劉濤，劉鳳華，余以正，姜旭東，王云霄

(中國北車集團(tuán) 長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130000)*

0 引言

計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)是一種由計(jì)算機(jī)模擬流體流動(dòng)、傳熱及相關(guān)傳遞現(xiàn)象的系統(tǒng)分析方法和工具.近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)值模擬方法的快速發(fā)展，CFD技術(shù)以其快速、經(jīng)濟(jì)、高效等特有的優(yōu)勢(shì)已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)工程科學(xué)領(lǐng)域，并逐漸成為工程設(shè)計(jì)人員用于分析和解決問題強(qiáng)有力的工具.

隨著我國高速鐵路行業(yè)的快速發(fā)展，列車的空氣動(dòng)力特性越來越受到廣泛的關(guān)注.它不僅關(guān)系到列車牽引效率，而且還影響旅客乘坐舒適性和列車運(yùn)行安全性.特別是自CRH5與CRH3型動(dòng)車組上線運(yùn)營以來，國內(nèi)眾多科研院所和高校在列車空氣動(dòng)力學(xué)方面做了大量工作［1］，研究其周圍流場特性.

列車的空氣動(dòng)力學(xué)性能與列車外形有著密切的關(guān)系，其外形的流線型程度直接影響整列車的空氣動(dòng)力性能［2］.頭、尾車的阻力系數(shù)、升力系數(shù)的絕對(duì)值深受流線型頭部的影響，頭車、尾車的阻力系數(shù)越小，同樣編組情況下的列車總阻力就越小，能耗也越少.因此，如何在造型階段控制整車阻力系數(shù)是整車氣動(dòng)性能研發(fā)工作中的重中之重.

國內(nèi)外對(duì)高速列車空氣動(dòng)力學(xué)的研究主要有兩種方法:一種是以風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)為主的實(shí)驗(yàn)法，另一種是利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬.傳統(tǒng)的列車空氣動(dòng)力學(xué)研究是在風(fēng)洞中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，存在著研發(fā)周期長、費(fèi)用昂貴等問題.另外，在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)時(shí)，只能在有限個(gè)截面和其上有限個(gè)點(diǎn)處測得速度、壓力和溫度值，而不可能獲得整車流場中任意點(diǎn)的詳細(xì)信息.隨著CFD技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是CFD商業(yè)化軟件的推出，列車外流場的計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真由于其具有可再現(xiàn)性、周期短以及低成本等優(yōu)越性而成為研究列車空氣動(dòng)力學(xué)性能的另一種有效方法.應(yīng)用STAR-CCM+軟件對(duì)某高速車體外流場進(jìn)行三維模擬計(jì)算，不僅可以為指導(dǎo)設(shè)計(jì)以獲得良好的列車外形造型提供依據(jù)，而且可以為后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析提供必需的壓力數(shù)據(jù)［3］.

1 模型建立

1.1 基本理論

研究高速列車的空氣動(dòng)力特性，其實(shí)質(zhì)是研究流體流動(dòng)的問題.流體運(yùn)動(dòng)是最復(fù)雜的物理行為之一，與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中應(yīng)力分析等問題相比，其建模與數(shù)值模擬要困難很多.控制所有流體流動(dòng)的基本定律是:質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律.由它們可以分別導(dǎo)出連續(xù)性方程、動(dòng)量方程(又稱納維爾-斯托克斯方程)和能量方程.由它們聯(lián)立得到納維爾-斯托克斯方程組，簡稱N-S方程組，N-S方程組是流體流動(dòng)所需遵守的普遍規(guī)律.一般情況下，列車的運(yùn)行速度與飛機(jī)相比較低(Ma＜0.3)，空氣密度的變化對(duì)流動(dòng)的影響可以略去不計(jì)，此時(shí)，可以采用不可壓縮流動(dòng)假設(shè)，其控制方程組為［4］:

式中，ui為列車周圍流場速度，分別代表u、v、w三個(gè)坐標(biāo)方向的速度分量;xi為坐標(biāo)的三分量，分別代表x、y、z三個(gè)方向坐標(biāo);ρ為空氣密度.

求解偏微分方程的數(shù)值方法主要分為有限差分法、有限元法及有限體積法3種.STAR-CCM+使用的是有限體積法，它是近年發(fā)展非常迅速的一種離散化方法，其特點(diǎn)是計(jì)算效率高.其基本思路是:利用計(jì)算網(wǎng)格把流動(dòng)區(qū)域劃分為離散的控制體積，將待解的控制方程對(duì)每一個(gè)控制體積分，形成諸如速度、壓力、溫度等未知離散變量的代數(shù)方程，然后把離散的非線性方程組線性化，求解該方程組獲得新的變量值［5］.

1.2 網(wǎng)格模型

為了簡化計(jì)算，本文采用三車編組，模型比例為1∶8的縮比模型.對(duì)列車外流場進(jìn)行仿真分析，首先是車身模型的建立和簡化處理，如圖1所示，包括車身表面、受電弓、轉(zhuǎn)向架、空調(diào)箱等.在CATIA環(huán)境下，將裝配好的列車頭車模型文件igs格式轉(zhuǎn)化成stl格式，并導(dǎo)入STAR-CCM+中.STAR-CCM+搭載了CD-adapco獨(dú)創(chuàng)的最新網(wǎng)格生成技術(shù)，可以完成網(wǎng)格創(chuàng)建所需的一系列操作.對(duì)質(zhì)量較差的表面進(jìn)行包面處理，對(duì)空調(diào)導(dǎo)流罩等部件進(jìn)行網(wǎng)格加密，保持相對(duì)完整的結(jié)構(gòu)特征，包面處理后的列車模型，如圖2(a)所示.對(duì)已有的表面進(jìn)行再次三角化的網(wǎng)格重構(gòu)，以便提高表面網(wǎng)格質(zhì)量，為進(jìn)一步自動(dòng)生成體網(wǎng)格和模擬計(jì)算做準(zhǔn)備，網(wǎng)格重構(gòu)后的列車模型，如圖2(b)所示.

圖1 三車編組的catia模型

圖2 列車模型

1.3 體網(wǎng)格生成

采用六面體核心(Trim)網(wǎng)格和邊界層(Prism Layer)網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散(相比較于傳統(tǒng)的四面體網(wǎng)格，使用切割體網(wǎng)格，在保持相同計(jì)算精度的情況下，可以提高計(jì)算性能3～10倍).考慮到壁面邊界層的影響，在車體表面以及地面選取合適的邊界層尺寸，使最終計(jì)算的車體表面粘性長度值在一個(gè)合理的范圍內(nèi).為提高模擬精度并控制網(wǎng)格數(shù)量，對(duì)計(jì)算區(qū)域采用密度漸變的網(wǎng)格布局.本例中設(shè)定計(jì)算區(qū)域長35m，寬10m，高8m.

因?yàn)檐嚿淼膸缀涡螤顝?fù)雜，整個(gè)外流求解域大，網(wǎng)格數(shù)目多，通過體積源項(xiàng)(Volume Source)進(jìn)行局部體網(wǎng)格加密，捕捉細(xì)節(jié)，這樣既能保持計(jì)算的精度、提高計(jì)算的收斂性和穩(wěn)定性，又能控制網(wǎng)格的總體數(shù)量，獲得更加精確的流場信息.本例分別在車尾、車身和受電弓區(qū)域設(shè)置了三個(gè)體網(wǎng)格加密區(qū)，三個(gè)加密區(qū)在三個(gè)方向的區(qū)域位置和加密尺寸均逐級(jí)擴(kuò)大，如圖3所示.STAR-CCM+的集成化和參數(shù)化操作可以快速高效地生成質(zhì)量很好的計(jì)算網(wǎng)格，最終總計(jì)生成網(wǎng)格數(shù)約626萬，生成體網(wǎng)格后的模型截面，如圖4所示.

圖3 設(shè)置三個(gè)加密區(qū)后的體網(wǎng)格截面

圖4 生成體網(wǎng)格后的模型截面

1.4 邊界條件

邊界條件的設(shè)置對(duì)求解十分重要，列車外流場的數(shù)值模擬是在有限區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，因此在區(qū)域的邊界上需要給定邊界條件.列車外流場的邊界條件設(shè)置如下:入口來流取理論上的無窮遠(yuǎn)處均勻分布的來流速度，方向與列車運(yùn)行速度相反，氣流速度為車速250 km/h;車身后遠(yuǎn)端端面為出口邊界，壓強(qiáng)為0 Pa(相對(duì)于大氣壓)，其余各變量分量梯度為0;列車車身表面、計(jì)算域的側(cè)壁和頂壁均按光滑壁面處理，取滑移、流線不穿透邊界條件;計(jì)算域下底面設(shè)置無滑移邊界條件和移動(dòng)壁面邊界條件，無滑移邊界條件模擬地面與氣流的摩擦作用，移動(dòng)壁面邊界條件以消除假設(shè)條件為來流吹襲、列車靜止而引起地面附面層對(duì)列車氣動(dòng)性能計(jì)算的影響［6］.

1.5 計(jì)算設(shè)置

求解模型建立后我們希望得到穩(wěn)定的外流場情況，所以選擇:Steady，Gas，3D，采用分離求解器Segregated flow，該求解器在求解低速不可壓縮流動(dòng)時(shí)比分離求解器收斂性更好，求解更高效.同時(shí)選擇理想氣體，湍流模型選擇Realizable K-Eplison模型，需要說明的是STAR-CCM+軟件中對(duì)該湍流模型的壁面修正默認(rèn)采用的是壁面函數(shù)法，即All y+Wall Treatment.

1.6 監(jiān)測曲線和監(jiān)測點(diǎn)設(shè)定

在Reports下創(chuàng)建阻力系數(shù)監(jiān)測工具，建立頭車阻力系數(shù)監(jiān)測曲線Cd，并將監(jiān)測點(diǎn)建立在頭車鼻端處，便于監(jiān)測模型的阻力情況.

1.7 求解參數(shù)設(shè)置

一般情況下，根據(jù)計(jì)算模型需要設(shè)定計(jì)算步數(shù)，本例中由于網(wǎng)格量較大，可設(shè)定較多步，初定為1000，在計(jì)算中，根據(jù)收斂判據(jù)、各監(jiān)測曲線及輸出欄的輸出數(shù)據(jù)，判定是否收斂和是否結(jié)束計(jì)算.STAR-CCM+軟件的便捷之處在于，在求解過程的任一時(shí)刻，都可以停止保存文件，下次求解啟動(dòng)時(shí)，會(huì)在之前的求解基礎(chǔ)上繼續(xù)求解，除非在求解前先清空之前的求解數(shù)據(jù)，才能進(jìn)行新的求解.

2 解析計(jì)算

2.1 阻力系數(shù)

由圖5阻力系數(shù)曲線可以看出，模型阻力計(jì)算曲線在開始一直呈振蕩變化狀態(tài)，振蕩程度呈逐漸減緩的趨勢(shì)，到第500步左右時(shí)趨于收斂，阻力系數(shù)值維持在0.45～0.5之間，經(jīng)計(jì)算后500步平均值為0.488.

圖5 列車阻力系數(shù)曲線

2.2 速度分布

圖6是列車縱向?qū)ΨQ面速度矢量圖，從圖中可以看出，大部分流場均以層流的形式出現(xiàn)，而車身頭部及車身尾部出現(xiàn)了較大的渦流，且受電弓、風(fēng)擋和轉(zhuǎn)向架區(qū)域的空腔內(nèi)存在較為明顯的回流、漩渦現(xiàn)象，這是由于空氣沿列車表面流動(dòng)受到外凸物的阻擋時(shí)，會(huì)出現(xiàn)氣流滯止區(qū)，使氣流速度降低，導(dǎo)致外凸物的表面壓力升高，這些部位的流場對(duì)列車阻力均有較大的影響.

圖6 列車縱向?qū)ΨQ面速度矢量圖

2.3 表面壓力分布

圖7為列車縱向?qū)ΨQ面壓力云圖，從圖中可以看出，壓力最大的部分是車頭正面鼻端部分，并且壓力沿著過渡區(qū)域逐漸降低.車頭部分的壓力主要為正壓力，這是由于列車在向前行駛過程中，將迎面靜止氣流向外排開，氣流受到鼓動(dòng)開始運(yùn)動(dòng)，在此形成正壓區(qū).車頭頂部和底部出現(xiàn)小部分負(fù)壓，這是由于氣流在列車鼻尖處氣流發(fā)生分離，一部分流向車頂，另一部分流向車底.上部氣流在流經(jīng)列車頭部上緣時(shí)，氣流發(fā)生局部分離，氣流在此形成負(fù)壓區(qū).下部氣流在列車底部形成為負(fù)壓區(qū)［7］.車尾部分的壓力主要是負(fù)壓，且壓力變化較小.正是由于列車前后存在的壓力差造成了列車的壓差阻力，這部分阻力對(duì)列車的總阻力影響較大.

圖7 列車縱向?qū)ΨQ面壓力云圖

3 結(jié)論

在我公司已成功搭建了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和世界一流水平的時(shí)速380 km/h動(dòng)車組技術(shù)平臺(tái)的背景下，高速列車新開發(fā)項(xiàng)目越來越多.在列車設(shè)計(jì)研發(fā)中，采用CFD的方法對(duì)整車外形進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)的分析已經(jīng)成為整車開發(fā)前期對(duì)氣動(dòng)性能進(jìn)行評(píng)估的有效手段之一.分析表明:

(1)車身頭部及車身尾部會(huì)出現(xiàn)較大的渦流，且受電弓、風(fēng)擋和轉(zhuǎn)向架區(qū)域的空腔內(nèi)也存在較為明顯的回流、漩渦現(xiàn)象，這些部位的流場對(duì)列車阻力均有較大的影響;

(2)列車的總阻力主要來源于列車所遭受的壓差阻力，且鼻端處壓力值最大并沿著過渡區(qū)域逐漸降低.合理設(shè)計(jì)高速列車兩端的端車頭部的流線型，將直接影響沿列車頭部壁面的壓力分布，進(jìn)而影響阻力變化;

(3)應(yīng)用CFD技術(shù)對(duì)列車外流場進(jìn)行建模和仿真模擬，是一種對(duì)其進(jìn)行氣動(dòng)性能分析快速有效的方法.

［1］李樹民.高速列車空氣動(dòng)力學(xué)及其相關(guān)問題的研究與建議［R］.綿陽:中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，2012.

［2］田紅旗.中國列車空氣動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2006，6(1):1-6.

［3］王東屏，兆文忠.CFD數(shù)值仿真在高速列車中的應(yīng)用及驗(yàn)證［C］.2005Fluent中國用戶大會(huì)論文集，2005:59-66.

［4］田紅旗.列車空氣動(dòng)力學(xué)［M］.北京:中國鐵道出版社，2007:26-32.

［5］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004:25-26.

［6］李明.STAR-CCM+與流場計(jì)算［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011:211-212.

［7］劉鳳華.高速列車氣動(dòng)阻力仿真分析與試驗(yàn)對(duì)比研究［R］.長春:長春軌道客車股份有限公司，2010.