AcuSolve在高速铁路车辆空气动力学中的应用

摘要：本文通过Altair公司的前处理器HyperMesh及CFD求解器AcuSolve，对新型时速250公里动车组明线运行的工况进行了计算流体力学仿真研究，模拟分析了平直轨道无风行驶、受垂直于行车方向侧风行驶以及列车交会等数种工况，计算所得压力分布也为车辆结构设计提供了空气动力学载荷。
关键词：AcuSolve 铁路车辆 空气动力学 侧风 列车交会 计算流体力学

1 概述

随着中国高速铁路车辆的快速发展，列车行驶速度不断提高，空气动力学问题成为了影响车辆行驶速度、行驶能耗、乘坐舒适度等多个设计需求的重要因素，同时列车空气动学载荷也是列车结构设计的重要载荷。因此在新一代时速250公里动车组的概念设计中，空气动力学设计占据了重要的地位。本文主要是利用Altair公司提供的AcuSolve流体求解器在设计阶段研究分析新一代时速250公里动车组的车辆在明线运行，包括平直轨道无风行驶、受垂直于行车方向侧风行驶以及列车交会三种工况下产生的空气动力学特性，为结构设计提供有效的压力载荷以及相关设计参数。

2 计算模型

2.1 平直轨道无风行驶

为提高计算效率，计算模型采用头车－拖车－尾车组成的三车编组模型的进行计算，模型忽略局部细节。计算模型网格通过HyperMesh建立。模型如图 1所示

流体计算模型由AcuSolve建立，采用稳态计算。考虑车辆行驶速度250公里每小时，速度较低，空气密度变化对空气流动可以忽略，因此采用不可压缩流方程。对于不可压缩流，能量方程与连续方程及运动方程不耦合，且研究目标不关心温度，因此模型中不加入能量方程。湍流模型采用Spalart-Allmaras 一方程模型。模型在入口处采用与行驶速度数值相等方向相反的速度边界，出口采用压力边界，空气体上方与远离车辆侧面为滑动边界，地面采用有速度的固壁边界，速度与行驶速度数值相等方向相反。

2.2 受垂直于行车方向侧风行驶

车辆在平直轨道上以250公里每小时速度行驶，受到垂直于车辆行驶方向的侧风，风速25m/s 。

采用三车编组模型，模型与无风行驶基本相同，只是列车模型周边的空气模型采用更大的尺寸，模型如图 1所示。同时将车辆前方与侧风来流方向一侧的面都作为进口，进口采用车辆行驶速度反向风与侧风的合成速度作为边界，侧风吹向方向与车辆后端的边界面作为压力出口边界。

2.3 列车交会

两列相同的三车编组列车同速度相向行驶，速度为250公里每小时，轨道中心线间距为5米，无环境风。

计算模型采用瞬态计算方法，利用AcuSolve的网格滑移技术，使每列车附近网格通过前后网格的拉伸和压缩进行移动，而变量在滑移网格与固定网格界面上进行数据传递，模型如图 2所示。同时由于两列车相对行驶，相对速度为500公里每小时，速度较高，需要考虑空气的压缩效应，因而在流体计算模型中使用加入能量方程及理想气体状态方程。

图 1 平直轨道无风行驶模型（左）平直轨道侧风行驶模型

图 2 平直轨道无侧风时列车交会模型

3 结果与分析

3.1 平直轨道无风及侧风（横向25m/s）工况

此工况下压力分布云图如图 3及图 4所示，结果显示在明线平稳运行工况，列车所受最大正压为4104Pa，最大负压为5560Pa。

图 3 平直轨道无风行驶压力分布云图

图 4 平直轨道侧风行驶压力分布云图

3.2 明线会车工况

此工况下，车辆平直段侧壁上两个测点的压力－时间曲线如表格 1所示，车头鼻端测点压力—时间曲线如表格 2所示。取会车压力波曲线峰峰值为压力波的压力值，结果显示头波压力值大于尾波压力值，在等速会车情况下，车辆中段压力波值约为1100Pa。图 5为会车时在列车平直段产生的压力分布云图。

图 5 某一时间会车瞬间压力分布云图

表格 1车辆平直段侧面两测点压力－时间曲线

表格 2 车头鼻端测点压力－时间曲线

4. 结论

Altair流体模块AcuSolve提供了不可压及弱可压的流体计算模型，可以有效的模拟车辆行驶的稳态及瞬态计算。且由于AcuSolve是一款基于Galerkin/Least-Squares的有限元方法求解器，流体计算的前处理更为快捷，极大的减少了流体计算网格调整时间，从而减少了人工成本，提高了效率。计算及分析结果显示列车明线运行时，平衡运行状态时，最大正压为4104Pa，最大负压为5560Pa，会车压力波为1100Pa。

5. 参考文献
[1] 田红旗著《列车空气动力学》中国铁道出版社2007
[2] Anderson J D , COMPUTATIonAL FLUID DYNAMIC The base with Application, McGraw-Hill College, 1995