高速列车车头外形优化

图 14
方案一的车头表面压力分布
参考文献:
［ 1］ BROCKIE N J W ，BARKER C J． The aerodynamic drag of h igh speed train ［ J］ ． J of Wind Engineering and In1990 ， 34 : 2732290． dustria，A eradynamics， ［ 2］ 张经强， 梁习锋． 高速列车外形的气动性能数值计算 和头部外形的改进［J］ ． 计算力学学 报， 2003 ， 20 ( 5 ) : 631635． ［ 3］ 武青海． 列车空气动力学数值仿真 研究［ J］ ． 中国铁 道科学， 2002 ， 23 ( 4 ) : 132135． ［ 4］ 张健． 国外高速列车最佳头尾部形状的 研究［ J］ ． 机车

收稿日期: 20120327 基金项目: 国家科技支撑计划资助项目( 2009BAG12A04 ) ; 铁道部科技计划资助项目( 2011J013E) ; 作者简介: 陈秉智( 1971 － ) ， 男， 教授， 博士后， 主要从事生物力学、 结构优化的研究 E-mail: bingzhi@ djtu． edu． cn．
n m
图3
水平剖面轮廓线
完 成线 框建 模 后， 得到 构 成 曲面的 UV 交 错 网格线如图 4 所示．
P( u， v) =
∑ ∑ W i，j P i，j Ni，k ( u) Nj，l ( v) i =0 j =0
n m
( 9)
∑ ∑ W i，j Ni，k ( u) Nj，l ( v) i =0 j =0
图9
原型车的曲面造型
图6
车头有限元模型
3． 2
基于 Sculptor 的车头曲面驱动 根据列车车头曲面 设 计 要求， 在 保 证 车头 长
度和最大横剖面 长 度 不变， 并 满足 内部 空 间 需 求 的情况下， 利用 Sculptor 软件对车头司机观测窗 处的曲面进行 驱 动， 驱 动优化 后 的 CFD 模型， 可 以实现网格高质量的重构， 并可以直接用 CFD 软
式中， N i， N j， v 方 向 的 B 样条 k ( u) ， l ( v ) 分别 为 u 、 基 函数; k 是指 u 方向 B 样条基的次数; l 代表 v 方 向 B 样条基的次数， W 指权因子序列． u 方 向 的 节
图4 车头 UV 网格交错线
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流体动力学基本方程
流体动力学方 程包括连续 性方 程， 质量守恒
(
)
方程和能量守恒 方 程， 它反映了 流体运动 过程中 这 些 方 程描绘了 流体 所遵循的基本的 物理定律， 速度、 温 度、 压力 等物理量 的 变 化 规 运动 过程中， 律． 本文所 涉 及 的流体 为 不可 压流体， 计算 所 采 用的数学模型是标准 k － ε 湍流模型． 连续性方程
附表 两种方案气动阻力对比表
摩擦阻力 － 164． 8 － 172 － 158． 6
N
总阻力 － 1053 － 1102 － 1038
压差阻力 原模型 方案一 方案二 － 888． 6 － 930． 5 － 879
图 16
方案二的车头表面压力分布
图 12
原型车车头表面压力分布
图 17
方案二的车头对称面上矢量分布
式 中， u i 为动车组周围流场速度; ρ 为空气u j 为流场速; x i 或 x j 为三 个 坐 标; p 指 式中， 压力; δ ij 为克罗内克符号， 当 i = j 时， 当 δ ij = 1 ． 0 ， i ≠ j 时， δ ij = 0 ; μ 表示空气动力粘度． 能量方程 ( ρ T ) + div( ρμT) = div k gradT + S T ( 4 ) t cp 式中， c p 为比热容; T 为温 度; k 为 流体的 传热 系 数; S r 为流体内热源及因粘 性 作 用流体机 械 能 转 换为热的部分， 有时称 S r 为粘性耗散项． 标准 k － ε 模型是在湍 动能 k 方 程 的 基 础上 引入一个关于湍动 耗散率 ε 的方 程， 模型 中 湍 动 耗散率 ε 为:
列车风、 两车 列的空气动力学问题， 如空气阻力、 交会压力波、 隧道气压波、 气动噪 声及 车 辆震 动 等， 这 些 问题 与 列车外形 紧密相联． 大量实验证 列车以时速 250 km / h 运行 时， 其中总 阻力的 明， 70% 多是气动阻力［1-3］． 而列车车头外形的流线化 程度是影响气动阻力的重 要因素． 因此寻求最佳 的车头外形使其 气动性能 最佳， 有 效 降低空气动 力学现象对列车运行 和周围环境造成 的 影响， 是 高速列车气动外形设计中一个重要的研究课 题［4-5］． 本文以 降低列车外形气动阻力 为 目 标， 运 用流体数值仿真软件 Fluent 及 优化软件 Sculptor 对某高速列车车头外形的 更该 方 案 进行数值仿 真， 寻找最优车头模型， 探索一种用于优化列车车 头的新方法， 为今后车头优化提供理论依据．
2
高速列车车头曲面重构
高速列车车头的形状是有多个相互关联的曲
图2
横剖面轮廓线
面有机组成的一 个 整 体， 这 些 曲面 间 的 关 联 特 性 使得一个曲面 变 动会引起 其 他 曲面的 关 联 变 动． 流线型列车车头外形一般采用由基于半个自由落 体液滴形状的三维自由曲面构成［7］． 2． 1 曲面重构方法 曲面重构并 不 是 对 实物 模型的 简单复制， 而 是在满足精度 和 光顺 性 要求 下完 成 曲面的重构． 目前 被 广 泛 采 用 的 是 NURBS ( NonUniform Rational BSpline) 曲面重构方法， 即非 均 匀 有 理 B 样条曲面重构法， 该方法是在 Be'zier 法和 B 样条 法基础上发展起来的． 数学描述:
对于已生成 的交 错网格 线， 按照先 生 成基 面 再生成过渡面的 原则， 得到光滑 的高速列车车头 模型， 如图 5 所示．
件进行计算． 车头驱动模型如 图 7 所 示． 模型 整 个 计算域的控制点布置情况如图 8 所示． 原型车车头 几何造型如图 9 所示． 本文采用图 10、 图 11 所示两 种车头曲面驱动方案如: 一是抬高司机室观测窗曲 面的高度; 二是降的低司机室观测窗曲面高度． 这里选 用的 CFD 模型 仅 对 时 速 为 60m / s 的 列车车头附近流场进行模拟．
通过分析以 上 图 表可 知， 方 案 一 增 大了 列车 阻力， 而方案二通 过 降低司机室观测窗高度降低 了列车的气动阻力， 说 明 采 用 该 方法优化车头外 形是可行的， 为今后 流 线 型列车车头的进一 步 优 化研究提供理论依据．
4
图 13 原型车车头对称面上矢量分布
结论
( 1 ) 本文 利用 NURBS 曲面 造 型方法对列车
高速列车车头外形优化
陈秉智， 翟景娟
( 大连交通大学 交通运输工程学院， 辽宁 大连 116028 ) 摘 要: 针对高速列车气动性能， 探讨一种列车车头外形优化仿真方法， 利用优化软件 Sculptor 对某高
速列车车头司机室观测窗处曲面进行重构， 并运用流体数值仿真软件 Fluent 对重构模型进行数值模拟， 计算结果显示， 降低司机室观测窗处曲面的高度， 有利于降低列车的气动阻力 ． 关键词: 气动性能; 曲面重构; 数值仿真; 优化; Sculptor 文献标识码: A
图 10
方案一的曲面造型
图 11
方案二的曲面造型
3． 3
图7 车头表面曲面驱动模型
计算结果分析 对这两种车头曲面驱动方案主要进行气动阻
第4 期
陈秉智， 等: 高速列车车头外形优化
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力比较， 寻求哪一种方案的气动力学性能较好， 如 附表所示， 下 列 图 12 ～ 图 17 分别 显示 了 各 方 案 的压力分布图与矢量分布图．
图 15
方案一的车头对称面上矢量分布
电传动， 2000 ( 2 ) : 1618．
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第 33 卷
［ 5］ 刘国伟． 流线型结构特征造 型方法 及其 在 高速列车 设 计中 的 应 用［J］ ． 计 算 机 辅 助 设 计 与 图 形 学 学 报， 2005 ， 17 ( 6 ) : 11961201． ［ 6］ CFX 5． 3 Refrence Hand book． A EA Technology Engineering Software ［ M］ ．［ s． l． ］ : Copyright AEA Techology Plc， 1999． ［ 7］ 许平， 田红旗， 姚曙光． 流线型头部结构 设 计方法［ J］ ．
第 33 卷 第 4 期 2012 年 8 月
JOURNAL
大 连 交 通 大 学 学 报 OF DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY
Vol． 33 No． 4 Aug． 2012

文章编号: 1673-9590 ( 2012 ) 04-0016-05
图5
车头几何造型
3
3． 1
高速列车车头外形优化仿真
创建列车车头有限元模型 本文利用 HyperMesh 软件对列车车头 及 计算
图8
控制模型各控制点布置
域进行网格划分， 对车头附近的网格采用放射状划 分， 即靠近头部的网格较密， 有头 部 至远 处 逐渐 变 疏． 图 6 显示了列车车头区域网格划分情况．
曲面外形进行驱动化建模， 达到能按人的意志、 快 捷、 正确地绘制 出 满足 气动性能 要求 的 各 种曲面 造型的目的; ( 2 ) 本文成 功 运用 Sculptor 软件 驱 动高速列 车车头外形曲面， 实现 车头外形曲面的 光顺 性 变 形， 有效改善车头气动阻力， 为今后车头的优化提 供理论基础．
0
引言
目前， 世界铁路趋于高速化， 这必将引起一系 u v w + + = 0 x y z 对于可压缩流体: ρ ( ρu i ) = 0 + t x i 为坐标的三个分量． 动量守恒方程 P ( ρu i ) + ( ρu i u j ) = － + t x j x i u i u j 2 u i u + + δ ij x j 3 x i x j x i ( 2) ( 1)
第4 期
陈秉智， 等: 高速列车车头外形优化
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ε =
μ ρ
u' ( u' x ) ( x )
i j j i
( 5)
点矢量为 U = ［ u1 ， u2 ， …， u n +k +1 ］ ， v 方向节点矢量 为V =［ v1 ， v2 ， …， v m +l +1］ ． 2． 2 车头曲面外形建模 构成列车头部外形曲面的控制型线包括控制 型线与辅助控制 型 线， 这 些 型 线包 含纵断 面 轮廓 线、 横剖面轮廓线和水平 剖 面 轮廓 线［8-10］， 分别 如 图 1 ～ 图 3 所示．
t ε j 2
ε( ε + Sε G k + C3ε G b ) － C2ε ρ k k
( 8)
图1
纵断面最大轮廓线
式中 ， G k 是由于平均速度梯度引起的湍动能 k 从 产生项; G b 是由于浮力作用引起的湍动能 k 的 从 对于不可压流体， G b = 0 ; Y M 代表可压湍 产生项， 流脉动膨胀对总 的 耗散率 的 影响， 对于 不可 压流 体 YM = 0 ． 根 据 Launder 等 的 推 荐 值 及 后 来 的 实 验 验 证， 模型常数的取值分别为［6］: C1ε = 1 ． 44 ， C2ε = 1 ． 92 ， C μ = 0 ． 09 ， σk = 1 ． 0 ， σε = 1 ． 3 ．
湍动粘度 μ t 可表达为: μ t = ρC μ 式中， C μ 为经验常数． 标准 k － ε 模型的输运方程为: ( ) ρk + x ( ρku i ) = x t i j k ε
2
( 6)
[(
μ t k μ + σ k x j
) ]
( 7)
+ G k + G b － ρε － Y M + S k ( ) ρε + x ( ρεu i ) = x t i j + C1ε μ ε [(μ + σ ) x ]