高速列車空氣動力學研究技術(shù)綜述

高速列車空氣動力學研究技術(shù)綜述

研究問題的提出高速列車是在地面上高速運行的薄體。由于長尺比大，地面覆蓋，在高速運行過程中存在與航空宇宙飛船不同的空氣動力學問題。這些問題主要包括：動力阻力問題、橫風效應(yīng)、車輛激勵效應(yīng)、隧道效應(yīng)和氣聲干擾。當運營速度超過200kmh時，動力阻力約占總阻力的70%，運營速度超過300kmh時，阻力阻力占總阻力的85%以上。運行速度越快，阻力越高。因此，降低成本和提高經(jīng)濟效率的問題必然需要減少振動阻力。橫向風對列車的影響是運行安全的重要因素。研究表明，在強橫風的作用下，高速列車的動力阻力、提升力和方向力急劇增加，橫向穩(wěn)定性明顯惡化，容易發(fā)生傾角和傾斜事故。中國僅有公交車通過。2010年，由于強風，公共汽車上的乘客脫離了過去40年的事故，超過110輛公交車被打死，這對車輛結(jié)構(gòu)強度、乘客舒適度和運營安全產(chǎn)生了重大影響。此外，隨著運營速度的提高，這種影響和損害的影響更加嚴重。中國的高鐵列車穿越隧道等復雜道路的“四縱四橫”線路網(wǎng)的建設(shè)越來越受到重視。高速列車進入隧道，使隧道內(nèi)的空氣在隧道內(nèi)產(chǎn)生了復雜的波動過程。隧道壁的反射和隧道內(nèi)的聲音在隧道內(nèi)傳播，導致微氣波，這對隧道附近的環(huán)境有顯著影響。高速列車的動態(tài)阻力是衡量高速列車乘坐舒適度和沿線環(huán)境影響的重要指標之一。高速列車的噪聲分為結(jié)構(gòu)噪聲和動態(tài)噪聲，其中聲干擾約為三個方向的正比，代表了高速列車的主要部分。高速列車的噪聲是衡量高速列車運營舒適性和沿線環(huán)境影響的重要指標之一。高速列車的噪聲分為結(jié)構(gòu)噪聲和動態(tài)噪聲。其中，聲干擾約為三個方向的正比，占高速列車噪聲的主要部分。隨著高速高鐵速度的提高，客運噪聲必然是高速列車設(shè)計中考慮的主要因素之一。因此，為了實現(xiàn)高速客運安全、快速、舒適、環(huán)境友好的目標，必須研究和解決上述空氣動力學問題，具有非常重要的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟價值。研究高速列車的空氣動力學問題,目前主要采用的研究手段有模型試驗、實車測量、數(shù)值計算和理論分析.本文總結(jié)歸納了近年來國內(nèi)外在高速列車空氣動力學研究方面的技術(shù)進展,對于存在的問題和未來的發(fā)展進行了初步介紹.以期通過對這些技術(shù)成果的闡述,為我國高速列車空氣動力學研究的深入進行提供參考和借鑒.1高速列車模型風洞試驗的研究方法高速列車模型試驗研究手段主要包括風洞試驗、動模型試驗、水槽或水洞試驗.其中,風洞試驗是當前應(yīng)用最廣泛的研究手段之一.對于高速列車模型試驗研究,主要原理是運動相對性原理和流動相似原理.主要采用部分模擬相似條件,包括幾何相似和流動相似.幾何相似和運動相似較容易滿足,重點考慮動力相似準則.由于模型試驗過程的介質(zhì)都是空氣,可以認為比熱比γ、普朗特數(shù)Pr和弗勞特數(shù)Fr等相似準則和列車實際運行時相同.模擬的相似準則主要是雷諾數(shù)Re相似.研究表明,流體存在兩個自模擬區(qū),即第1自模區(qū)和第2自模區(qū).當模型與實物處于同一個自模區(qū)時,模型與實物的Re不必保持相等,模型試驗的結(jié)果(或者做適當?shù)男拚?就可以用到實物中去.高速列車模型試驗的氣動力也存在自模擬區(qū),只要試驗Re接近106,則模型試驗的氣動力試驗結(jié)果隨Re的增加變化很小,而且,試驗結(jié)果可以直接用于實車[14-15].根據(jù)研究目的和內(nèi)容不同,高速列車模型風洞試驗一般分為部件影響試驗和整車性能試驗.其中,部件影響試驗主要考察不同頭型、受電弓及受電弓導流罩、空調(diào)導流罩、外風擋、裙板、轉(zhuǎn)向架導流板等對高速列車氣動特性尤其是氣動阻力的影響及規(guī)律,從而獲得有效的氣動外形優(yōu)化措施尤其是減阻措施.整車性能試驗主要考察整車設(shè)計、綜合空氣動力性能是否滿足設(shè)計要求、極限工況的適應(yīng)范圍以及研究高速列車運行對環(huán)境影響等等.經(jīng)過近幾年的技術(shù)發(fā)展,目前,高速列車模型風洞試驗的研究方法主要包括氣動力測量(測力)、表面壓力測量(測壓)、空間與表面流場測量與顯示、模型外部氣動噪聲測量,以及交會壓力波與隧道壓力波測量等[16,17,18,19,20,21,22,23,24,25].在氣動力測量方面,地面效應(yīng)模擬的好壞直接關(guān)系到試驗結(jié)果的優(yōu)劣,因而一直都是一個關(guān)鍵技術(shù).高速列車地面效應(yīng)的研究方法包括理論分析、風洞試驗、實車測量和數(shù)值計算.現(xiàn)階段,對于高速列車的地面效應(yīng)難以通過數(shù)值計算方法準確解析,必須采用實車測量方式認識地面效應(yīng)在不同速度級下的變化規(guī)律和載荷特征.目前采用的邊界層控制技術(shù)包括:在風洞下洞壁加裝反射板,通過墊高的辦法脫離風洞附面層平均位移厚度;在風洞下洞壁增加開槽、吹氣或吸氣裝置消除附面層;通過移動帶運動將固定地板轉(zhuǎn)變?yōu)檫\動壁面從而消除附面層等.綜合來看,不同的方法各有優(yōu)勢也存在相應(yīng)的缺陷,相對而言通過吸氣的方法消除附面層似乎更加簡單明了.在模型測力方面,列車專用地效模擬裝置、專用試驗天平、多天平技術(shù)的發(fā)展使得列車編組試驗能力和數(shù)據(jù)精準度得到了大幅提高[16,17,18,19,20,21,22].歐洲在DNW(Deutsh-Niederl¨andischewindkan¨ale)風洞中采用1∶7,1∶10,1∶15和1∶25的一節(jié)頭車加半節(jié)中間車的編組模型,對ICE(intercityexpress)和TGV(train`agrandevitesse)高速列車在無路基、單線路堤和復線路堤等路況下開展試驗側(cè)偏角從0?～90?狀態(tài)下的氣動力測量試驗研究,獲得了在不同風速和風向的側(cè)風狀態(tài)下,橫向氣動力和力矩最大的頭車的氣動特性,以此作為ICE和TGV高速列車抗側(cè)風安全性的依據(jù).試驗模型如圖1所示.中國空氣動力研究與發(fā)展中心(以下簡稱氣動中心)8m×6m大型低速風洞是國內(nèi)較少能進行大比例列車模型多車編組、多天平測力試驗的風洞之一.該風洞分別進行過6車編組、9車編組以及3車編組(最大比例1∶6)等試驗研究,開展最多的是1∶8縮比的3車編組試驗研究.該風洞最近又發(fā)展和完善了一節(jié)頭車加半節(jié)中間車編組的試驗技術(shù),專門用于側(cè)偏角-90?～90?范圍內(nèi)列車抗側(cè)風安全性研究.在模型表面壓力測量方面,近年來,除列車表面靜態(tài)壓力測量[16,17,18,19,20,21]的規(guī)模不斷提升外,脈動壓力測試技術(shù)在列車空氣動力研究方面取得了長足的進步.其中,靜態(tài)壓力測量方面目前已在風洞試驗中開展過最多同時對車身表面近500個測壓點的靜態(tài)壓力測量.列車模型表面壓力測量如圖2.脈動壓力測試在風洞中的運用主要是以完成列車交會壓力波測量、局部區(qū)域壓力變化對車體結(jié)構(gòu)影響等方面.在高速列車模型表面流場測量與顯示方面,目前主要采用的有流場定性顯示與定量測量技術(shù).其中流場的定性顯示技術(shù)包括外加材料顯示法、光學顯示法和能量注入顯示法(又稱示蹤法).其中外加材料顯示法包括煙線法、油膜法和絲線法.煙線法可以研究邊界層結(jié)構(gòu)、分離流動和旋渦流動的機理.油膜法主要用于顯示空氣介質(zhì)中固體表面附近的流場情況.絲線法是根據(jù)絲線在模型表面的流動狀態(tài)判斷模型表面的流場情況(層流、湍流或分離).在流場的定量測量方面,目前已經(jīng)發(fā)展了粒子圖像測速(particleimagevelocimetry,PIV)、七孔探針測速、激光誘發(fā)熒光(laserinducedfluorescence,LIF)、激光分子測速(lasermoleculevelocimetry,LMV)和壓敏涂層測壓(pressuresensitivepaint,PSP)等技術(shù),它們兼有定性顯示和定量測量的能力.在高速列車模型外部流場的定性顯示與定量測量方面,氣動中心具有全面的技術(shù)研究手段.其4m×3m低速風洞的空間六自由度移測裝置獨具特色,可以進行尾流場的測量,還可利用PIV測量技術(shù)和七孔探針測量技術(shù)對高速列車模型局部流場進行定量測量.氣動中心自行研制的單管煙流發(fā)生器和0.4m×0.4m水洞可以對全車或局部的流場特性進行定性顯示和定量測量.氣動中心的列車模型局部流場的定量和定性測量分別如圖3和圖4所示.在高速列車模型氣動噪聲測量方面,目前同濟大學地面交通工具風洞中心代表了國內(nèi)先進水平.該中心的多功能風洞能進行1∶8縮比、3車編組的高速列車模型的整車及頭型、轉(zhuǎn)向架、受電弓、受電弓導流罩、轉(zhuǎn)向架裙板、風擋等部件的氣動聲學試驗,包括列車模型在不同工況條件下的自由場傳聲器測試、麥克風陣列測試、表面?zhèn)髀暺鳒y試.目前已經(jīng)為國內(nèi)高速列車研制單位開展了多期高速列車模型整車及部件的氣動噪聲測量試驗,獲得了高速列車典型部件的氣動聲學特性.在列車模型交會壓力波和隧道壓力波的測量方面,氣動中心率先在國內(nèi)風洞中采用空間換時間的方法利用風壓板對不同頭型高速列車交會壓力波進行過測量,參見圖5.經(jīng)過多年的研究和大量的實車測量與風洞試驗對比研究表明,風壓板測量結(jié)果趨勢正確但數(shù)據(jù)準確性不足.隧道壓力波測量目前的主要試驗方法有淺水槽法和動模型法.其中淺水槽法是根據(jù)自由表面水波運動的波高與可壓縮流體運動壓力的相似關(guān)系,通過測定列車模型在淺水槽中所激起的水波高度,求得空氣壓力變化,從而模擬高速列車過隧道的壓力波動規(guī)律.美國和日本分別于1979年和1993年采用水槽法研究了列車通過隧道的空氣動力學問題,獲得了很有參考價值的數(shù)據(jù)和規(guī)律.西南交通大學曾利用淺水槽法模擬了時速500km的高速列車過隧道的氣動問題,得到了令人滿意的結(jié)果.另一種研究高速列車過隧道等相對運動的方法是動模型試驗.1991年英國Derby鐵路研究中心建成了用橡皮繩彈射的大尺度列車氣動性能動模型試驗裝置.該裝置的模型比例為1∶25,有3條長150m的線路,列車模型速度可達300km/h,能真實模擬列車交會和過隧道的空氣動力效應(yīng).日本學者Ozawa等在改進的動模型試驗裝置中,以壓縮空氣為動力,使得模型的發(fā)射速度達到了100m/s,采用全長25m的導管模擬隧道,列車模型得到速度后,依靠慣性在導管內(nèi)滑動,為保證其等速性,整個導管成8?傾角放置.荷蘭研制的新型動模型發(fā)射實驗裝置,采用空氣炮來發(fā)射列車模型,模型試驗速度高達500km/h,隧道模型長度為10m.國內(nèi)采用動模型法的典型代表有中南大學和西南交通大學,分別建有列車模型發(fā)射式實驗裝置.其中,中南大學高速列車研究中心1998年建成的動模型試驗裝置是世界上最大的,由雙軌組成,試驗線總長164m,可進行1∶16～1∶20縮比,3車編組最高運行速度350km/h,且可調(diào)線間距的動模型模擬試驗.根據(jù)流動相似原理,通過彈射方式使列車模型在線路模型上無動力高速運行,真實再現(xiàn)列車交會與過隧道等空氣三維非定常、非對稱流動現(xiàn)象,以模擬兩交會列車之間和列車與周圍環(huán)境(地面、隧道、道旁建筑等)之間的相對運動,并真實地反映地面效應(yīng),彌補了風洞試驗無法模擬的相對運動,其試驗裝置如圖6.西南交通大學試驗中心建立的壓縮空氣式列車模型發(fā)射裝置的最大發(fā)射速度可以達到100m/s,列車模型輪廓尺寸可達40mm×60mm×30mm,有效運行距離為20m.列車模型通過壓縮空氣從發(fā)射裝置中射出,進出隧道模型后產(chǎn)生氣動效應(yīng),通過在隧道壁上設(shè)置的傳感器記錄壓力和噪聲的變化,通過調(diào)整模型速度、隧道阻塞比及不同形式的緩沖結(jié)構(gòu),模擬列車在不同工況下進出隧道的氣動噪聲和壓力波測量,試驗裝置如圖7.值得一提的是,目前世界上的高速列車最快運行速度超過300km/h,國內(nèi)上海磁懸浮列車最高運行速度達到了430km/h,而且正在研制的高速列車運行速度也達到了500km/h.目前國內(nèi)幾乎沒有開展馬赫數(shù)超過0.3的高速列車氣動特性的風洞試驗研究,主要開展的是高速列車在馬赫數(shù)低于0.3的不可壓縮流動狀態(tài)下的氣動特性風洞試驗研究.在低速不可壓縮流動范圍內(nèi),根據(jù)Re相似原理,高速列車的氣動特性存在自模區(qū),目前開展的高速列車風洞試驗研究幾乎都能保證進入自模區(qū),當達到進入自模區(qū)的試驗風速后,氣動特性隨風速的增加變化很小,因此沒有進一步提高試驗風速的必要.2實車壓力測量系統(tǒng)的改進當前,實車測量包括列車氣動阻力、車身表面脈動壓力、車廂內(nèi)部壓力測量,列車空調(diào)、冷卻風和進排氣口的氣流流速與流量測量,以及列車運行過程對周圍環(huán)境和結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的氣動噪聲、微氣壓波以及列車風的測量等等.其中,壓力測量主要是列車在明線狀態(tài)、隧道內(nèi)交會與非交會狀態(tài)下的壓力測量[41-51].對于高速列車實車的氣動阻力測量,目前是在專用線路(如環(huán)形線)或營業(yè)線路上,采用動力計法(多為推送法,含瞬時及平均距離間隔兩種處理方式)或溜放法試驗,測定為數(shù)眾多的不同速度下基本阻力值.按10km/h左右速度間隔的合并點,或直接用數(shù)據(jù)處理的數(shù)學方法(如最小二乘法)將總阻力或單位阻力處理成速度的二階方程,從而獲得列車的氣動阻力.壓力和微氣壓波的測量主要是在高速列車車體內(nèi)外側(cè)或環(huán)境物表面(如隧道壁面或建筑物表面)選擇合適測點,采用不同壓力傳感器裝置測量.在實車壓力測量方面,目前,由于高速列車都是采用全封閉結(jié)構(gòu),在車體不允許破壞的情況下,存在測點導管進入車內(nèi)非常困難的現(xiàn)實問題.因此,實車表面壓力測量不宜開展大量測點的測試.為了使有限的測點布置合理,需要遵循以下原則:(1)由于高速列車的縱向?qū)ΨQ性,測壓點一般布置在車身縱向?qū)ΨQ面的一側(cè);(2)測壓點一般集中布置在頭部和尾部等表面壓力變化較大的部位,表面壓力變化較平緩的車身宜少量布點;(3)高速列車車體強度的薄弱和重點關(guān)注部位,也應(yīng)作為重點布點部位.在實車表面脈動壓力測量和車廂內(nèi)部壓力測量中,為了減小傳感器的粘貼對測點部位流場的影響,所選傳感器必須具備薄、小和輕的特點,目前采用的脈動壓力傳感器有諸如8515C-15型薄片式絕對壓力傳感器、85108-2差壓式脈動壓力傳感器和國內(nèi)自主研制的拍式感壓片等,參見圖8,配合FocusII動態(tài)信號分析儀和計算機等設(shè)備,完成測試數(shù)據(jù)的采集與處理.傳感器的粘貼必須平整和牢固,傳感器所連測壓管應(yīng)與車身縱向剖面成45?角粘貼在表面,測壓管路應(yīng)在車身表面順著來流進行平整和組合,并盡量選取車身溝、槽或縫作為走道,從而減小傳感器及測壓管路對測點部位流場的影響.實車壓力測量中參考壓的選取是一個關(guān)鍵的技術(shù)問題.對于采用以上壓差傳感器進行高速列車運行過程中的壓力測量時,由于穩(wěn)定可靠的參考壓的獲取存在困難,國內(nèi)有學者比較了采用風速管靜壓作為參考壓、車內(nèi)環(huán)境壓力作為參考壓和恒溫密封瓶法等方法,經(jīng)過實踐檢驗,采用恒溫密封瓶法獲得穩(wěn)定可靠參考壓的效果最佳.該方法是在車廂內(nèi)部放置一個密封的玻璃瓶,將該玻璃瓶浸泡在一個盛有冰水混合物的保溫桶內(nèi),玻璃瓶口用橡皮塞密封,用一玻璃小管將瓶內(nèi)壓力引至壓力掃描閥,恒溫密封瓶法參見圖9.側(cè)風的干擾也是實車壓力測量中的一個常見問題,為了消除側(cè)風對測試數(shù)據(jù)的干擾,目前工程上主要通過在車體兩側(cè)布置對稱點(一般至少3對),將對稱點的壓力差值作為衡量側(cè)風對測試結(jié)果影響的重要依據(jù).另外,中南大學高速列車研究中心的學者對列車實車測量的各種影響因素進行了研究,提出了諸如高速列車交會壓力波測量的采樣頻率取1000Hz,濾波頻率取100Hz等非常具有實際指導價值的建議.列車交會狀態(tài)是實車壓力測量的一個重點和難點工況.其技術(shù)難點主要在于必須實時測定兩列交會列車的相對速度和列車間距.國外如日本是采用在試驗列車表面打孔并安裝傳感器測定的方法,而我國的實車測量幾乎都不允許破壞列車表面,為此,國內(nèi)學者研發(fā)了一套新型測試系統(tǒng),包括紅外光電測速系統(tǒng)、超聲波測距系統(tǒng),成功解決了上述工程問題.在列車隧道空氣動力效應(yīng)的實測方面,日本1975年在山陽新干線試運行的實測過程中首次發(fā)現(xiàn)了微氣壓波現(xiàn)象,并在后期的新干線上進行了大量的實車試驗研究,獲得了隧道出口微氣壓波與隧道長度及道床類型的關(guān)系.法國研究人員對TGV動車組在300km/h的速度通過100m2的隧道并交會的工況下進行了實車試驗,得到了隧道內(nèi)壓力隨隧道長度的變化規(guī)律.在我國列車進一步提速及修建高速鐵路客運專線迫切要求解決隧道列車空氣動力效應(yīng)問題的背景下,中南大學軌道交通安全教育部重點實驗室分別于2005年和2007年進行了遂渝線200km/h等級有碴隧道空氣動力效應(yīng)實車試驗(有碴軌道)及遂渝線無碴軌道隧道空氣動力效應(yīng)實車試驗,獲得了列車過隧道時車廂內(nèi)、外空氣壓力變化,及隧道口微氣壓波、隧道內(nèi)列車風、隧道壁面振動加速度等重要參數(shù).對于列車空調(diào)、冷卻風和進排氣口的氣流流速、流量的測量,可以采用壓力耙(一根靜壓探針,其余為總壓探針)布置在氣流口,將耙上探針的壓力用塑料軟管引至壓力掃描閥系統(tǒng)進行氣流動壓的測量,然后將動壓轉(zhuǎn)化為氣流速度及進行流量計算,壓力耙測量法如圖10.對于高速列車實車的氣動噪聲測量,主要測量設(shè)備包括噪聲測量的傳聲器(陣列)、實時分析聲級計和測定列車運行速度的輔助設(shè)備.一般是在距離列車軌道中心一定距離的某一位置布置傳聲器陣列,聲信號經(jīng)傳聲器接收并放大和轉(zhuǎn)換,輸入計算機進行后處理.高速列車實車現(xiàn)場氣動噪聲測量如圖11.日本在新干線列車上進行了大量實車噪聲測量研究,將高速列車運行時的噪聲源分為5類:受電弓噪聲、頭部噪聲、車體上部噪聲(車廂連接處噪聲)、車體下部噪聲(轉(zhuǎn)向架噪聲和輪軌噪聲)和結(jié)構(gòu)噪聲,研制出了低噪聲受電弓、Z子截面受電弓隔聲板、全包大風擋、雪犁罩和車體底部吸聲結(jié)構(gòu)等措施,取得了很好的降噪效果,如圖12所示.荷蘭國家應(yīng)用科學研究院(TheNetherlandsOrganizationForAppliedScientificResearch,TNO)1996年利用SYNTACAN聲學陣列法,對TGV列車以330km/h的速度運行時的噪聲進行了測量,繪制了聲學圖像,清晰地獲得了TGV高速列車噪聲源位置和噪聲分布特征.國內(nèi)在高速列車氣動噪聲實車測量方面的研究起步相對較晚.同濟大學對上海磁懸浮列車在距軌道中心35m處的氣動噪聲進行了測量,將噪聲源分為繞流聲、附面層噪聲和尾流噪聲,獲得了噪聲脈沖性和間歇性的特征.2012年4月,北車長春軌道客車股份有限公司和氣動中心對深圳地鐵2號線的列車車外(主要是頭部)和車內(nèi)的氣動噪聲進行了實車測量,得到了地鐵列車在過隧道過程中的噪聲變化規(guī)律,如圖13.對于高速列車的列車風測量,目前可以采用超聲波風速儀或熱線風速儀進行測量.在大量實車測試研究的基礎(chǔ)上,目前世界各國制定了不同的安全列車風標準.日本要求安全列車風速不大于9m/s,英國的標準為不大于11m/s,我國制定的《時速200公里新建鐵路線橋隧站設(shè)計暫行規(guī)定》提出站臺旅客和鐵道線路作業(yè)人員所能承受的列車風速不大于14m/s.3基于湍流流動模型的數(shù)值計算方法在高速列車空氣動力學的研究中,數(shù)值計算的適用范圍最廣.理論上,任何高速列車空氣動力學問題都可以進行數(shù)值計算的方法加以解決.近年來數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下方面:專業(yè)數(shù)值計算軟件的開發(fā)和應(yīng)用,數(shù)值計算方法的改進和完善,包括網(wǎng)格技術(shù)的發(fā)展等.在高速列車空氣動力學數(shù)值計算軟件方面,國內(nèi)高校和科研院所主要采用自主研發(fā)的計算分析軟件或采用從國外引進的大型CFD(computationalfluiddynamics)商用軟件.國內(nèi)自主研發(fā)的、專門針對高速列車空氣動力學的計算軟件的典型代表有氣動中心開發(fā)的WS3D(widescreen3D)氣動計算軟件,中南大學研發(fā)的相對運動數(shù)值模擬軟件、三維近尾流場數(shù)值積分軟件和三維流場數(shù)值計算軟件,西南交通大學開發(fā)的基于一維可壓縮非穩(wěn)態(tài)流理論和特征線方法的隧道壓力波軟件.國外引進的大型商用CFD計算軟件的典型代表有FLUENT,CFX,PHOENICS,STAR-CD,ANSYS和CFdesign等.值得一提的是,相同氣動現(xiàn)象的數(shù)值計算結(jié)果經(jīng)常隨著計算軟件和計算方法的不同依然存在較大差異,需要模型試驗或?qū)嵻嚋y量結(jié)果進行驗證.在高速列車流動問題的數(shù)值計算中,若以列車寬度為特征長度,當列車速度達到300km/h,其流場雷諾數(shù)達到了107,流場處于湍流狀態(tài).湍流流動問題的數(shù)值計算至今是一個沒有得到很好解決的問題.目前在對湍流的數(shù)值模擬方面采用的方法主要分為3類:(1)直接模擬.用三維非穩(wěn)態(tài)的Navier--Stokes方程對湍流進行直接的數(shù)值計算.(2)大渦模擬.用非穩(wěn)態(tài)的N--S方程直接模擬大尺度渦,不直接計算小尺度渦,小渦對大渦的影響通過近似的模型來考慮.(3)Reynolds時均方程加湍流模型.把時間平均值的概念用于列車周圍流場動力學控制方程中,則流體動力學控制方程中的瞬時流動參數(shù)可由其平均值和脈動值來表示.該方法是目前在工程上進行流場數(shù)值計算應(yīng)用最為廣泛的方法.當前的流動數(shù)值計算方法很多,其中通用性較好,且應(yīng)用比較廣泛的是有限差分法、有限元法、有限體積法和邊界元法等.其中有限差分法在復雜幾何邊界的應(yīng)用中存在一定的欠缺,有限元法更適合于流體與固體相耦合的問題,有限體積法在離散方程的解決方面存在優(yōu)勢而成為目前應(yīng)用最廣泛的方法,邊界元法在黏性N--S方程的求解應(yīng)用中受到很大限制.因此,每種計算方法都有各自的適用范圍,目前國內(nèi)外還沒有一個通用性最好的方法問世,這也應(yīng)成為數(shù)值計算研究的一個努力方向.高速列車流場數(shù)值計算的網(wǎng)格包括結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,但由于求解區(qū)域的復雜性,主要采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.近年來,在高速列車復雜流場的數(shù)值計算中,出現(xiàn)了將結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格結(jié)合形成混合網(wǎng)格,既對復雜計算區(qū)域具有可自適應(yīng)性,又能節(jié)省計算資源和時間.為應(yīng)對列車流場數(shù)值模擬中復雜且突出的相對運動問題,如列車交會和過隧道問題,采用的網(wǎng)格生成方法有動網(wǎng)格方法和滑移網(wǎng)格方法.動網(wǎng)格生成網(wǎng)格的頻率太高,并且時間步長限制太嚴,需耗費大量的時間,因而一般采用滑移網(wǎng)格,主要包括針對列車交會流場的非對稱滑移網(wǎng)格法和列車過隧道的滑移網(wǎng)格法.滑移網(wǎng)格采用公共區(qū)重疊或滑移面技術(shù).在計算網(wǎng)格的數(shù)量方面,國內(nèi)以氣動中心為代表的高速列車流場數(shù)值計算網(wǎng)格的數(shù)量已經(jīng)超過了2.6億個,使得包括受電弓和轉(zhuǎn)向架等外形及流場的復雜區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了網(wǎng)格的精細化劃分,為高速列車整車和關(guān)鍵部位的精細化數(shù)值模擬奠定了基礎(chǔ).針對不可壓縮流N--S方程的數(shù)值求解,存在兩個關(guān)鍵問題:一是對流項的離散問題和壓力梯度的離散問題.對于對流項的離散問題,應(yīng)用最廣泛的計算格式是中心格式、二階迎風和QUICK格式,對于壓力梯度的離散問題,目前應(yīng)用最廣泛的主導方法是壓力修正法,其中最具代表性的是SIMPLE算法及其修正算法SIMPLER,SIMPLEC算法.在對列車的湍流流動模擬中,常用的湍流模型有Spalart--Allmaras單方程模型、k-ε雙方程模型、k-ω雙方程模型和Reynolds應(yīng)力模型等,目前應(yīng)用最廣泛的湍流模型是k-ε雙方程模型.另外,對于速度超過350km/h,馬赫數(shù)超過0.3的高速列車空氣動力特性的數(shù)值計算,目前國內(nèi)開展的研究相對較少.其中畢海權(quán)等采用k-ε雙方程湍流模型和SIMPLE算法對運行速度500km/h的磁懸浮列車的三維、黏性、可壓縮和非穩(wěn)態(tài)的繞流流場進行了數(shù)值計算,得到了自然風對磁懸浮列車氣動特性的影響規(guī)律.對于兩列車交會時相對速度超過300km/h、馬赫數(shù)超過0.3的情況下的列車外部流場數(shù)值計算,目前國內(nèi)外基本都是采用有限體積法和動網(wǎng)格技術(shù)進行求解.1995年日本學者Fujii,Ogawa和Hwang,Lee采用有限差分法求解列車交會過程的三維可壓縮Euler/Navier--Stokes方程,得到了列車交會過程中壓力分布和氣動力的變化.畢海權(quán)等,田紅旗等等采用有限體積法和動網(wǎng)格技術(shù)對列車交會的三維可壓縮流場進行了數(shù)值模擬.邱英政采用Reynolds時均方程的模擬方法和k-ε雙方程湍流模型,對高速列車近壁流場采用壁面函數(shù)法和動網(wǎng)格技術(shù),分別對考慮空氣可壓縮性與不可壓縮性的影響進行了比較,得出了二者的最大誤差可達24.6%的結(jié)論.4高速列車安全性措施我國目前已經(jīng)擁有全世界運營里程最長的高鐵