列车表压强云图如图2所示.由本文所设空气密度为1.225 kg/m3,计算知=5768，此值与列车前鼻尖端处表压强值接近，说明本文所采用的计算模型和计算方法准确.3.1 响应面代理模型3.1.1 优化设计变量为驱动列车流线型车头形状的变化，如图3所示，选取流线型车头上部12个控制点，其中每3个点间设置为主从关系，可以得到4个自变量，分别定义为dy1、dy2、dy3和dy4，控制列车头部垂向变形；在车头两侧选取10个控制点，10个点设置为主从关系，可得到1个自变量，定义为dz5，控制列车流线型车头沿横向变形；在流线型车头前端部设置9个控制点，设置为主从关系，可得到1个自变量，定义为dx6，控制列车头部纵向变形.由于实际运行的列车头车和尾车外形相同，本文对尾车与头车的控制点做对称处理.为了得到较大的寻优空间，同时考虑到直接网格变形技术容易导致网格畸变，自变量dy1、dy2、dy3、dy4、dz5和dx6的区间均定义为[-0.7m,+0.7m].在自变量的变化范围内，采用拉丁超立方抽样法得到200组样本自变量.其中dy1，dy2的散点分布如图4所示.3.1.2 网格自动变形及CFD自动计算数学上有了200组样本自变量后，需要得到每组自变量所对应的因变量.即物理上需要得到不同车头形状的编组列车在空气中运行时的空气阻力.为了去除人工的重复性工作，编写可对控制变量值进行修改的程序实现网格的自动变形.利用fluent的脚本文件实现高速列车空气动力学自动计算.最后利用批处理程序及isight软件平台将上述程序集成，实现网格自动变形及空气动力学的自动计算.3.1.3 响应面分析通过程序间集成自动计算得到了200个具有不同形状流线型车头编组列车的气动阻力值.即求得了因变量(气动阻力)分别对200组自变量(dy1、dy2、dy3、dy4、dz5和dx6)的响应.由这些样本，即可运用多项式响应面法(Response Surface Method)来构造代理模型.三次多项式响应面如图5所示.为了验证代理模型的准确性.选取其它10组样本对响应面代理模型进行R2分析，经计算模型的R2=0.992.R2接近1，表明响应面模型与样本符合程度高，构造的响应面模型准确有效.图6是所有因子相对优化目标即气动阻力的贡献率图(Pareto图).深色表示正效应，浅色表示负效应.由图可知，对于3节编组列车而言，头部及尾部纵向越长、横向越窄、垂向越扁则列车所受空气总阻力越小.dz5的贡献率达到65%，对气动阻力影响最大；dx6对气动阻力影响贡献率为22%；而dy4、dy3、dy1、dy2综合起来对气动阻力贡献率为13%.究其原因，由于原始模型已为流线型，当控制点早[-0.7m，+0.7m]范围内变化时，列车头部及尾部纵向长度的变化和垂向形状的变化并未改变头型尖端的尖锐程度.而头尾横向宽窄的变化，对流线型头型尖端部的尖锐程度影响较大，因而dz5对于空气阻力影响最大.同时可以看到dy4、dy3、dy1、dy2对气动阻力影响依次降低，这是因为dy4和dy3是流线型尾上表面几何突变位置，车体表面几何变化导致周围流场形成逆压梯度，同时由于粘性对速度的迟滞作用，综合作用导致涡旋的形成以及边界层分离现象.因而此处外形对流动影响较大.dy2离车头尖部最近，对车头尖锐程度有一定影响，但影响有限.图7显示了dy1和dy2及dy1和dx6对气动阻力存在交互效应.由于交互效应图两条线并不完全平行，因此dy1和dy2及dy1和dx6分别耦合在一起对气动阻力F产生影响.究其原因，由于空气动力学问题是非线性问题，而非线性的实质是运动物质间的相互作用.物理上讲，作为亚音速低速空气流动，高速列车运动时，其产生的扰动会快速传播，头车、中间车以及尾车周围流场会相互作用，不仅列车头部周围流场会影响后部流场、后部流场可影响前部流场，而且每节车周围的流场内流体间也会相互作用.因此，dy1和dy2分别对流动产生影响，而这些被影响的流体间又相互作用，形成交互效应.这种交互作用的数学实质是空气动力学微分方程组中各变量之间的相互耦合.3.2 优化结果采用多岛遗传算法(Multi-Island Genetic Algorithm)得到响应面的近似全局最优解.寻优过程如图8所示.优化前，列车所受总气动阻力大小为20 721.7 N，优化后列车所受总气动阻力大小为18 494.0 N.设计变量优化结果如图9所示.分析优化结果，控制列车横向形状的变量dz5值为-0.650 m，接近于寻优区间下限.控制列车流线型头型长度的变量dx6值为0.689 m，接近于寻优区间上限.以上两变量的优化结果使列车流线型头尾更细长，这与空气动力学的基本理论及工程经验相吻合.而控制列车头尾垂向形状的四个变量与列车气动阻力值并不是线性关系.优化结果符合对响应面函数的因子贡献率分析结论及因子交互效应分析结论，再次说明本文所构造的代理模型的准确性.同时可以看到，在以列车降阻为目的的工程实践中，对控制头型外形的参数的选取应经过慎重考虑，在工程经验确定车头外形大致轮廓的基础上，应采用科学技术手段对参数做最终确定.本文所述方法为一种有效途径.对构造的响应面函数进行分析得到以下结论：(1)列车空气阻力值和各控制变量间存在三次多项式函数响应关系；(2)控制列车流线型头尾的各变量对列车阻力的影响并不是简单的线性叠加，而是各变量相互耦合在一起改变列车周围流场运动，进而改变列车阻力.列车阻力和各变量间是非线性关系；(3)各控制变量对优化目标的贡献不同.dz5、dx6、dy4、dy3、dy1、dy2对改变气动阻力的贡献依次降低；(4)优化后和优化前相比，列车阻力降低10.8%.基于网格自动变形技术及空气动力学自动计算方法，结合响应面代理模型分析，实现三节编组高速列车外形的优化设计，可较好应用于高速列车的降阻设计工程实践.(1.西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031;2.西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都 610031)摘要：以某型高速列车车体为研究对象，建立车体参数化有限元模型，将车体的材料属性、几何尺寸和载荷大小等参数设为随机变量，基于概率分析方法，通过统计分析得到其分布参数，分别基于蒙特卡洛和响应面数值模拟方法，求解车体的参数灵敏度。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2011 年
第 41 卷
第 3 期: 292 ~ 300
《中国科学》杂志社
SCIENCE CHINA PRESS
CRH3 型高速列车气动头型优化计算
孙振旭, 宋婧婧, 安亦然*
北京大学工学院湍流与复杂系统研究国家重点实验室, 北京 100871 * E-mail: anyr@ 收稿日期: 2010-07-15; 接受日期: 2010-09-16
时候同时对原来的网格进行变形 , 并在变形的过程 中保持网格质量[9]. 传统的优化方法往往采用第一种 方法 , 大量计算时间应用于几何变形和网格重构上 , 这大大降低了优化的效率 . 本文在优化过程中采用 了第二类方法, 即使用任意几何变形(Arbitrary Shape Deformation, ASD)技术. ASD 技术基于计算模型建立 新的控制面 , 通过移动控制面的控制点以直接改变 计算网格, 达到网格变形的目的. 这省去了几何重构 的过程, 提高了优化的效率. 本 文 采 用 多 种 优 化 软 件 耦 合 CFD 计 算 软 件 FLUENT 进行高速列车气动头型优化 . 优化软件包 括 SCULPTOR 和 modeFRONTIER 两种. SCULPTOR 虽然拥有新颖的 ASD 技术, 但是因为其本身所带的 算法大多为基于梯度的优化算法 (如最速下降法、牛 顿法、 广义既约梯度法、 序列二次规划法等), 优化时 往往会局限于局部最优点 , 这大大限制了优化的精 度. 而 modeFRONTIER 是一种比较成熟的非线性多 目标优化集成平台, 包含许多成熟的优化算法, 从实 验设计算法到优化算法(如 MOGA-II, MOSA 等), 可 以比较准确地捕捉设计空间中的最优解 . 本文取长 补短 , 在 modeFRONTIER 中调 用 SCULPTOR 和 FLUENT, 耦合了 SCULPTOR 中的网格变形技术 , 同时耦合 FLUENT 用来对每一个设计进行 CFD 计算, 得到相应的气动阻力, 以完成优化目标的求解. 为了 提高优化效率, 节省流场计算时间, 首先对高速列车 原始头型进行了气动力计算并保存 , 后续网格变形 后的设计求解均以此为初值进行续算, 直至收敛. 本文对 CRH3 高速列车头部外形进行优化, 以列 车受到的阻力作为优化目标. 如图 1~5, 针对高速列 车头部外形的设计参数 , 优化时采用以下几个优化 变量 , 具体包括 : 鼻端高度 (Nose Height), 鼻端长度 (Nose Forward), 鼻端厚度(Nose Thickness), 以及司 机室上壁面的高度(Nose Top Channel). 这 4 个变量 可以大致刻画出高速列车头部流线型, 通过对这 4 个 变量的调整即可以修正头部流线型 . 原始头型对应 各个设计变量值均为零, 当 NoseForward 变量值为负 时表示鼻锥向前拉伸 , NoseThickness 变量值为负时 表示鼻锥变薄, NoseHeight 为负时表示鼻锥向地面移 动, NoseTopChannel 为负时表示司机室上壁面下移, 所 有变量值为正时变化方向相反. 同时因高速列车头部长 细比不能太长, 机车内零部件便于安装、司机视角不受 影响、司机室空间适当等诸多因素, 这 4 个外形设计
294
图5
Nose Top Channel
中国科学: 技术科学
2011 年
第 41 卷
第3期
图6
优整体设计流程
2
2.1
计算方法
ASD 技术
ASD 方法要求首先在感兴趣的网格部位建立控
4) 根据约束函数值和分级结果计算各点的约束 罚项、劣解罚项及总罚项; 5) 根据各点的总罚项计算适应度; 6) 根据各点的适应性 , 进行选择、交叉和变异 操作, 生成新群体; 7) 将总罚项为 0 的点放入非劣解集候选表, 对 候选表进行检查, 保留第一级非劣点, 删除其他点; 8) 检查是否收敛, 如没有转到步骤 2; 9) 删除候选表中与其他点距离太近的点; 10) 输出候选表中的 Pareto 最优解集及对应的 目标函数值; 11) 决策人根据个人偏好从 Pareto 最优解集中 挑选出最适合该问题的解. 而 MOGA-II 算法相对于传统算法引入一个多向 搜索优选算子 . 该算子在保证父代的优化解的同时 更高效地搜索全局最优解. 步骤 6 是优化算法的关键, 在求解时各个量分别取值为: 整体迭代 6 代, 交叉率 设定为 0.5, 选择率设定为 0.05, 变异率设定为 0.1.
关键词 气动外形 头型优化 任意网格变形 响应面分析 Kriging 算法
高速铁路的发展对我国国民经济发展和社会进 步起着至关重要的作用 . 国际上以日本和欧洲为代 表的发达国家在高速铁路领域已经进行了大量的科 学研究, 积累了丰富的知识和经验, 在这些工作的基 础上不断开发出新型的高速列车 , 且速度越来越快 . 高速列车运行时的安全性、舒适性、低能耗以及对周 围环境影响等都和高速列车的空气动力学性能紧密 联系在一起. 列车的空气动力性能与列车外形有着密 切的关系, 外形的流线型直接影响着列车空气动力性 能[1~3]. 头、尾车的阻力系数、升 g 力系数的绝对值深 受流线型头部的影响. 而头车、尾车的阻力系数越小, 同样编组情况下的列车总阻力就越小 , 能耗也越少 . 总之, 应尽量使得列车的空气阻力变小. 新型高速列 车的研发必须按照这一原则来进行气动力外形优化. 现代工程设计对象要求优化的因素是多方面的 , 经常又是彼此矛盾的[4]; 而优化又必须在诸多现实可 行的条件, 如体积不得大于 X、重量不得超过 Y 等的 约束下进行 . 这样一类数学问题必然需要分解成比
英文版发表信息:
Sun Z X, Song J J, An Y R. Optimization of the head shape of the CRH3 high speed train. Sci China Tech Sci, 2010, 53: 33563364, doi: 10.1007/s11431-010-4163-5
中国科学: 技术科学
2011 年
第 41 卷
第3期
从本质上讲上述方法属于优选方法 , 且过多地 依赖于工程经验 . 即使计算了许多工况并找到了一 些规律 , 但这些规律也只是单个设计变量与优化目 标之间的规律 , 并不能得到多个设计变量与优化目 标的非线性关系 . 为了摆脱这一方法的局限性而得 到真正的最优化外形设计, 必须采用直接优化方法. 直接优化设计方法是在满足一定约束的条件下 , 用数学方法对某些设计目标寻求尽可能最大或最小 (如翼型升阻比的最大化、机车阻力的最小化等 ), 从 而将外形设计问题转化为一个约束优化数学问题 . 根据优化算法的不同 , 直接优化设计方法可以概括 为局部方法和全局方法两类 . 梯度法为局部方法的 代表 [5,6], 它是采用目标函数的梯度作为方向的一种 搜索算法 , 但这种方法只能够保证得到一个局部最 优解. 全局方法的优点是可能得到全局最优解, 不受 计算目标对设计变量灵敏度的限制 . 但这类方法属 于随机搜索方法, 需要多次进行几何变形、网格重构 和流场计算, 因此计算效率相对较低[7]. 通常情况下流场的优化受到计算条件的制约 , 难以应用于实际工程问题 . 而高速列车头型优化问 题是一种三维流场变几何优化问题 , 在采用全局算 法优化时计算效率较低 . 本文利用各类可解‘子问题’ 的现成软件加以组织结合而实现了全局优化的设计 方法. 它概念清晰、操作简易、效率较高, 克服了几 何变形和网格重构带来的困难 , 并可以在设计空间 中搜索到全局最优解.
1
优化思路
流场中的三维几何优化主要存在 3 个挑战: 1) 反 复求解 NS 方程的效率; 2) 数学上准确描述任意三维 几何模型的能力 ; 3) 在几何变形后保持或者获得新 的流场合适网格的能力. 针对第一点, 为了提高 CFD 计算的效率, 应该保证每次求解 NS 方程时给定一个 比较合理的初始值, 以减少计算迭代的步数, 使计算 更快地收敛; 为了实现第二点, 人们寻找一个通用的 方法 , 先将原始几何参数化 [8]. 对第 3 个挑战 , 有两 种不同的方法来完成 . 第一种方法就是在每次几何 变形后重构网格 . 这对大多数工程问题来说基本上 不现实 , 因为它取决于相应的网格自动生成是否可 行 , 但后者的研究在目前看来远远没有达到成熟的 地步 . 第二种方法就是在优化过程中当几何变形的
较单纯的小型数学问题 , 并加以组合以达到最后目 标 . 计算这类具有不同约束的数学问题必须要对各 个子问题的组织和协调进行深入研究. 因而, 对于这 样的问题必须以‘系统工程’的角度来审视, 来优化. 国内外研究高速列车外形优化主要有两类方法 : 实验方法和数值模拟方法 . 实验方法以风洞实验为 主, 其他还有水洞实验方法、电模拟实验方法、实车 实验方法等. 目前, 国内外主要还是采用实验研究方 法. 随着计算机技术的飞速发展, 数值模拟已成为可 能: 实验研究存在着的耗资大、费时较多, 由实验设 备引起的误差等诸多问题 , 在数值模拟中都可以克 服 . 在短时间内 , 耗资很低的情况下 , 可以对大量工 况进行计算分析 . 当前一般的数值模拟研究程序是 : 先对几种特定工况进行实验分析 , 根据实验结果来 检验计算方法和计算程序的正确性 , 然后利用数值 模拟进行大量工况计算 , 对计算结果进行有效分析 , 找出规律 . 最后再从中选定几个方案进行风洞实验 , 与计算结果进行比较分析, 得出一般性的结论.
293
孙振旭等: CRH3 型高速列车气动头型优化计算
图1
Base Line
图3
Nose Height
图2
Nose Forward
图4
Nose Thickness
参数又受到一定的约束, 即需要限定它们的变化范围. 为 CRH3 型高速列车基础头型及各个变量发生较大变 化后的头型. 为了能够捕捉优化目标与设计变量之间的非线 性关系, 首先需要在设计空间中生成初始实验设计点, 优化以这些初始设计点为基础进行寻优. 初始设计点 分布非常重要, 如果分布比较合理的话, 它可以非常 好的表达设计空间信息并简化优化计算步数. 本文采 用了 Sobol 方法[10,11], 这是一种伪随机算法, 相对于随 机算法其生成的初始设计点在设计空间中分布更加均 匀. 优化算法采用了 MOGA-II 算法, 该算法继承了遗 传算法的随机性和并行性. 为了提高计算精度, 在优化 计算完毕后, 基于现有计算设计点进行响应面分析[12], 对设计空间函数关系进行了拟合, 以获得最优解. 整体设计流程如图 6 所示.