明线上高速列车气动阻力特性数值模拟研究

摘要

气动阻力是影响高速列车提速的关键气动指标之一，良好的阻力特性也是列车节能环保的重要标志。实验研究表明高速列车气动阻力与运行速度的平方成线性关系，当列车运行速度超过200km/h时，气动阻力约占总阻力的70％左右，运行速度超过300km/h时，气动阻力占总阻力的85％以上，列车速度越高，气动阻力占列车总阻力比值也越高。因此，减小牵引功率，降低能耗，提高经济效益的最关键问题是高速列车的气动减阻。
　　本文利用CD-adapco公司开发的基于有限体积法的STAR-CCM+计算流体力学软件对高速列车明线稳定运行和明线交会时列车气动阻力进行了数值模拟。本文流场计算的控制方程为雷诺时均法的三维湍流N-S方程，选用工程上常用的SST k-ω两方程湍流模型。采用有限体积法对计算域进行空间离散，并采用SIMPLE数值计算方法求解离散方程组。本文采用全y+壁面处理方法求解壁面边界层内的空气流动。
　　本文研究了高速列车明线稳态运行和明线交会时各车辆和转向架、受电弓、风挡等关键部位气动阻力特性，同时分析了列车运行速度和列车编组长度对高速列车明线运行气动阻力的影响，主要得出以下结论:
　　(1)明线稳态运行时，头车和尾车对列车总气动阻力的影响较大，占列车总气动阻力的33.7％，头尾车的压差阻力大于摩擦阻力，中间各车辆的压差阻力和摩擦阻力相当。
　　(2)明线稳态运行时，转向架系统对列车气动阻力的影响较大，占列车总气动阻力的30.8％，转向架和转向架腔体的气动阻力主要表现为压差阻力;风挡气动阻力占列车总气动阻力的8.5％，其压差阻力远远大于摩擦阻力;受电弓系统占列车总气动阻力的8.5％，也主要表现为压差阻力。
　　(3)明线稳态运行时，列车的气动阻力与列车运行速度成二次方关系;整车气动阻力与列车编组长度成线性关系，头尾车的气动阻力与编组长度关系不大。
　　(4)明线交会时，头尾车的压差阻力大于摩擦阻力，头尾车的气动阻力主要表现为压差阻力，中间各车辆的压差阻力和摩擦阻力在数值上相差不大;各车辆的压差阻力变化趋势与对应的总气动阻力的变化趋势相同，压差阻力是引起车辆气动阻力非定常特性的主要原因。
　　(5)明线交会时，转向架系统、风挡和受电弓系统等关键部位的气动阻力几乎都表现为压差阻力，压差阻力的变化趋势与气动阻力的变化趋势相同，摩擦阻力波动较小，呈现出定常特性。
　　(6)明线交会时，整车、头车和尾车气动阻力峰值与速度的平方也成正比。整车的气动阻力峰值与编组数成线性关系，编组长度对头尾车气动阻力峰值影响不大。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究的背景与意义

1．1．1 国内外高速铁路的发展

1．1．2 列车阻力及其空气阻力

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 研究方法和内容

2 基本理论和数值方法

2．1 流体力学基本控制方程

2．1．1 质量守恒方程

2．1．2 动量守恒方程

2．1．3 能量守恒方程

2．1．4 控制方程的通用形式

2．2 湍流模型

2．2．1 雷诺时均法(RANS)

2．2．2 湍流模型控制方程

2．2．3 壁面处理方法

2．3 流场计算的有限体积法

2．4 流场求解的计算方法

2．5 重叠网格技术

2．6 算法验证

2．6．1 文献[47]的数值验证

2．6．2 本文数值验证工作

2．7 本章小结

3 列车明线稳态运行气动阻力特性

3．1 计算模型与网格划分

3．1．1 计算模型

3．1．2 计算区域

3．1．3 网格划分

3．2 计算方法和边界条件

3．2．1 计算方法

3．2．2 边界条件

3．2．3 初始条件

3．3 气动阻力的结果与分析

3．3．1 车辆气动阻力

3．3．2 转向架系统气动阻力

3．3．3 风挡气动气动阻力

3．3．4 受电弓系统气动阻力

3．4 不同速度列车气动阻力特性

3．4．1 列车整车气动阻力与速度关系

3．4．2 头、尾车气动阻力与速度关系

3．4．3 中间各车辆气动阻力与速度关系

3．5 不同编组数列车气动阻力特性

3．6 本草小结

4 列车明线交会气动阻力特性

4．1 计算模型与网格划分

4．1．1 计算模型和计算区域

4．1．2 网格划分

4．2 计算方法和边界条件

4．2．1 计算方法

4．2．2 边界条件

4．3 气动阻力的结果与分析

4．3．1 车辆气动阻力

4．3．2 转向架系统气动阻力

4．3．3 风挡气动阻力

4．3．4 受电弓系统气动阻力

4．4 不同速度等级列车等速交会气动阻力特性

4．4．1 列车整车气动阻力与速度关系

4．4．2 列车头车气动阻力与速度关系

4．4．3 列车尾车气动阻力与速度关系

4．5 不同编组数列车等速交会气动阻力特性

4．5．1 列车整车气动阻力与编组关系

4．5．2 头车气动阻力与编组关系

4．6 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位区间的研究成果