高速磁浮列车气动阻力性能数值模拟与参数化评估

作者:舒信伟;谷传纲;梁习锋;高闯 刊名:交通运输工程学报 上传者:张国银

【摘要】基于粘性流体力学理论,按三维可压缩粘性流对具有流线型头部形状的TR08列车以及通过变化流线型头部纵剖面高度或流线型头部长度设计出的4种新头型列车的周围流场进行了数值模拟。为评估不同流线型头部外形的气动阻力性能,定义了表示其形状特征的整体长细比作为评估依据,综合考虑了流线型头部水平投影形状和纵向对称面投影形状对气动阻力性能的影响。通过对5种不同头型列车的模拟结果进行对比分析,得出了流线型头部外形对气动阻力性能影响的规律:随着流线型头部长度增加,气动阻力降低,而中间车阻力变化不大;在头部流线型长度相当的情况下,纵剖面轮廓线上凸的头车气动阻力比下凹的小,而尾车气动阻力大。计算得到的不同流线型列车的整体长细比大小排序与其气动阻力系数排序完全一致。分析结果表明,增加流线型头部长度是减小气动阻力的有效途径;整体长细比能较好地反映流线型头部对列车气动阻力性能的影响。

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0引言列车在空气中高速运动时,其气动性能如气动阻力、升力等与其气动外形有着密切的关系。随着运行速度的不断增加,列车气动性能问题越来越突出[1],因此,研究不同气动外形对磁浮列车气动性能的影响规律,对于设计和优化气动外形,并使其满足工程实际应用需要有着重要的意义[1-5]。本文以世界上首条商业运行的上海高速磁浮列车TR08为研究对象,在保持列车横断面或列车长度与其相同条件下,通过变化流线型头部纵剖面高度或流线型头部长度设计出4种新头型。该列车设计运行速度为430kmh-1,气体马赫数达到035,因此必须考虑流体的可压缩性。基于粘性流体力学理论,按三维可压缩粘性流对包括上海磁浮列车TR08在内的5种外形的高速磁浮列车周围流场进行了数值模拟,并对其模拟结果进行对比分析,得出了列车气动外形对列车气动阻力影响的规律。为了方便地评估不同流线型头部外形的气动阻力性能,在对上述5种外形列车的数值模拟基础上,定义了表示其形状特征的整体长细比作为评估依据,综合考虑了流线型头部水平投影形状和纵向对称面投影形状对气动阻力性能的影响,通过分析比较,得出了列车整体长细比与对应头部外形的气动阻力性能之间的规律。1列车头部外形设计方案列车头部各主型线参数和气动阻力之间是一强非线性关系,目前还处于定性研究阶段。上海悬浮列车TR08头车、尾车流线型部分长度为5120mm,车宽为3700mm。为了研究不同的流线型头部长度、最大水平轮廓线、最大纵剖面轮廓线以及双拱头型对列车气动阻力性能的影响,本次研究在保持列车横断面和列车长度与TR08列车相同条件下,设计了4种新的流线型头型,与TR08列车外形相比,4种新的流线型头型特征见图1~7。为考察图1最大纵向投影轮廓线Fig.1Maximallongitudinalprojection图2最大水平投影轮廓线Fig.2Maximalhorizontalprojection图3TR08头部Fig.3StreamlinednoseoftrainTR08图41号方案头部Fig.4StreamlinednoseofNo.1train图52号方案头部Fig.5StreamlinednoseofNo.2train图63号方案头部Fig.6StreamlinednoseofNo.3train图74号方案头部Fig.7StreamlinednoseofNo.4train流线型长度对气动力的影响,除1号列车流线型头部长度短于TR08列车120mm外,2~4号列车分别长于TR08列车980、980和2880mm;为满足驾驶室内部空间的要求,除由于长度增长而使头部变得稍尖,最大水平轮廓线形状与TR08列车基本相同;为满足流线型曲面2阶连续条件,最大纵剖面轮廓线相对于TR08列车也有一些变化;2号列车为双拱头型,其他均为单拱头型。2气动性能数值模拟与结果分析21数学模型在直角坐标系中,三维可压缩粘性流体运动方程可由如下守恒型的控制方程来描述()t+div(U)=div(grad)+S(1)式中:为输运变量,可以代表u、v、w、T等求解变量;为广义扩散系数;S为广义源项。采用工程上常用的k-两方程湍流模型和气体状态方程f(p,,T)=0使控制方程组封闭。22几何模型计算模型取三车联挂,即头车+中间车+尾车,车与车之间以大风挡连接,见图8。磁悬浮列车是与轨道无接触运行的长大物体,因此必须考虑轨道对其气动性能的影响;另外还应考虑计算模型尾部流场的影响。参考以往轮轨列车流场的计算经验[5-6],本次研究模拟了轨道对列车气动性能的影响,尾流区域长度取688m,模型阻塞比为001

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