HyperMesh软件在列车空气动力学仿真中的应用

HyperMesh软件在列车空气动力学仿真中的应用

2008年12月15日Altair

1 概述

随着我国铁道车辆和线路装备水平的发展，列车的运营速度越来越高。200公里动车组和300公里动车组相继开通运营，高速动车组给交通运输带来了巨大的便利的同时，也给车辆设计带来很大的挑战。其中，高速运行时的空气动力学特性就是高速车需要克服的难点之一，它直接关系到列车的运行安全性和舒适性，同时对于减少空气阻力和节能有很大的贡献。

空气动力学的研究通常通过试验的方法获得各种数据，比如比例模型的风洞试验或整车的线路试验。但比例模型的风洞试验成本比较高，有时为了获得最优的方案需要做很多试验模型，更增加了设计成本的支出。整车的线路试验是在车辆设计完成之后进行的工作，一般带有一种验证性的成分。因此，基于有限元的虚拟仿真空气动力学试验在车辆的实际前期发挥了很大的作用。本文结合多种仿真工具，探讨一种快速空气动力学仿真建模的方法。以某高速车为例，建立列车的三维空气动力学模型，获得列车速度对流场分布和表面压力分布。

2 列车空气动力学特点

严格来讲，列车运行时周围的流场是一种非定常的紊流状态，以200公里每小时为例，雷诺数一般在6.50E＋7左右，空气流动为标准的紊流状态。列车在劈开空气运行的过程中，受到来自空气的阻力、气动升力和侧向力，从而影响列车的最高运行速度和安全性。两列车在交会或列车进出隧道时，会引起周围空气压力的突变，产生压力波，继而对列车的舒适性产生影响。列车空气动力学是一种流固耦合的复杂物理问题，需要结合多学科进行研究。

3 仿真模型建立与简化

仿真模型以某一流线型动车组为例，整列车为8节编组，列车长度211.5m，头车和尾车长度27.6m，其余25m，最高运行速度250Km/h。车体结构为铝合金型材焊接而成，车头为流线型大曲面构成，车身下部带有裙板，裙板在转向架处断开。

仿真几何模型通过Catia软件建立，建模时对局部结构进行了适当的简化处理，如忽略了车窗与车身的局部轮廓变化，以及转向架和受电弓对车体流场的影响等，几何模型如图1所示。

图1 列车几何模型

流体网格模型采用Altair公司的HyperMesh软件中的流体前处理模块建模，采用四面体和五面体相结合的建模方式，其中边界层采用五面体网格，其余为四面体网格，有限元网格模型如图2，3所示。

图2 列车流体网格模型

图3 列车周围网格

HyperMesh软件中的流体模块前处理过程比较方便，其流程如图4所示。几何模型的建立和简化可根据具体问题进行处理，流体网格的参数设置影响最终生成的网格质量，比如边界层的厚度，分为几层以及层间的变化率等。另外，对于流场的进口、出口、流体区域以及需要设置边界条件的位置，需要分成不同的组并且以特定的字母开头，这样Fluent软件才能识别出不同组的作用，便于处理。比如对于流体入口，需要以inflow*开头，出口以outflow*开头等，具体设置参照软件的帮助文件。

图4 流体网格前处理流程

4 仿真分析设置与仿真结果对比

将HyperMesh软件生成的模型文件导入Fluent软件，设置求解参数求解。导入模型之后首先需要对模型进行必要的检查，确定其单位是否与建模时的一致等。其次对流体材料，边界条件，离散格式和求解方式进行设置求解。由于对流与扩散的比值很大，对流占主导作用，采用二阶迎风的离散格式。另外，对于车辆速度从0Km/h加速至某一稳定运行速度时的过程，本次仿真没有考虑，只求解某一速度下的稳态运行时的流场状态。计算分二个速度等级，200Km/h、250Km/h分别求解，比较不同速度时流场变化和表面压力特性。图5至8分别给出了两个速度等级的车辆表面流场速度变化和压力变化。从图中可以看出列车的连接部位和车头风挡玻璃和两侧出现气流的不连续流动。250Km/h时，在两节车连接处压力变化比较明显，而200Km/h时则压力变化不太明显，但车头处的压力变化较显著。

图5 200Km/h时的车体表面空气流动速度

图6 250Km/h时的车体表面空气流动速度

图7 200Km/h时的车体表面总压

图8 250Km/h时的车体表面总压

5 结论与展望

本文仅简单介绍了利用HyperMesh和Fluent软件对列车流场的仿真分析，仅给出了列车流场的定性分析，未涉及更深的领域，如列车通过隧道和两列车会车时的情形。对于列车空气动力学的研究，随着运行速度的提高，也必将会引起企业和研究机构的关注。