基于STAR—CD软件的高速列车侧风中运行时外部流场研究

赵鹤群 孙佳莹

摘 要：本文采用基于有限体积方法的STAR-CD软件，对侧风环境中高速列车外部流场进行数值模拟研究。通过分析，建立了完整的数学和物理模型，为以后进行高速列车设计改进研究提供了一定的参考价值。

关键词：空气动力；高速列车；数值模拟；侧风稳定性

概述：随着计算机和计算机技术的迅速发展而蓬勃兴起，数值模拟方法为列车空气动力学的研究开辟了新的途径。通过计算机求解相应的数学方程组，研究列车流场的流体运动特性，给出流体运动规律，为列车车身设计等提供科学依据。同试验方法相比，数值模拟具有可预先研究、成本低、不受条件限制、信息丰富、周期短等特点。因此本文采用了数值模拟的方法研究列车空气动力学特性，对高速列车侧风环境下不同车速运行时外部流进行数值模拟研究[1][2]。

一、研究思路与方法

主要包括以下内容：（1）通过Pro/E建立列车模型；（2）并用

ICEMCFD软件划分网格；（3）应用STAR-CD软件数值模拟计

算；（4）进行多工况研究，分析不同温度环境下运行条件的列车外部流场特性。

通过以上研究，可以建立一套完整的、快捷的计算列车外部流场的物理模型和数学模型。首先应用PRO/E建立列车模型，再利用ICEM划分网格，最后应用STAR-CD软件进行数值模拟计算。将计算的结果与风洞试验结果进行对比，来验证数值计算模型和方法的正确性。并使用正确模型进行参数研究、网格独立性研究、不同车速工况下外部流场特性探究。具体实施步骤如图1所示。

图1 具体实施步骤

二、数值计算模型及计算区域

图2 风洞实验使用ATM模型及本文计算使用列车模型

通过Pro/E软件建立ICE2高速列车模型如图2所示。考虑到建立网格的复杂性以及参考文献中使用模型，去除了转向架、受电弓、空调罩等复杂结构，但保留了风挡等对空气动力学影响效果显著的关键部位，为今后进行实车实验对比计算以及诸如地面效应等更深入的列车空气动力学问题的研究打下基础。

高速列车对周围空气的扰动随着离开列车的距离增大而减小。理论上讲，列车对周围空气的影响范围是无穷远的。但由于硬件限制，数值计算区域不可能选取无穷大，因此计算中通常以不影响车体附近的流体流动为限来确定计算区域的边界。参考前人的研究，本文湍流特征尺度L取车宽值0.3m，计算域的边界距车体6倍车宽以上，其中模型侧面为椭圆区域长轴为

17L，短轴为12.5L。计算区域入口距车头6.25L，计算区域出口距车尾30L。计算区域雷诺数Re=1.4×106，速度U取来流速度70m/s，偏航角选取30度，空气运动粘性系数v （20℃）取15×

106m2/s。车体几何尺寸、计算区域及坐标轴方向如图3所示。

图3 计算区域示意图

模型网格划分使用ANSYS ICEM CFD软件，它是生成网格的专用软件，可生成块结构化网格、非结构化网格，以及H型自适应网格。本文建立了结构化网格进行数值计算，如图4所示：

图4 车体周围和横截面网格示意图

三、研究结果分析与讨论

通过上述工作建立的计算模型进行数值模拟计算，处理计算结果，在表1中给出了计算得到的三个方向的升力系数与风洞试验及相关文献数值计算得到结果比对分析状况，对比发现本文计算结果误差值较小，计算结果真实可信。

表1 计算结果与实验文献结果对比

在验证后的计算模型基础上改变列车运行速度，计算得到30°偏航角下的三个方向的升力系数结果如表2所示，分析结果发现，随着车速的提高，各项系数都显著提高，特别是车速超过300 km/h后，提高幅度更加显著。分析原因认为当车速超过300 km/h后，空气变的可压缩，使得列车周围环境更加复杂，阻力呈现非线性增长。

表2 不同偏航角工况气动力系数对比

在验证后的计算模型基础上改变外部温度，计算得到的三个方向的升力系数结果如表2所示：

表3 不同外部温度下计算结果对比

不同外部温度模型外部压力系数云图如图5所示，结果表明不同外部温度计算的结果存在一定差别，30℃时列车背风侧的旋涡结构最为清晰，随着温度的降低，背风侧的旋涡越来越弱，旋涡结构变弱。分析原因发现对于气体，温度降低时气体分子运动减弱，由于气体粘性切应力主要来至于层流分子间分子的动量交换，所以粘性降低，导致流体的湍流强度变化，背部涡流变弱。

图5 30℃、20℃和-20℃三种模型压力系数云图对比

四、结论与展望

本文基于CFD技术，以ICE2高速列车实验模型为基础，建立数值模拟模型，进行侧风条件下列车外部流场数值模拟研究。计算结果与实验结果进行对比，验证了本文研究方法可行，数值模拟结果可信。

确定结构化最为合理的网格系统后，首先进行不同车速下列车外部流场计算，结果表明随着车速的提高，阻力、升力、侧向力系数都显著提高，特别是车速超过300 km/h后，提高幅度更加明显。

针对东北低温气候条件下列车外部流场特征进行研究，计算结果表明，高速列车在侧风环境下对温度反应十分敏感，随着温度的变化，各项空气动力发生显著变化，侧向力和升浮力随着温度变化显著，列车发生脱轨、翻车的危险性增大。

五、对未来研究的建议

（1）对带有转向架、受电弓等零部件的真实列车模型进行数值模拟。（2）本文只使用了高雷诺数模型进行研究，建议今后采用大涡模拟的方法对列车外部流场进行数值模拟研究，可以求得更加真实精确地外部流场。

参考文献：

[1] 中华人民共和国铁道部网站：http：//www.china-mor.gov.cn

[2] 李佳圣.列车侧风效应的数值模拟研究[D].成都，西南交通大学，2004.