高速列车隧道内流场特性数值模拟研究

摘要

随着列车速度的不断提高,高速列车隧道空气动力学问题越来越重要。列车以较高速度在隧道内运行时隧道内流场发生剧烈变化,对列车的平稳运行、旅客舒适性以及隧道内的工作人员均有很大影响。因此,对高速列车在隧道内运行时引起的流场变化进行深入研究具有重要意义。
　　 本文研究是基于有限体积法STAR-CD软件以及块结构化网格,采用三维常物性定常不可压缩流动N-S方程的SIMPLE算法,对比国外典型模型试验数据,对ICE2高速列车在侧风环境下的空气绕流进行数值模拟网格独立性研究。应用二次非线性高雷诺数κ-ε模型和MARS差分格式,主要从优化y+和改变网格节点数量这两大方面来进行,后者为在流向或展向上增加、减少网格数。通过数值计算求解出的流场压力分布、侧向力系数及升力系数与风洞实验数据进行对比,结果表明:当y+取值为50时计算结果较好;在此基础上,对网格增加或减少,计算结果表明,网格数在一定范围内其空气动力学系数偏差不大,实现了网格独立性。网格独立性的实现为第四章研究隧道内流动特性网格的划分提供了依据,为得到可信的计算结果提供保证。
　　 假定隧道无限长,对列车在隧道内情形进行数值模拟,通过处理典型隧道截面压力云图,清晰的展示出同一截面的压力分布。通过处理车头车尾处的压力云图得知,车头车尾处靠近隧道壁一侧压力要比靠近隧道中心侧压力低,车头、车尾与平直车体连接处负压较大,存在流动分离。通过取得典型截面流线图得知,涡旋在车头与平直车体连接处生成,沿着平直车体方向逐渐发展、耗散直至在车尾与平直车体连接处附近消失。通过对比IT模型和OTI模型的计算结果,在车头与车尾周围压力场的压力分布基本一致,压力值存在一定差异。通过分析非定常流动计算得知,在列车头、尾部,列车左右压力存在压差且压差周期性变化,因此当压差增大时,在车头、车尾部会引起列车横向摆动。
　　 本文通过处理典型截面压力云图、流线图、车体表面压力云图以及Cp值,结合流体力学知识解释列车在隧道内流场的流动特征。通过详细取得典型截面流线图使得对涡旋的产生、发展以及耗散有了进一步认识。本文研究为今后进一步进行非稳态计算和揭示流动特性提供重要参考。本研究具有切实的理论意义和实用价值。