B型地铁车辆头型优化设计与气动性能评价研究

摘要

随着城市化进程的不断加快，城市交通压力日益增长，地铁已经成为世界上各大城市首选的用于缓解交通压力的重要举措，其同样也是加强城郊联系和带动周边城市群不断发展的重要交通工具之一。地铁以其高效、节能、环保的特点，已经备受人们的青睐，并且对其运行速度的要求也在不断提高。我国已有城市开通了运行速度为120km/h地铁列车，多个城市已在规划建设速度更高的城郊地铁列车。地铁车辆速度的提高必然会带来一系列的空气动力学问题。因此，论文分别采用三维数字化和CFD(ComputationalFluid Dynamics，计算流体动力学)方法，对B型地铁车辆头型进行了合理的改进和气动性能仿真分析，可为地铁车辆头型优化与再创新设计提供参考依据。
　　论文以我国某城市的B型地铁列车为改进对象，计算模型采用三辆编组形式，应用CATIA软件所提供的NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines，非均匀有理B样条)曲线曲面造型方法，在保持计算模型长度、宽度和高度不变的情况下，调整车端至司机室侧门中心线距离和车头曲面弧度，分别完成了两种B型地铁车辆车头设计。地铁列车的速度通常低于高速列车，因此其头部的流线型尺寸只能适当加长。设计完成后分别采用等照度线和高斯曲率评价方法对车头曲面质量进行了光顺评价。
　　应用ANSYS Fluent16.0流体计算软件，选取七种不同速度工况，分别完成了三种不同头型地铁列车外部流场模拟计算。列车外部流场采用不可压缩方程Ⅳ-S和标准的k-ε湍流模型，比较分析了三种地铁列车设计方案在相同速度工况下气动阻力、气动升力以及车头表面压力等数据的差异。此外，通过对数据的拟合处理，得到了三种地铁列车设计方案的阻力系数分别为0.39、0.33和0.22，升力系数分别为0.22、0.24和0.08，阻力与升力的数值大体均随头车流线型尺寸的加大而逐渐减小。
　　最后，论文综合对比分析了三种不同头型设计方案的地铁列车在七种速度工况下的气动性能，表明随着地铁列车速度的不断提高，优化设计后的两种流线型地铁列车气动性能均优于现有的钝体型地铁列车。方案3地铁列车头车流线型优化效果较好，车头两侧与车身过渡均匀流畅，其气动性能最佳。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及研究意义

1．1．1 地铁发展背景

1．1．2 空气动力学发展背景

1．1．3 研究意义

1．2 列车空气动力学研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 列车造型研究现状

1．4 本论文主要工作及意义

2 B型地铁车辆头车优化设计

2．1 地铁头车曲面设计理论基础

2．1．1 NURBS曲线曲面理论

2．2 地铁头车曲面优化设计

2．2．1 设计原则

2．2．2 地铁头车设计内容

2．3 地铁车辆头车曲面质量评价

2．3．1 等照度线法评价

2．3．2 高斯曲率评价法

2．4 地铁头车涂装设计

2．5 本章小结

3 B型地铁车辆气动性能分析前处理

3．1 气动性能分析方法

3．1．1 实车测量方法

3．1．2 模拟风洞试验方法

3．1．3 数值模拟计算方法

3．2 流场数值计算基本理论

3．2．1 流体力学基本方程

3．2．2 计算流体力学方法

3．2．3 湍流模型

3．2．4 湍流运动基本方程

3．3 流场数值模拟计算过程

3．3．1 数值模拟关键方法

3．3．2 模拟计算流程

3．4 流场数值模拟前处理

3．4．1 数学模型

3．4．2 几何模型

3．4．3 定义计算域

3．4．4 网格划分

3．4．5 定义边界条件

3．5 本章小结

4 B型地铁车辆气动阻力和升力计算分析

4．1 气动阻力结果分析

4．2 气动升力结果分析

4．3 本章小结

5 B型地铁车辆车头外部流场压力与速度计算分析

5．1 车头列车风

5．2 车头空气压力

5．2．1 80km／h速度工况车辆外流场压力分布

5．2．2 120km／h速度工况车辆外流场压力分布

5．2．3 160km／h速度工况车辆外流场压力分布

5．3 车辆头部空气速度场特性分析

5．3．1 80km／h速度工况车头空气流场速度矢量图

5．3．2 120km／h速度工况车头空气流场速度矢量图

5．3．3 160km／h速度工况车头空气流场速度矢量图

5．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果