基于FLUENT的高速机车气动刮雨器数值模拟研究

摘要

列车大提速带来了巨大的经济效益，同时也带来了许多技术难题。国产机车刮雨器由于结构简单、强度单薄、故障率高、可靠性差等缺陷，性能无法达到高速机车使用要求，给行车带来安全隐患。株洲联诚集团于2004年开始引进国外先进技术，联合开发一种适用于我国高速列车的TASW-75型气动刮雨器。该刮雨器可用于速度300km/h的机车，具有可靠性高、寿命长、性能优良等优点。
　　 论文以TASW-75型气动刮雨器为研究对象，通过三维建模软件PRO-E建立了列车和刮雨器三维空气动力学模型，并对计算模型进行简化。鉴于模型的复杂性、计算要求和计算机性能，流体区域选择四面体网格，区域为长方体。利用大型流体分析软件FLUENT对速度为345km/h稳态运行列车外流场进行数值仿真，流场计算应用三维、定常、不可压缩的Navier-Stokes方程和双方程RNG k-ε模型。对刮雨器完整的运动仿真分解成三种特定位置仿真，通过分析三种特定位置下列车的速度场和压力场，得到列车外流场速度和压力分布情况，并提出了减小列车压差阻力的方法，为改善列车空气动力特性提供了理论依据。通过对比三种位置时列车各种空气动力特性，确定刮雨器对列车流场的影响。
　　 根据试验手册要求，论文对假定的三种特定位置刮雨器各表面压力进行分析、对比计算，考虑列车启动加速时加速度很大，增大刮刷和前窗正压力，论文计算了列车启动加速到345km/h时刮雨器驱动转轴的最大扭矩，求出的最大扭矩符合试验手册要求，验证了该型刮雨器驱动转轴达到设计要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1 论文的选题背景

1.2列车刮雨器简介

1.2.1 电动刮雨器

1.2.2气动刮雨器

1.3列车空气动力学的发展与国内外研究现状

1.3.1 列车空气动力学国内研究现状

1.3.2列车空气动力学国外研究现状

1.4应用数值方法模拟列车流场的意义

1.5课题研究内容及基本思路

1.5.1课题研究主要内容

1.5.2课题基本思路

本章小结

第2章CFD商用软件简介

2.1 CFD商用软件特点

2.2常用CFD软件

2.2.1 CFX

2.2.2 STAR-CD

2.3 FLUENT软件

2.3.1 FLUENT软件的主要特征

2.3.2 FLUENT软件的组成

2.3.3选用FLUENT软件的主要依据

2.4 ICEM CFD简介

2.4.1 ICEM CFD特点

2.4.2 ICEM CFD的网格划分模型

本章小结

第3章列车流场数值模拟的关健方法

3.1 CFD的求解过程

3.1.1建立控制方程

3.1.2建立数学及物理模型

3.1.3确定边界条件和初始条件

3.1.4划分计算网格

3.1.5建立离散方程

3.1.6离散初始条件和边界条件

3.1.7选择流场计算算法

3.1.8求解控制方程

3.1.9判断解的收敛性

3.1.10计算结果后处理

3.2基本控制方程

3.3 湍流模拟

3.3.1 湍流的数值模拟方法

3.3.2粘涡模型

3.3.3壁面函数

3.4列车外流场数值模拟中对流场特性的几条假设

本章小结

第4章列车稳态运行模型

4.1 网格介绍

4.1.1 网格类型

4.1.2网格单元的分类

4.1.3 网格生成过程

4.2列车外部流场的描述

4.3数学模型的建立

4.4几何模型的建立

4.5计算区域及网格划分

本章小结

第5章数值结果分析

5.1 边界条件

5.2列车空气阻力

5.3列车外流场数值分析

5.3.1 列车前端表面压力分布

5.3.2列车尾流场分析

5.3.3列车头流场速度分布

5.4列车刮雨器刮臂数值分析

5.4.1 列车刮雨器表面压力分布

5.4.2列车刮雨器表面摩擦系数分布

5.4.3列车刮雨器表面湍流特性

5.4.4列车刮雨器速度特性分析

5.5列车稳态运行刮雨器驱动扭矩计算

5.5.1 刮臂位于最内侧表面压力数值计算

5.5.2刮臂位于竖直位置表面压力数值计算

5.5.3刮臂位于最外侧表面压力数值计算

本章小结

结论与展望

结论

展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文