高速磁悬浮列车通信天线罩流固耦合数值模拟

张强 俞利国 包宽

摘  要：为了获得高速工况下车载天线罩的气动特性和罩体结构强度，建立了天线罩外流场仿真模型，得到了天线罩外流场的气动特性。进一步提取天线罩外表面气动压力，进行天线罩结构强度分析。流固耦合仿真结果表明，天线罩最大等效应力远小于罩体材料的屈服强度。计算结果可作为天线罩气动外形和结构强度设计的参考依据。

关键词：磁悬浮列车;天线罩;气动特性;流固耦合

中图分类号：TN823     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）16-00153-03

Abstract：In order to obtain the aerodynamic characteristics and structure strength of radome at a high speed，the simulation model of the flow filed of radome is established and the aerodynamic characteristics are obtained. The aerodynamic pressure on radome outer surface is further extracted and the strength of the radome strength is analyzed. The simulation results of fluid-structure coupling show that the maximum equivalent stress of radome is much less than the yield strength of radome material. The results can be as a reference for the design of aerodynamic shape and structure strength of radome.

Keywords：maglev train;radome;aerodynamic characteristics;fluid-solid coupling

0  引  言

磁悬浮列车在高速运行时，其涉及的列车空气动力学问题愈加突出。有学者对TR型磁浮列车的气动特性进行了数值计算研究[1]，指出高速时气动阻力和升力的大小与列车运行速度的平方呈近似的正比关系。文献[2]采用定常RANS方法研究了地面效应影响下高速列车气动力变化规律。以上文献仅针对磁浮整车的气动特性做了研究。

天线罩是为保护天线免受恶劣自然环境影响的外壳，是通信系统的重要组成部分，是使天线系统不受高速运行造成的恶劣气动环境影响、正常进行信号传输的重要保障。应用在高速磁悬浮列车上的天线罩装置安装于车头和车位顶部，天线罩内置毫米波通信天线系统，罩体由玻璃纤维增强树脂材料制作。玻璃纤维具有成本低、强度好、适应范围广、介电损耗小等优良特性，是被广泛使用的复合透波材料的增强材料。磁悬浮列车车地通信天线罩作為毫米波通信前端的保护罩，除了应满足优良的透波性能外，还要求具备良好的气动外形和足够的刚度、强度[3]。本文将磁浮列车车载天线罩作为研究对象，重点考察其气动特性以及结构强度问题。

考虑到列车空气动力学的因素，车载天线罩呈现流线型造型。为了获得高速下磁浮列车车载通信天线罩的气动特性和罩体结构强度，建立了天线罩数值模型，采用CFD方法进行流场数值计算，得到天线罩气动特性。进一步进行流固耦合分析，得到了天线罩结构应力分布。这对天线罩外形设计和结构强度校核有工程指导意义。

1  数学模型

1.1  控制方程

1.2  几何模型

由于天线罩处于高速运行的工况，为了减小其在空气中的运行阻力，天线罩外形设计为流线型造型。流线型罩体一是可以增加工业设计的美观度，二是可以显著减小气流在表面的分离情况，进而减小或者避免旋涡的形成，从而达到减小阻力的目的。

考虑到磁悬浮列车在实际运行时会双向行驶，因此天线罩为前后对称结构。天线罩物理模型采用玻璃纤维复合材质加工，罩壁厚度由罩内天线工作频率决定[4]，为了保证电磁波最大通透率的电性能要求，一般采用介质半波长作为壁厚。同时为了增强天线罩的刚度和强度，在罩体内部前后端及侧壁处设计了加强肋板结构。

在仿真计算时，考虑到仿真的经济性和计算效率，天线罩几何模型采用简化模式，对于气动外形和结构强度影响较小的圆角和螺钉孔予以简化。

1.3  计算模型

综合考虑计算精度、计算效率、计算资源等因素，在划分网格之前，需要考虑采取合适的网格划分方法。由于天线罩为非规则几何体，属于相对复杂的模型，因此采用混合网格模式划分。划分网格完毕后需要检查网格质量，之后进行网格无关性计算，以确认网格划分对模型的仿真结果影响微乎其微。

由于天线罩为对称模型，取其宽度方向二分之一模型划分网格。天线罩底面以上加载10倍长度的圆柱体计算域，流场计算网格采用混合网格划分。天线罩近壁区采用边界层结构化网格，边界层数设置为10层，这对近壁区计算精度有很大的帮助，远壁区采用非结构化网格，并且确保相邻网格衔接平滑，高质量的网格可有效加速计算收敛和提高计算精度。最终利用多面体网格划分模型，网格结果显示生成高质量网格的同时有效降低了网格数量。

1.4  模型选择与边界条件

高速磁悬浮列车运行时速为600Km/h，其马赫数约为0.5，空气密度的变化对天线罩流场的影响不可忽略，必须考虑流体的压缩效应。因此，其控制方程为三维可压缩雷诺平均N-S方程，空气按有粘性的可压缩流处理。空气密度基于理想气体，选择Sutherland粘度公式。根据天线罩的流场条件，选择基于密度的隐式耦合求解器，采用SSTk-ω湍流模型，它由标准的k-ε双方程模型变形而来的混合模式，使得在近壁自由流中应用k-ω模型，而在远壁区继续使用原始的k-ε模型，这对边界层流动和分离流动均有较好的模拟精度。动量和湍流动能以及湍流耗散率均采用二阶离散迎风格式。

模型计算时取自由来流条件为初始流场，罩体壁面边界条件设置为无滑移绝热固壁，底部壁面设置为移动壁面，其速度取为列车正向来流速度。天线罩外边界条件设置为压力远场，模型的剖切面设置为对称边界。

2  仿真结果分析

2.1  天线罩外流场分析

针对600Km/h运行工况，仿真得到如图1所示天线罩速度矢量图。可以看出沿列车来流方向，气流由于受到了天线罩面的阻碍作用，速度场发生了明显的变化。天线罩前部和尾部气流速度较小，而顶部气流速度最大。气流首先受到天线罩前部的阻挡作用，一部分向上沿顶部流动，一部分沿天线罩两侧面向尾部流动。当气流流经顶部向尾部流动时，气流发生分离并在尾部产生旋涡区。结合如图2所示的天线罩压力分布图，可知天线罩前部和尾部出现正压区，且前部正压大于尾部。顶部及两侧面呈现负压区，且前部、尾部与顶部连接过渡区呈现较大的负压。

2.2  结构强度及形变

通过加载静力学仿真环境，将流场分析所得压力数值传递至结构场，实现单向流固耦合分析，得到了天线罩结构等效应力和形变结果，分别如图3、图4所示。结果显示，在高速气流下，天线罩最大等效应力为9.7MPa，发生在天线罩侧壁与根部结合处。天线罩最大形变量为0.54mm，最大形变位置位于天线罩侧壁中部，形变呈现向外鼓出状态，与流场分析中罩体呈现的负压区状态一致。

3  结  论

（1）以高速磁悬浮列车车载通信天线罩为研究对象，建立了天线罩几何模型及仿真计算模型。采用RANS方法进行了流场数值计算，得到了天线罩气动特性。通过流固耦合分析，实现了天线罩结构强度校核计算。

（2）气动特性数值仿真结果显示，天线罩前端及尾部气流速度明显减小，呈现正压区;顶部及侧壁气流速度较大，呈现负压区。

（3）通过单向流固耦合，得到天线罩结构等效应力分布及形变结果。最大等效应力为9.7MPa，最大形变量0.54mm，呈侧壁鼓出状态。最大等效应力远小于天线罩材料屈服强度，满足设计要求。计算结果可作为天线罩气动外形和结构强度设计的参考依据。

参考文献：

[1] 毕海权，雷波，张卫华.TR型磁浮列车气动力特性数值计算研究 [J].铁道学报，2004（14）：51-54.

[2] 孙振旭，郭迪龙，姚远，等.高速列车地面效应数值模拟研究 [J].计算物理，2013，30（1）：61-69.

[3] 李欢，刘钧，肖加余，等.雷達天线罩技术及其电性能研究综述 [J].材料导报，2012，26（15）：48-52.

[4] 裴晓园，陈利，李嘉禄，等.天线罩材料的研究进展 [J].纺织学报，2016，37（12）：153-159.

作者简介：张强（1986.08-），男，汉族，江苏泗洪人，工程师，硕士，研究方向：电子设备结构设计及其仿真。