高速列车浇流及尾流特性数值模拟研究

摘要

随着京津、武广客运专线相继开通,未来铁路客运超过350km／h已成为必然趋势,在高速列车速度不断提升的同时,各种空气动力学现象更加突出,空气动力学问题已成为高速动车组中关键的技术问题。
　　 高速列车空气动力学中的绕流问题,实际上就是复杂钝体的绕流,伴随流动的分离再黏着以及湍流流动尾流中不稳定的涡结构。作为钝体绕流的基础算例验证,本文首先对二维层流不稳定圆柱绕流进行了数值模拟研究,对STAR-CD软件模拟层流流动有了初步的研究。其次,研究了二维类山体的流动,其中采用高雷诺数k-ε模型结合壁面函数法以及雷诺应力模型,并且对两种湍流模型的计算结果进行了比较。类山体的几何外形非常接近CRH3列车顶部的空调导流罩部分,因此,类山体的流动分析为ICE2以及CRH3列车的湍流计算提供了最基本的方法及经验。
　　 在模拟旋成体高速列车模型时,同样用高雷诺数 k-ε模型进行了偏航角90°的横风模拟,得出车体表面的压力系数,与实验数据对比后吻合的比较好。通过后处理软件,很清晰的显示了车体表面流线的分布以及尾流区涡核的位置。在商业软件STAR-CD的平台上验证了计算方法的合理性。其次对简化的ICE2车体实验模型进行了偏航角30°的绕流数值模拟分析,得到了车体三个方向的受力系数以及车体表面的压力系数,分析了流场的特征,计算结果可信。通过与文献对比,再次在商业软件STAR-CD的平台上验证了计算方法的合理性。
　　 鉴于CRH3列车模型的几何形状非常的复杂,用结构化网格进行划分存在一定的难度,所以目前国内采用结构化网格来模拟CRH3高速列车的研究非常少。本文的创新点就在于采用结构化网格来划分CRH3列车模型,结构化网格在计算成本上要远小于非结构化网格,并且在模拟三维分离流动有一定的优势。在模拟旋成体高速列车模型和简化ICE2车体的基础上,进一步对CRH3高速动车组1:1实车三节车全车模型进行了偏航角为0°,30°以及90°的数值模拟。其中湍流模型采用高雷诺数k-ε占线性模型对CRH3高速动车组进行数值模拟,分析了流场分布特征、列车表面压力分布和各节车厢阻力分布,为今后高速列车的数值模拟提供参考依据。