对高速列车气动效应数值模拟参数分析

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1、低温建筑技术2016年第2期(总第212期)DOI：10．13905／j．cnki．dwjz．2016．02．031高速列车气动效应数值模拟参数分析郑修凯(铁道第三勘察设计院集团有限公司。天津300142)【摘要】基于计算流体力学软件Fluent，结合k一二方程湍流模型，采用滑移网格技术，对列车周围的三维非定常可压缩流场进行数值模，研究不同参数设置对于数值模拟结果的影响。计算结果表明：求解器采用SIM—PLEC算法，空间离散格式采用二阶迎风，每时间步最大迭代次数采用2O次，时间步大小采用0．005s可以在节省计算时间的前提下

2、提高数值模拟精度。为今后进一步数值模拟研究高速列车气动效应问题提供基础和依据。【关键词】高速列车；列车风压；气动作用；数值模拟【中图分类号】TU312．1【文献标识码】B【文章编号】1001—6864(2016)02—0092—04高速列车快速行驶时，列车会带动周围的空气一div(ka+div(pur)=gradT)+s(2)起运动，产生“列车风”。列车气动效应会对周围环c境产生附加风荷载。高速铁路线邻近结构在进行设质量守恒：计时应考虑列车风引起的气动效应。粤a+a(ⅥJD)=0(3)目前国内外列车风常用研究方法主要分为两类

3、：．k一占方程：第一类为试验方法，第二类为数值模拟计算方法。试验方法分为：在线实车试验法、列车风洞实验法、列车O(pk)+aOx=毒d[L(、+。rr，)aJGk+G。一动模型试验法。进行一次完整在线实车试验需要耗费大量的人力、物力、财力，再加上自然条件千变万p8一yM+Sk(4)化，重复性难以保证，因此实车实验方法采用比较少。+Ox，=毒Ox[Lc、+’rrcgxj卜J随着计算机水平的不断发展，数值模拟方法近年来得到了广泛的应用，数值模拟计算具有适应性强、应用C。T(c+C3,~G)一c}+S(5)面广、分析时间短、费用低

4、等优点，相比较试验方法有优越性，是目前探究列车气动效应的一种常用手段。式中，t为时间；。为笛卡尔坐标(i=1，2，3)；p是国内外学者对于列车风的形成机理、传播过程的空气密度是速度矢量；、和是速度矢在、研究比较完善，但对于参数设置对数值模拟影响的研和z方向的分量；为湍动能；s为湍流耗散系数。究还有待进一步的完善。高速列车引起的周围空气(2)列车模型。列车外形参考CRH380型号，流动是一种十分复杂的非定常、湍流流动，数值模拟见．图1。结果受许多因素的影响。本文结合我国高速列车实际情况，基于计算流体力学软件Fluent，采用三

5、维、非定常、可压缩k一8二方程湍流模型，分别探讨求解器、空间离散格式、时间步大小、每时间步最大迭代次数等参数设置对数值模拟结果的影响，为今后进一步数值模拟研究高速列车气动效应问题提供基础和依据。1数值计算图1CRH3g0动车组外貌(1)控制方程。高速列车引起的周围空气流动高速列车外表十分复杂且长细比很大，数值模拟时受质量守恒、动量守恒、能量守恒定律的控制，除此之为控制计算模型、提高计算速度需对真实列车模型作一外还要满足附加湍流输运方程。基本控制方程些简化。计算模型列车由车头、车身和车尾组成。国内如下：外学者研究表明列车车身对

6、周围环境的影响很小，因此动量守恒：车头、车尾长度参考实际列车，车身长度缩减列车模型警+()一(1)如图2所示。列车模型参数、计算域尺寸、网格划分、边界条件等参数设置详见文献[3]～[10]。能量守恒：郑修凯：高速列车气动效应数值模拟参数分析93两者数值模拟结果较SIMPLE算法更接近于实测风压，但PISO算法需要更长的计算时间。图2CRH380动车组模型2数值模拟方法验证通过对数值模拟结果与实测数据的对比来验证数值模拟方法。图3是同一位置处实测风压与数值模拟风压时程的对比图，从图3可以看出两者风压极值大小相同、风压时程变化规

7、律相同，验证了数值模拟方法的可靠性，为下文参数分析奠定了基础。8．o8．59．o9．5lO．olO．5高度，m100(a)车速250km·h50。兽一50—100O246810∞d，幽匿Bdi_区时间，s图3实测加风压与m数值模∞拟结果∞对比图∞3数值模拟参数分析本节以列车车速250、300km／h数值模拟结果为高度『m例，在正线上方沿高度方向布置测点，将数值模拟结(b)车速300kin·h-’果与实测数据对比，分别研究求解器、空间离散格式、时间步大小、每时间步最大迭代次数等参数设置对数图4不同求解器数值模拟结果值模拟结果的

8、影响。(1)求解器。求解器分为分离式求解器和耦合(2)空间离散格式。数值模拟时对流项的空间式求解器，分离式求解器又分为SIMPLE、SIMPLEC、离散格式分为一阶迎风格式和二阶迎风格式，一阶离PISO等。SIMPLE算法通过压力修正方程进行压力和散格式由于其截断误差小于二阶而容易引起假扩