高速列车转向架空气阻力的数值模拟

图 1 列车计算模型 Fig. 1 Comput ati on m odel of t rain
图 3 不同车底外形 Fig. 3 Dif feren t sh apes of t rain bot t om
图 2 转向架计算模型 Fig. 2 Comput at ion m odel of bogie
ZH ENG Xun- hao, ZH ANG J-i ye, ZH ANG We-i hua
( T raction Pow er State K ey L abor ator y, So uthw est Jiaotong U niversity, Chengdu 610031, Sichuan, China)
( 8)
Lt =
QCL
k2 E
( 9)
PG = 2
5u 5x
2
+
5v 5y
2
+
5w 5z
2
+
5u 5y
+
5v 5x
2
+
wenku.baidu.com
5 5
u z
+
5w 5x
2
+
5v 5z
+
5w 5y
2
( 10)
u = ui + vj + wk
( 11)
式中: u、v 、w 为流体在 x 、y 、z 坐标方向上的分量;
p 、Q、L分别为流体 的压力、密度和 动力粘性 系数;
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
( 1)
动量方程为
div( Quu)
=-
5p 5x
+
div [ Lgrad( u) ] +
SMx
( 2)
div( Qvu)
=-
5p 5y
+
div[ Lg rad( v) ] +
SM y
( 3)
div( Qw u) = -
5p 5z
+
div[ Lgr ad( w ) ] +
SMz
( 4)
能量方程为
div( Qeu) = - p div( u) + div[ Jgrad( T ) ] + Sr ( 5) 气体状态方程为
郑循皓, 张继业, 张卫华
( 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室, 四川 成都 610031)
摘 要: 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-E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
Abstract: T o st udy t he aer ody namic drag pr opert ies of high- speed tr ain bog ies, an aero dynamics model of t rain w as built. Based on 3D steady compressible N- S equat ion and t urbulent m odel of k-E t wo equations, t he aero dynamics properties of high- speed tr ain running at 400 km # h- 1 w ere numerically sim ulat ed by using finite v olume met hod. T he influence of t rain bot t om shapes on bo gieps aerodynam ic drag w as analyzed. Analy sis result show s t hat the flow f ield st ruct ur e of bo gie region is very com plex . Vo rt ices emerg e on bo th the f orw ard and backw ard bogies. T he aerodynamic drag s of bo gies are dif f erent. Under cro ssw ind- free condition, the aerody namic dr ag of t he first bogie is mo re t han 4 t imes of t he fo urt h bo gie. T he aerodynam ic drag of bo gie t akes up m ore t han 20% of w hole t rain aer ody namic drag, and it is more t han 40% under cr ossw ind. T he max imum dif f erences of bog ie aer ody namic drags are m ore t han 30% due t o the diff erent shapes of t rain bo tt om . T he aero dynamic drag s o f bog ies and w hole t rain reduce due t o chang ing tr ain bot t om shape appro priat ely . 2 t abs, 10 figs, 16 ref s. Key words: high- speed train; bogie; finit e volume met hod; aerodynamic drag; t rain aerodynamics; f low field st ruct ure Author resumes: ZHENG Xun- hao( 1986- ) , male, doctoral student, + 86- 28- 86466040, 13541327665@ 163. com; ZH AN G J-i y e ( 1965- ) , male, prof essor, PhD, + 86- 28- 86466040, jyzhang @ ho me. sw jt u. edu. cn.
1 数值模拟计算
1. 1 数学模型 当转向架运行速度为 400 km # h- 1 时, 对应的马
赫数为 01 327, 大 于 01 3, 此时应考虑空气的可压缩 性。本文采用有限体积法求解三维瞬态可压缩的 NS 方程和 k-E两方程湍流模型, 获得转向架的气动力。
连续性方程为
55Qt + div( Qu) = 0
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。
关键词: 高速列车; 转向架; 有限体积法; 空气阻力; 列车空气动力学; 流场结构
中图分类号: U 270. 11
文献标志码: A
Numerical simulation of aerodynamic drag for high-speed train bogie
第 11 卷 第 2 期 2011 年 4 月
交通运输工程学报
Journal of T raffic and T ransport ation Engineering
Vol1 11 No1 2 Apr. 2011
文章编号: 1671-1637( 2011) 02-0045- 07
高速列车转向架空气阻力的数值模拟
时间; R 为气体常数; cV 为定容比热容。将 k-E模型
方程与前述时均方程联立就构成了求解湍流流场的
封闭方程组。
第2期
郑循皓, 等: 高速列车转向架空气阻力的数值模拟
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1. 2 计算模型 本文以高速列车为研究对象, 由于列车中间横
截面的形状变化不大, 气动力的变化在中部趋于稳 定[ 3, 7] , 因此, 采用 3 节车编组, 即头车+ 中间车+ 尾 车, 全长 761 4 m , 共 6 个转向架。由头车一位端转 向架依次往后到尾车一位端转向架, 分别命名为转 向架 1、2、3、4、5、6( 图 1) 。图 1、2 分别为本文所建 立的列车计算模型和转向架计算模型。
p = QR T ( 6)
e = cV T 湍动能方程和湍动能耗散率方程分别为
Q55kt + div ( Qk u) = div
L+
Lt Rk
g rad( k)
-
QE+ LtP G
( 7)
Q55Et + div( QEu) = div
L+
Lt RE
g rad( E)
+
LtC 1
kEP G -
QC2
E2 k
收稿日期: 2010-12-18 基金项目: 国家 863 计划项目( 2009A A 110303) ; 国家自然科学基金项目( 50823004, 50821063) 作者简介: 郑循皓( 1986- ) , 男, 四川成都人, 西南交通大学工学博士研究生, 从事列车空气动力学研究。 导师简介: 张继业( 1965- ) , 男, 四川夹江人, 西南交通大学教授, 工学博士。
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交 通运 输 工 程 学 报
2011 年
0引言
随着列车运行速度的不断提高, 带来了许多空 气动力学问题, 如空气阻力、会车冲击波、隧道压力 波、侧风安全等[ 1-7] 。高速列车的气动阻力与运行速 度的平方成正比, 随着列车运行速度的不断提高, 高 速列车阻力急剧增加, 低速运行时, 列车阻力中空气 阻力所占比例极小, 但当速度达到 200 km # h- 1 和 300 km # h- 1 时, 所 占比 例将 分别 上升 到 70% 和 85% 左右。降低行驶阻力, 对高速列车的发展有重 要意义, 日本、法国、德国在研发高速列车的过程中, 对测定列车空气阻力的方法及减小空气阻力的措施 进行了大量的研究, 使得相同速度下高速列车的空气 阻力比传统列车减小了 60% 以上[ 8] ; R aghunathan等 研究了 ICE 车底结构对气动阻力的影响, 但只考虑 了对列车整车的影响, 未研究车底结构对转向架本 身的影响, 也未对转向架区域流场进行分析[ 1] ; 田红 旗等对 270 km # h- 1 高速 列车气动性能进行 了分 析, 但未考虑添加导流装置等对列车阻力的影响, 也 未单独考虑对转向架本身的影响[ 9] ; 杨志刚等通过 分析国外某型号高速列车转向架及周边裙板对整车 气动性能的影响, 表明在车底安装裙板有利于减小列 车气动阻力, 在头尾车一位端转向架处安装裙板对列 车气动阻力的降低最有效[ 10] ; Schulte- Werning 通过 ET R500 型列车的风洞试验得出转向架整流装置最 多可以减小列车 20% 的气动阻力[ 11] ; 田红旗等对不 同流线型头部长度的列车进行了三位数值模拟, 得出 了气动阻力与列车头部流线型长度之间的关系[ 12] ; 张经强等利用 CFX 软件对中国首列 200 km # h- 1 客 车进行数值模拟计算, 提出了列车头部外形改进方 案, 以减小列车的运行阻 力[ 13] ; 郗艳 红等对 CRH 3 进行了侧风效应模拟, 分析了转向架对列车运行安 全性的影响[ 6] ; 田红旗对电动客车动车组进行了风 洞试验, 研究 了不同 风环 境下 列车的 空气 阻力 性 能[ 14] ; 梁习锋等 对电动客 车动车 组进行 了现场 试 验[ 15] ; 万晓艳等对200 km # h- 1 动车组进行了现场 试验, 研究了列车进隧道的空气动力学性能[ 16] 。风 洞试验和现场测试对列车的流场结构研究较困难, 故以上研究均没有对列车流场结构进行分析。本文 以动车转向架为研究对象, 基于粘性流体力学理论, 用三维可压粘性流模型对转向架及高速列车周围流 场进行了数值模拟, 分析底部结构对转向架气动力 及转向架区域流场结构的影响。
Rk 、RE、C1 、C2 、CL 为经验常数, 其取值 见文献 [ 3] ; e
为流体 内能; J 为 导热 系 数; T 为流 体 温 度; S Mx 、
SM y 、S Mz 为 x 、y 、z 方向上的流体源; S r 为热源; Lt 为
湍流粘性系数; k 为湍流动能; E为湍流耗散率; t 为