基于NURBS的地铁列车车头造型及其气动性能分析

摘要

随着城市化的进程，城市人口越来越多，城市交通拥堵问题越来越严重，地铁系统能够很好的缓解城市交通压力，因此很多城市开始新建地铁，预计到2020年我国将有45座以上城市建成地铁。地铁列车作为地铁系统最主要的组成部分，承担着运送乘客的重要任务，地铁列车速度也在逐渐提高，以提升运力。通过设计合理的地铁外形能有效的降低空气阻力，提高地铁列车运行速度，并且能够降低运行成本。
　　本研究主要内容包括：⑴通过CATIA软件构造了三种方案的地铁列车车头，方案一借鉴现有车型，方案二对方案一局部过渡面进行优化，使过渡面更加光滑，方案三吸收高速列车的优秀设计，构造出一个流线型的车头。在设计过程中对方案的主轮廓NURBS曲线进行了曲率优化，并通过光照型检查对车头曲面进行了光顺性分析，使造型更加的合理。⑵通过FLUENT软件对三种方案进行流场数值仿真，在仿真过程中通过对车身周边添加边界层，使其能够精确捕捉其流场分布。根据地铁列车常见的三种工况对设计的三种方案分别进行分析，可以实现各方案之间的有效的对比。对比结果表明，流线型越好的方案最大静压力、最大动压力等都有明显的减小，尤其是随着工况速度的提高，流线型设计的效果更加明显。⑶流场数值仿真的结果进行有关计算，得到三种方案车头的空气阻力系数，结果显示，方案一空气阻力系数为0.6，方案二为0.55，方案三为0.35。这一结果可以很好的运用于地铁列车车头外形的设计中，对于速度要求较低的地铁列车可以根据现有设计车型进行局部优化来降低空气阻力系数，对于速度要求较高的地铁列车通过流线型设计可以极大的降低空气阻力系数。对于地铁列车车头外形设计提供了一定的依据。