CRH3型高速列车气动头型优化计算
高速列车空气动力学模拟与优化设计
高速列车空气动力学模拟与优化设计随着现代交通需求的增加，高速列车作为一种高效、环保的交通工具备受青睐。
空气动力学模拟与优化设计成为了设计师们关注的焦点。
本文将详细介绍高速列车空气动力学模拟的方法以及优化设计的要点。
首先，高速列车的空气动力学模拟是设计过程中的重要环节，通过模拟可以全面了解列车在高速行驶中面临的气动压力、阻力和稳定性等问题。
模拟的方法有多种，常用的包括计算流体力学（CFD）方法和风洞试验。
计算流体力学方法是一种基于数值计算的模拟方法，可以通过计算空气流场的速度、压力、温度等参数，进而计算出车体周围的气动力。
该方法使用计算模型对列车进行几何建模，并使用Navier-Stokes方程和Turbulence Model等数值方法进行模拟。
通过CFD方法可以准确地分析列车表面的气动流动细节，如湍流、气动力分布以及压力分布等。
这些数据为优化设计提供了重要的依据。
与计算流体力学方法相比，风洞试验是一种物理实验方法，通过模拟真实的气流场来进行实验。
这种方法可以直接观测到列车表面的压力、阻力、气动力分布等信息，并通过实测数据来验证计算模型的准确性。
虽然风洞试验成本较高且周期较长，但它对于模拟结果的精确度和可靠性更有保证。
在进行空气动力学模拟后，对于高速列车的优化设计也是非常关键的。
优化设计旨在降低阻力、提高速度稳定性、减少噪音以及改善列车外貌。
以下是几种常见的优化设计方法。
首先，减小阻力是空气动力学优化设计的重点。
阻力是列车行驶过程中面临的主要气动力之一，降低阻力有助于提高速度和降低能源消耗。
减小阻力的方法包括改善列车外形，减少流体动压缘、减少空气脱落等。
模拟和优化设计可以帮助设计师找到最佳的外形，减小阻力。
其次，提高列车的稳定性也是优化设计的重要目标。
高速列车行驶时受到气流的影响，稳定性是确保列车安全行驶的关键因素。
通过模拟和优化设计，可以找到对气流响应较小的外形和减小气动力矩的方法，以提高列车的稳定性。
CRH3列车车头曲面气动压力稳态数值模拟
CRH3列车车头曲面气动压力稳态数值模拟CRH3列车是中国高速铁路的先进动车组之一，其车身外形采用了曲面设计，可以有效地减少阻力，提高列车的运行速度。
为了深入研究CRH3列车车头的气动特性，进行过曲面气动压力稳态数值模拟的研究。
首先，我们需要对CRH3列车的车头进行三维建模。
采用计算机辅助设计软件，将车头的曲面进行精确建模，并确定车头的尺寸和比例。
在建模过程中，需要考虑车头几何形状的复杂性和曲率的不同程度，以确保建模的精度和可靠性。
在车头建模完成后，进行气动流场的数值模拟。
采用计算流体力学（CFD）方法，对车头表面进行网格划分，确定计算区域。
在进行数值模拟之前，我们需要输入车头运行的速度和流体介质的物理属性，如密度、粘度等。
接下来，进行车头稳态气动压力的计算。
在CFD软件中，采用Navier-Stokes方程求解车头表面处的流体动力学压力。
通过数值模拟，可以得到车头各个曲面部位的气动压力分布图。
对于曲面部位，我们可以通过数值积分对整个曲面上的气动力进行求解，以得到曲面受到的总气动力。
最后，对计算结果进行验证，检查模拟结果的准确性和可信度。
通过与实际测试数据的对比，可以发现建模和数值模拟的精度已经达到了实际需要。
综上所述，CRH3列车车头曲面气动压力稳态数值模拟是一项基于高性能计算机的复杂科学计算。
它利用现代计算机辅助设计技术和CFD方法，能够准确地预测车头的气动性能，并为高速铁路的技术研究提供了有力支持。
在CRH3列车车头曲面气动压力稳态数值模拟中，需要涉及到一些相关的数据以及参数。
以下列出一些可能涉及的数据和参数，以及对其进行分析。
1. 车头长度和宽度：车头的长度和宽度是影响气动力学性能的重要参数。
一般来说，车头越长，表面积越大，阻力就越大。
但是如果车头需要承担更多的空气阻力，可以通过增加长度和宽度来减少表面积、减小阻力系数，以达到降低气动阻力的目的。
2. 速度：车头速度是影响气动力的主要参数之一。
高速列车车头气动性能分析及优化
高速列车车头气动性能分析及优化随着科技的不断发展，高速列车已经成为人们出行的主要方式之一，而车头气动性能则是高速列车技术不可或缺的一部分。
本文旨在对高速列车车头气动性能进行分析，并提出相应的优化方案。
一、高速列车车头气动性能的重要性高速列车在高速行驶过程中，必须要克服气动阻力的影响，因此车头的气动性能对列车的运动性能和经济性能都有着重要影响。
良好的车头气动性能能够减少阻力，提高列车的牵引力和速度，同时也能够降低油耗和能耗，为高速列车的运行提供更好的保障。
二、高速列车车头气动性能分析1. 车头气动阻力车头气动阻力主要由空气阻力和压力阻力组成。
空气阻力是指空气对车头流动的阻力，压力阻力是指由于车头顶部压缩空气所产生的阻力。
车头气动阻力的大小与车头形状、速度、空气密度以及粘性系数有关。
2. 车头流场特性车头的气动性能还与车头的流场特性有关。
良好的流场特性能够使车头阻力降低，但是流场特性的具体表现和影响因素相对较为复杂，通常需要通过模拟和实验来进行分析研究。
3. 车头结构设计车头的结构设计直接关系到车头的气动性能。
优秀的车头设计应该能够减小车头气动阻力，降低车厢震动和噪声，提供更好的乘坐舒适度和安全性。
三、高速列车车头气动性能优化方案1. 物理模拟和数值模拟相结合的优化方法对于高速列车车头气动性能的优化，通常需要使用物理模拟和数值模拟相结合的方法来进行研究。
物理模拟可用于测量车头气动性能和流场特性数据，而数值模拟则可用于对车头结构进行优化和分析。
2. 车头复合材料的应用在车头结构设计上，采用轻量化和高强度的复合材料代替传统的钢材材料，能够减少车头的质量和阻力，降低能耗和运营成本，提高列车的经济性和环保性能。
3. 空气动力学设计的改进车头形状直接影响到车头的气动阻力和流场特性，因此应该采取合理的空气动力学设计来改进车头形状，以减小车头气动阻力和提高流场特性。
4. 无人驾驶技术的应用随着无人驾驶技术的不断发展，适度应用无人驾驶技术，可以实现高速列车的智能化控制，提高行驶效率和安全性，同时也能够优化车头结构设计，降低车头气动阻力和能耗，提高高速列车的经济性和环保性能。
高速列车空气动力学热力学性能优化设计
高速列车空气动力学热力学性能优化设计随着科技的进步和人们对出行效率的不断追求，高速列车在现代交通系统中扮演着重要的角色。
为了提高高速列车的能源利用率和整体性能，空气动力学热力学性能优化设计成为不可忽视的关键问题。
本文将围绕高速列车的空气动力学和热力学性能进行探讨，旨在寻找优化设计方法。
一、空气动力学性能优化设计1. 空气阻力降低空气动力学阻力是高速列车运行中最主要的阻力来源。
为了减少空气阻力，可以采取以下措施：（1）外形优化：通过流线型设计、减小空气动力学截面积等手段，降低列车与空气之间的阻力。
合理的车厢外形和凸起的阻力降低导流装置可以减少气流的湍流程度，降低阻力。
（2）细节设计：如减小车身与地面之间的间隙，减小气动因子，减少尾部的湍流。
2. 噪声抑制高速列车在高速运行时会产生很大的噪声，对于乘客的舒适感和周围环境的影响十分重要。
为了抑制噪声，可以采取以下措施：（1）车辆表面材料的选择：选择吸音性能好的材料，减少噪音的反射，避免噪音的扩散。
（2）减振和隔音措施：在车身和底盘中添加减振材料，减少振动传递路径；采用隔音材料，阻止噪声的传播。
3. 稳定性提升高速列车的稳定性对于乘客的安全感和行车的平稳性至关重要。
为了提升稳定性，可以采取以下措施：（1）重心控制：车辆中心重心的设计与控制，尽量降低车辆的侧倾和抖动。
（2）悬挂系统优化：采用先进的悬挂系统，提供更好的悬挂刚度和减振效果，改善车辆在曲线行驶和高速行驶时的稳定性。
二、热力学性能优化设计1. 能源利用率提升高速列车的能源利用率直接影响到运行成本和环境负荷。
为了提高能源利用率，可以采取以下措施：（1）优化动力系统：选择高效的能源动力装置，如电动机、发动机等，减少能源浪费。
（2）能量回收利用：将列车制动过程中产生的能量回收利用，供给给其他电气设备或储存起来。
2. 温度控制高速列车在运行过程中会产生大量的热量，对列车和乘客都带来一定的不适。
为了控制温度，可以采取以下措施：（1）空调系统的设计：合理安排车内空调系统，以方便调节车厢内的温度。
高铁运输中的空气动力学优化方案
高铁运输中的空气动力学优化方案引言随着交通工具的不断发展，高铁作为一种快速、高效的交通工具，已经成为人们出行的重要选择。
高铁在运输过程中，需要克服空气阻力对列车的影响，因此，空气动力学优化方案变得至关重要。
本文将探讨高铁运输中的空气动力学优化方案，以提高列车的运行效率和安全性。
1. 空气动力学基础知识在研究高铁运输中的空气动力学优化方案之前，有必要了解一些基础知识。
空气动力学是研究物体在空气中运动时所受到的力和力矩的学科。
对于高铁来说，最主要的空气动力学因素是空气阻力。
2. 优化列车外形设计在高铁的设计过程中，外形设计是非常重要的一环。
优化列车外形设计可以减小空气阻力，提高列车的运行效率。
一种常用的优化方案是采用流线型外形设计。
流线型外形可以减小空气流动时的阻力，降低列车在高速运行中所受到的空气阻力。
此外，还可以通过减小列车的外部突出部分，减小空气流动的干扰和阻力。
3. 降低空气湍流空气湍流是空气动力学中的一个重要概念。
在高速运行中，列车周围的空气会产生湍流现象，增加列车受到的空气阻力。
因此，在高铁运输中，降低空气湍流对于优化空气动力学非常重要。
一种常用的降低空气湍流的方法是采用封闭式车厢结构。
封闭式车厢可以减小空气通过车厢的缝隙流动，减少湍流产生的可能性。
4. 空气动力学模拟与测试在设计和优化高铁的空气动力学方案时，模拟与测试是不可或缺的。
通过使用计算流体力学（CFD）软件进行模拟分析，可以评估不同外形设计对空气阻力的影响，并找到最佳设计方案。
此外，还可以通过在风洞中进行实验测试，验证模拟结果的准确性，为实际生产提供可靠的数据。
5. 优化动力系统除了优化外形设计和降低空气阻力之外，优化动力系统也是提高列车运行效率的关键。
采用先进的电力驱动技术，如采用永磁同步电机和变频调速系统，可以提高列车的加速度和牵引力。
这样可以加快列车的起步速度和提高运行效率。
6. 运用智能控制系统在高铁运输中，智能控制系统的应用可以进一步优化空气动力学。
高速列车车体气动特性分析与优化设计
高速列车车体气动特性分析与优化设计随着交通事业的不断发展，高速列车的运行速度也越来越快。
高速列车的车体气动特性对列车的运行安全、乘客的舒适度以及能源消耗等方面都有着重要影响。
因此，对高速列车车体气动特性进行分析与优化设计是十分必要的。
首先，我们来分析高速列车的车体气动特性。
高速列车在运行过程中，由于车体形状和列车速度的影响，会产生较大的气动阻力。
这种气动阻力不仅会导致能源消耗的增加，还会对列车的运行稳定性产生不利影响。
因此，减小气动阻力是优化设计的一个重要目标。
针对高速列车车体气动特性的分析与优化设计，可以采取以下几个步骤：第一步，建立高速列车的气动模型。
通过建立数值模拟模型，可以模拟列车在不同速度下的气动行为。
这样可以提供有关气动阻力、气动升力和气动力矩等重要参数的数据。
第二步，分析高速列车的气动特性。
基于气动模型，可以对列车的气动特性进行分析。
通过分析气动力矩、气动阻力和气动升力等参数的变化规律，可以了解列车的气动特性，为优化设计提供依据。
第三步，优化高速列车的车体形状。
根据气动特性的分析结果，可以对车体形状进行优化设计。
例如，通过改变车头、车尾和车体侧面的线型，可以减小气动阻力。
通过采用适当的倾斜角度和减小车体截面积，可以降低气动阻力。
此外，还可以通过改变车体的尾流和减小空气涡流，来减小气动阻力。
第四步，验证优化设计的效果。
通过数值仿真和实际试验，可以验证优化设计的效果。
将优化设计后的车体与原始车体进行对比，分析比较其气动特性的差异。
如果优化设计的效果良好，表明优化设计是成功的。
最后，需要指出的是，高速列车车体气动特性的分析与优化设计是一个复杂的工程项目。
在实际操作过程中，需要综合考虑多个因素，包括车体形状、空气流动速度、气动力参数等。
同时，还需要注重工程实践的可行性和经济效益。
只有综合考虑这些因素，才能达到最佳的气动优化效果。
总结起来，高速列车车体气动特性的分析与优化设计对于提高列车的运行安全和舒适度具有重要作用。
参数化驱动的高速列车头型气动外形优化设计_李明
第３５卷第１１期铁 道 学 报Ｖｏｌ．３５ Ｎｏ．１１２ ０ １ ３年１１月ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＨＥ ＣＨＩＮＡ ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＯＣＩＥＴＹ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０１３文章编号：１００１－８３６０（２０１３）１１－００１４－０７参数化驱动的高速列车头型气动外形优化设计李 明， 李明高， 李国清， 孔繁冰， 刘 斌（唐山轨道客车有限责任公司产品技术研究中心，河北唐山 ０６３０３５）摘 要：通过建立参数化驱动的高速列车头型气动性能自动计算的优化分析流程，运用基于多目标遗传算法ＮＳＧＡ－Ⅱ的整体多目标优化设计方法，对车头长细比、纵向对称线、水平最大轮廓线、车底水平轮廓线、辅助剖面线、车头鼻尖高度等关键控制变量进行与气动特性相关的优化设计，提出综合性能较佳的头型气动外形。
本文所提出的多目标优化设计方法可为不同风格、不同技术需求的动车组头型及气动外形设计工作提供参考。
关键词：参数化驱动；阻力；多目标优化；高速列车中图分类号：Ｕ２６６．２ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－８３６０．２０１３．１１．００３Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｃ－ｄｒｉｖｅｎ Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ Ｓｈａｐｅ ｏｆＨｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ＥＭＵ Ｈｅａｄ－ｔｙｐｅＬＩ Ｍｉｎｇ， ＬＩ Ｍｉｎｇ－ｇａｏ， ＬＩ Ｇｕｏ－ｑｉｎｇ， ＫＯＮＧ Ｆａｎ－ｂｉｎｇ， ＬＩＵ Ｂｉｎ（Ｐ＆Ｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｔａｎｇｓｈａｎ Ｒａｉｌｗａｙ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔａｎｇｓｈａｎ ０６３０３５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ａｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｃ－ｄｒｉｖｅｎ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒ－ｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ＥＭＵ ｈｅａｄ－ｔｙｐｅ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ－ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ＮＳＧＡ－Ⅱ，ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｗａｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｉｎ ｒｅｓｐｅｃｔ ｏｆ ６ｋｅｙ ｄｅｓｉｇｎ ｖａｒｉａｂｌｅｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｓｌｅｎｄｅｒｎｅｓｓ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｄｔｙｐｅ，ｔｈｅ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｌｉｎｅ ｏｆ ｓｙｍｍｅｔｒｙ，ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｃｏｎｔｏｕｒ，ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｃｏｎｔｏｕｒ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｒｂｏｔｔｏｍ，ｔｈｅ ａｓｓｉｓｔｉｎｇ ｈａｔｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｓｅ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｓｈａｐｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｄ ｗｅｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄ．Ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ－ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｓｕｐｐｏｒｔ ｄｅｓｉｇｎ ｗｏｒｋ ｏｆ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｓｈａｐｅｓ ａｎｄｎｅｗ ｈｅａｄ ｔｙｐｅｓ ｗｈｉｃｈ ａｄａｐｔ ｔｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔｙｌｅｓ ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｎｅｅｄｓ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｃ－ｄｒｉｖｅｎ；ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｍｕｌｔｉ－ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ＥＭＵ 随着列车运行速度的提高，气动效应对高速列车的影响加剧。
高速列车的气动设计与优化
高速列车的气动设计与优化高速列车是现代交通系统的重要组成部分，随着人们对交通速度、舒适性和安全性的需求不断提高，高速列车设计也在不断创新和优化。
其中，气动设计是高速列车设计中的重要部分，优化气动设计可以提高高速列车的运行速度、降低运行噪声、减少能耗和排放等。
一、高速列车气动设计的原理和要求高速列车气动设计是针对高速列车运行过程中所遇到的空气阻力、气动噪音、空气动态效应等问题进行的设计工作。
在高速列车运行时，列车与空气流体之间会发生相互作用，使其运行时受到空气阻力的影响，因此高速列车的气动设计十分重要。
气动优化的主要目标是尽可能降低气动阻力，提高列车运行速度和能效，同时减小气动噪声和提高安全性。
高速列车气动设计需要考虑车体外形的气动特性、车体表面的摩擦阻力、压力分布与流线形状、流场中的空气动力学效应等因素，其中，车体外形的气动特性是设计中的重要因素。
二、高速列车气动设计的方法1.计算流体力学方法高速列车气动设计中的一种重要方法是计算流体力学(CFD)分析方法，该方法使用数值方法对空气动力学效应进行数值模拟和计算，可以快速而精确的分析汽车的流场，揭示流场特性和流动规律，以实现优化设计。
CFD方法可对列车的外形、速度、气动力学特性、噪声等进行综合性分析，研究列车的燃料效率、推进力和噪声等问题。
2.试验方法试验方法是高速列车气动设计中另外一种重要的方法，主要以实际测试的方法去验证理论分析结果，以及开展早期程序开发和测试工作。
对于高速列车的气动优化设计，一般需要进行模型试验、隧道试验和道路试验等多种试验方法，从而实现高速列车气动优化设计的实验验证。
三、高速列车气动优化设计的关键技术1.减轻气动阻力减轻气动阻力是高速列车气动优化设计的重要技术，当列车运行速度越高，车辆所受的空气阻力就越大，因此如何减小空气阻力就显得尤为重要。
高速列车的气动优化设计中采用的防风措施主要有外换面设计、斜面设计、压力平衡设备等。
2.控制气动噪声控制气动噪声是高速列车气动优化设计中不可忽视的一环。
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2011 年
第 41 卷
第 3 期: 292 ~ 300
《中国科学》杂志社
SCIENCE CHINA PRESS
CRH3 型高速列车气动头型优化计算
孙振旭, 宋婧婧, 安亦然*
北京大学工学院湍流与复杂系统研究国家重点实验室, 北京 100871 * E-mail: anyr@ 收稿日期: 2010-07-15; 接受日期: 2010-09-16
时候同时对原来的网格进行变形 , 并在变形的过程 中保持网格质量[9]. 传统的优化方法往往采用第一种 方法 , 大量计算时间应用于几何变形和网格重构上 , 这大大降低了优化的效率 . 本文在优化过程中采用 了第二类方法, 即使用任意几何变形(Arbitrary Shape Deformation, ASD)技术. ASD 技术基于计算模型建立 新的控制面 , 通过移动控制面的控制点以直接改变 计算网格, 达到网格变形的目的. 这省去了几何重构 的过程, 提高了优化的效率. 本 文 采 用 多 种 优 化 软 件 耦 合 CFD 计 算 软 件 FLUENT 进行高速列车气动头型优化 . 优化软件包 括 SCULPTOR 和 modeFRONTIER 两种. SCULPTOR 虽然拥有新颖的 ASD 技术, 但是因为其本身所带的 算法大多为基于梯度的优化算法 (如最速下降法、牛 顿法、 广义既约梯度法、 序列二次规划法等), 优化时 往往会局限于局部最优点 , 这大大限制了优化的精 度. 而 modeFRONTIER 是一种比较成熟的非线性多 目标优化集成平台, 包含许多成熟的优化算法, 从实 验设计算法到优化算法(如 MOGA-II, MOSA 等), 可 以比较准确地捕捉设计空间中的最优解 . 本文取长 补短 , 在 modeFRONTIER 中调 用 SCULPTOR 和 FLUENT, 耦合了 SCULPTOR 中的网格变形技术 , 同时耦合 FLUENT 用来对每一个设计进行 CFD 计算, 得到相应的气动阻力, 以完成优化目标的求解. 为了 提高优化效率, 节省流场计算时间, 首先对高速列车 原始头型进行了气动力计算并保存 , 后续网格变形 后的设计求解均以此为初值进行续算, 直至收敛. 本文对 CRH3 高速列车头部外形进行优化, 以列 车受到的阻力作为优化目标. 如图 1~5, 针对高速列 车头部外形的设计参数 , 优化时采用以下几个优化 变量 , 具体包括 : 鼻端高度 (Nose Height), 鼻端长度 (Nose Forward), 鼻端厚度(Nose Thickness), 以及司 机室上壁面的高度(Nose Top Channel). 这 4 个变量 可以大致刻画出高速列车头部流线型, 通过对这 4 个 变量的调整即可以修正头部流线型 . 原始头型对应 各个设计变量值均为零, 当 NoseForward 变量值为负 时表示鼻锥向前拉伸 , NoseThickness 变量值为负时 表示鼻锥变薄, NoseHeight 为负时表示鼻锥向地面移 动, NoseTopChannel 为负时表示司机室上壁面下移, 所 有变量值为正时变化方向相反. 同时因高速列车头部长 细比不能太长, 机车内零部件便于安装、司机视角不受 影响、司机室空间适当等诸多因素, 这 4 个外形设计
294
图5
Nose Top Channel
中国科学: 技术科学
2011 年
第 41 卷
第3期
图6
优整体设计流程
2
2.1
计算方法
ASD 技术
ASD 方法要求首先在感兴趣的网格部位建立控
4) 根据约束函数值和分级结果计算各点的约束 罚项、劣解罚项及总罚项; 5) 根据各点的总罚项计算适应度; 6) 根据各点的适应性 , 进行选择、交叉和变异 操作, 生成新群体; 7) 将总罚项为 0 的点放入非劣解集候选表, 对 候选表进行检查, 保留第一级非劣点, 删除其他点; 8) 检查是否收敛, 如没有转到步骤 2; 9) 删除候选表中与其他点距离太近的点; 10) 输出候选表中的 Pareto 最优解集及对应的 目标函数值; 11) 决策人根据个人偏好从 Pareto 最优解集中 挑选出最适合该问题的解. 而 MOGA-II 算法相对于传统算法引入一个多向 搜索优选算子 . 该算子在保证父代的优化解的同时 更高效地搜索全局最优解. 步骤 6 是优化算法的关键, 在求解时各个量分别取值为: 整体迭代 6 代, 交叉率 设定为 0.5, 选择率设定为 0.05, 变异率设定为 0.1.
关键词 气动外形 头型优化 任意网格变形 响应面分析 Kriging 算法
高速铁路的发展对我国国民经济发展和社会进 步起着至关重要的作用 . 国际上以日本和欧洲为代 表的发达国家在高速铁路领域已经进行了大量的科 学研究, 积累了丰富的知识和经验, 在这些工作的基 础上不断开发出新型的高速列车 , 且速度越来越快 . 高速列车运行时的安全性、舒适性、低能耗以及对周 围环境影响等都和高速列车的空气动力学性能紧密 联系在一起. 列车的空气动力性能与列车外形有着密 切的关系, 外形的流线型直接影响着列车空气动力性 能[1~3]. 头、尾车的阻力系数、升 g 力系数的绝对值深 受流线型头部的影响. 而头车、尾车的阻力系数越小, 同样编组情况下的列车总阻力就越小 , 能耗也越少 . 总之, 应尽量使得列车的空气阻力变小. 新型高速列 车的研发必须按照这一原则来进行气动力外形优化. 现代工程设计对象要求优化的因素是多方面的 , 经常又是彼此矛盾的[4]; 而优化又必须在诸多现实可 行的条件, 如体积不得大于 X、重量不得超过 Y 等的 约束下进行 . 这样一类数学问题必然需要分解成比
英文版发表信息:
Sun Z X, Song J J, An Y R. Optimization of the head shape of the CRH3 high speed train. Sci China Tech Sci, 2010, 53: 33563364, doi: 10.1007/s11431-010-4163-5
中国科学: 技术科学
2011 年
第 41 卷
第3期
从本质上讲上述方法属于优选方法 , 且过多地 依赖于工程经验 . 即使计算了许多工况并找到了一 些规律 , 但这些规律也只是单个设计变量与优化目 标之间的规律 , 并不能得到多个设计变量与优化目 标的非线性关系 . 为了摆脱这一方法的局限性而得 到真正的最优化外形设计, 必须采用直接优化方法. 直接优化设计方法是在满足一定约束的条件下 , 用数学方法对某些设计目标寻求尽可能最大或最小 (如翼型升阻比的最大化、机车阻力的最小化等 ), 从 而将外形设计问题转化为一个约束优化数学问题 . 根据优化算法的不同 , 直接优化设计方法可以概括 为局部方法和全局方法两类 . 梯度法为局部方法的 代表 [5,6], 它是采用目标函数的梯度作为方向的一种 搜索算法 , 但这种方法只能够保证得到一个局部最 优解. 全局方法的优点是可能得到全局最优解, 不受 计算目标对设计变量灵敏度的限制 . 但这类方法属 于随机搜索方法, 需要多次进行几何变形、网格重构 和流场计算, 因此计算效率相对较低[7]. 通常情况下流场的优化受到计算条件的制约 , 难以应用于实际工程问题 . 而高速列车头型优化问 题是一种三维流场变几何优化问题 , 在采用全局算 法优化时计算效率较低 . 本文利用各类可解‘子问题’ 的现成软件加以组织结合而实现了全局优化的设计 方法. 它概念清晰、操作简易、效率较高, 克服了几 何变形和网格重构带来的困难 , 并可以在设计空间 中搜索到全局最优解.
1
优化思路
流场中的三维几何优化主要存在 3 个挑战: 1) 反 复求解 NS 方程的效率; 2) 数学上准确描述任意三维 几何模型的能力 ; 3) 在几何变形后保持或者获得新 的流场合适网格的能力. 针对第一点, 为了提高 CFD 计算的效率, 应该保证每次求解 NS 方程时给定一个 比较合理的初始值, 以减少计算迭代的步数, 使计算 更快地收敛; 为了实现第二点, 人们寻找一个通用的 方法 , 先将原始几何参数化 [8]. 对第 3 个挑战 , 有两 种不同的方法来完成 . 第一种方法就是在每次几何 变形后重构网格 . 这对大多数工程问题来说基本上 不现实 , 因为它取决于相应的网格自动生成是否可 行 , 但后者的研究在目前看来远远没有达到成熟的 地步 . 第二种方法就是在优化过程中当几何变形的
较单纯的小型数学问题 , 并加以组合以达到最后目 标 . 计算这类具有不同约束的数学问题必须要对各 个子问题的组织和协调进行深入研究. 因而, 对于这 样的问题必须以‘系统工程’的角度来审视, 来优化. 国内外研究高速列车外形优化主要有两类方法 : 实验方法和数值模拟方法 . 实验方法以风洞实验为 主, 其他还有水洞实验方法、电模拟实验方法、实车 实验方法等. 目前, 国内外主要还是采用实验研究方 法. 随着计算机技术的飞速发展, 数值模拟已成为可 能: 实验研究存在着的耗资大、费时较多, 由实验设 备引起的误差等诸多问题 , 在数值模拟中都可以克 服 . 在短时间内 , 耗资很低的情况下 , 可以对大量工 况进行计算分析 . 当前一般的数值模拟研究程序是 : 先对几种特定工况进行实验分析 , 根据实验结果来 检验计算方法和计算程序的正确性 , 然后利用数值 模拟进行大量工况计算 , 对计算结果进行有效分析 , 找出规律 . 最后再从中选定几个方案进行风洞实验 , 与计算结果进行比较分析, 得出一般性的结论.
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孙振旭等: CRH3 型高速列车气动头型优化计算
图1
Base Line
图3
Nose Height
图2
Nose Forward
图4
Nose Thickness
参数又受到一定的约束, 即需要限定它们的变化范围. 为 CRH3 型高速列车基础头型及各个变量发生较大变 化后的头型. 为了能够捕捉优化目标与设计变量之间的非线 性关系, 首先需要在设计空间中生成初始实验设计点, 优化以这些初始设计点为基础进行寻优. 初始设计点 分布非常重要, 如果分布比较合理的话, 它可以非常 好的表达设计空间信息并简化优化计算步数. 本文采 用了 Sobol 方法[10,11], 这是一种伪随机算法, 相对于随 机算法其生成的初始设计点在设计空间中分布更加均 匀. 优化算法采用了 MOGA-II 算法, 该算法继承了遗 传算法的随机性和并行性. 为了提高计算精度, 在优化 计算完毕后, 基于现有计算设计点进行响应面分析[12], 对设计空间函数关系进行了拟合, 以获得最优解. 整体设计流程如图 6 所示.