旋转列车气流的大涡模拟概论

旋转列车气流的大涡模拟

Hassan Heniida.Naliia Gil,Chris Baker

摘要

利用大涡模拟（LES）方法研究高速列车的气流问题，釆用标准的Smagorinsky模型模拟亚格子应力。列车模型是由4辆车组成的1/25比例的ICE 2型列车。该模型被放置于直径为3.61m的旋转试验台上.基于列车的高度和速度，分别对雷诺数77 000和94 000 的大涡进行了模拟。模拟中运用了粗糙的、中等的和加密的3种讣算网格。这三种网格分别由6X106, 10X 106 ,和15X106个节点组成。加密网格的计算结果与试验数据吻合较好。运用大涡模拟获得了不同的流动区域：上流区、鼻端区、边界层区、风挡区、尾流区和远尾流区。在靠近列车鼻端区域从气流的最大速度幅值中可以出现局部的速度峰值。面压力的最大值和最小值分别出现在黑近鼻尖区域的顶面和底面。所有的湍流结构都产生于列车的顶部，并被列车外侧的径向速度分量所掠过。在列车的外侧，主要是大结构的大湍流占据主要地位。研究表明，以柱面形式支撑的风挡和车下复杂结构对气流的速度有很大的影响。在合适的雷诺数范圉内，气流流速与列车速度近似地呈线性关系。

1.引言

列车在空气中运行时，会导致列车两侧以及尾部的气流产生重要的气流流速。这种现象会对乘客和铁路沿线工作人员的安全造成威胁，同时也会给婴儿车以及手推车带来很多问题。鉴于对外部环境所造成的影响，铁路安全与标准学会（RSSB）⑴近期已将其确定为亟待解决的课题，各种研究工作也需要开展。RSSB最新的一项研究显示，在英国，与其他危险相比，所有与列车气流相关的危险所占比例较小。然而，如得不到有效的组织管理，列车气流会对站台乘客以及铁路沿线工作人员的安全造成很大的威胁。自1972年以，英国大陆地区已经报道了24起事件，这些事件不但涉及到气流产生的作用力对静止站台上的婴儿车、手推车所造成的伤害，而且也有对乘客及其物品的伤害［29。作用于站台或沿线物体的气动力取决于物体的外形，并与气流流速的平方成正比。气流流速本身通常与列车的速度成一定的比例。自新一代列车通过提高速度减少运行时间来适应铁路运营客流高峰以来，气流造成的危险性变得更大，急需探究高速列车气流的产生机理。

当前有两种途径来研究列车的气流问题，全尺寸模型或缩尺模型。所有这些方法在文献［4］〜文献［5］中都有所阐述。文献［5］运用热膜的方法来测试列车周圉的速度，该热膜覆盖于放置在移动设备上的山4辆成的1/25比例模型的表面，在他们的工作中也进行了一些粒子图像速度测量方法（PIV）的试验。文献［4］开展了全尺寸货车和客车的模拟工作。然

而，山于列车的气流是大湍流的瞬态现象，为获得足够的结果以得出时间的平均和标准偏差，需要进行大量的试验。这样就会使这两种试验方法耗费大量的时间和财力。基于此，伯明翰大学的铁路研究中心运用直径为3.16m的旋转台来测量气流的流速。这种新的试验方法使得测量沿列车长度的某些点的平均速度变为可能。然而，这种方法仍旧不能得到流动域和过渡部分气流以及压力场的全貌，超出了试验所能探讨的范圉⑹。

过去，单纯依靠数值仿真预测列车周圉随时间变化的气流流动，即使雷诺数相对比较低的流动也都是不可行的。最近儿年，讣算机配置的提升使得这些模拟（适宜的雷诺数）变成了可能。对比高昂的、无法实现或难以实现的试验研究，计算流体动力学（CFD）的应用更具优势。通常，试验需要大量的时间和财力。曲于受到雷诺数的制约，通过缩尺的风洞试验来弥补这些不足是不可能的。同样对于非同寻常雷诺数的流动算例，在风洞中去除边界和/或条件在操作上都是无法实现的。况且，空旷空气的试验主要受到大气条件的制约，试验重现的模拟显得极为困难。

伴随着列车的提速以及新一代高速列车产品的问世，很多在低速完全可以被忽略的空气动力学问题，如气动噪声、列车交会产生的作用力、隧道出口压力波以及车内乘坐不舒适性等，都将显现。这些是限制列车系统提速的主要因素⑺。因此，在过去20年中, 高速列车空气动力学得到了很多研究者的重视，并一直试图改善其气动性能Sa］。

文献［13］中，利用CFD模拟列车气动模型（ATM）周圉的流动，采用分涡模拟（DES）来分析列车尾流的流动状况，并将CFD的讣算结果与试验数据进行了对比，运用分涡模拟方法获得了儿乎所有工况下的讣算结果。同时，尾部和边界层的速度量峰值采用DES方法进行了评价。最近，采用标准的SmagoHnsky模型的大涡模拟方法（LES）, 已经被成功地应用于硏究列车周围侧风的流动［1446］o

本文针对旋转模型周围气流的瞬态行为，釆用标准的Smagorinsky模型的LES方法进行研究。研究中所用到的77 000和94 000这2个雷诺（Re）,是基于列车的高度和速度而得到的。利用计算软件CFX”】的滑移网格技术来模拟模型的旋转。

2. 试验方法

旋转轨道台由一个直径为3.16m的铁路轨道框架组成，最高转速可以达到118r/niin,相当于轨道运行速度为22m/s （图1）。起初设想将标准轨道段置于框架上，并借助于新的激光技术〔习使研究丄作成为可移动的有机合成体，用以研究售票员鞋子静止结冰问题，售票员鞋子保持在旋转轨道上温度低于零摄氏度以下的条件。LI前的研究中，高度H=70mm、长度Z=0.5m的1/25的ICE 2型列车的模型，通过工装和螺钉（每节车2套）安放在旋转轨道上，保证两者的运动是一体的（见图1 （b））。该模型由3

个风挡连接组成。典型风挡的深度和宽度 炉相等，同为列车高度的%。为了减少轮子 旋转所引起的湍流，同时也为了模拟列车运动的地面层，比轨道稍大的带有圆形狭槽的 木质平台被放置于装配台上。列车和地平面之间是紧密的刷子。根据列车置于轨道上的 方法可以使车辆很方便地编挂或者解编。这样，任何编组形式的列车都可以进行流场的 测试。该试验台最为重要的方面当然是多种列车通过方案可以很快地得以实现（每次只 需旋转一次试验台），同理，与现有的全尺和缩尺技术相比，该试验方法更利于快速操 作。

（b ）支撑轨道和列车的装置示意图

3. 列车模型

列车模型山4辆弯曲的车辆组成。平直的车辆所带来的问题是列车模型长约50cm, 相对于曲率半径R=180.5cm 的试验台来说尺寸过大，这样就会导致在列车方向每节车厢 的后部都存在明显的不连续性。并且，探针与列车表面之间的距离也不是恒定量，因此, 探针的测量位置在列车的顶部和侧面会对测试结果产生非常明显的影响。为了解决这些 问题，构造一列弯曲的列车，使其在靠近车辆的弯曲线上进行测量成为可能（见图1（a ））。 此外，这种新型的列车被设计成简单的1/25比例的ICE 2列车，以便于所得到的测试结 果可以与TRAIR 试验台获得的结果进行对比。列车模型111 1/25比例的4辆ICE 2列车 组成。很显然，这些结果将会受到列车曲率的影响（试验车辆越多影响越大），凸面侧 要比凹面侧边界层增加得多（见文献［18］〜文献［19］）。在该试验中，气流和尾流速度釆 用静止的眼镜蛇探针（湍流所使用的P/L 仪器）进行测试，四孔压力传感器用以测试速 度的3个分量，能够测试的最高速度为lOOnVso 探针的详细信息见文献［6］。

4. 数值方法

运动列车周用的流动是非常复杂的，山大范围的湍流所组成。据证实，大湍流是影 响列

车空气动力学的主要因素。然而，尾流和边界层受大湍流结构所主导。因此，一种(a) (b)

（a ）列车模型和测试探

针