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認(rèn)證類型：個(gè)人認(rèn)證

認(rèn)證主體：劉**（實(shí)名認(rèn)證）

IP屬地：廣東

IP屬地：廣東 上傳時(shí)間：2023-11-27 格式：DOCX 頁數(shù)：4 大?。?0.63KB 積分：12 舉報(bào) 版權(quán)申訴

基于cfd的高速列車氣動(dòng)阻力風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯?/p>

0高速列車風(fēng)洞試驗(yàn)中模型比例選取的重要性隨著列車速度的提高，運(yùn)營空氣的動(dòng)力問題越來越明顯。以前的研究表明，運(yùn)營過程中受到的氣阻與運(yùn)行速度的比率是正比的。當(dāng)速度達(dá)到250.300km時(shí)，空氣阻力占總阻力的75%以上。因此，在研究高速列車的動(dòng)態(tài)外觀時(shí)，風(fēng)速方程是調(diào)查動(dòng)態(tài)列車的重要關(guān)鍵。與實(shí)際車輛測(cè)試相比，風(fēng)孔試驗(yàn)具有成本低、測(cè)試條件控制、試驗(yàn)重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。上海地面交通工具中心有兩個(gè)風(fēng)孔：氣聲腔和熱環(huán)境風(fēng)孔。第一個(gè)噴口面積為27平方米，試驗(yàn)段最高風(fēng)速為250公里。不僅可以進(jìn)行汽車路面的風(fēng)孔測(cè)試，還可以進(jìn)行列車模型的風(fēng)孔試驗(yàn)。列車作為1個(gè)長、大物體,很難在風(fēng)洞中進(jìn)行1∶1的模型試驗(yàn),據(jù)所查資料表明,除奧地利的RailTecArsenal可以進(jìn)行列車實(shí)車的熱環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)外,其余的試驗(yàn)都采用縮比模型進(jìn)行,縮比模型的比例選取直接影響試驗(yàn)的雷諾數(shù)和試驗(yàn)阻塞比等問題,而這些問題都直接關(guān)系到風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)車運(yùn)行情況的一致性.因此,對(duì)列車縮比模型比例選取方法及其對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的研究變得十分重要.在以往的列車風(fēng)洞試驗(yàn)中,縮比模型的比例選取主要依賴于風(fēng)洞試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn).本文在風(fēng)洞試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過計(jì)算流體力學(xué)方法,從試驗(yàn)段內(nèi)的靜壓分布情況、來流雷諾數(shù)變化對(duì)列車氣動(dòng)阻力系數(shù)影響、阻塞效應(yīng)對(duì)列車氣動(dòng)阻力系數(shù)影響這3個(gè)方面,綜合分析高速列車風(fēng)洞試驗(yàn)中模型比例選擇對(duì)氣動(dòng)阻力試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響,為高速列車風(fēng)洞氣動(dòng)阻力試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x取提供更多的參考依據(jù).1模型風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)值計(jì)算中所使用到的列車模型為一簡化模型(見圖1),列車長27m,寬3.65m,高3.38m.為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的合理性,按照此模型尺寸制作1個(gè)1∶45的模型,以便進(jìn)行模型風(fēng)洞試驗(yàn).本文中所使用的數(shù)值風(fēng)洞模型部分比例尺寸依賴于模型風(fēng)洞尺寸,噴口面積為28.5m2,試驗(yàn)段長15m.考慮到計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的限制以及保證關(guān)心區(qū)域的計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量,風(fēng)洞流場(chǎng)計(jì)算域見圖2,僅選擇從收縮段入口到第1擴(kuò)散段出口并向后延伸10m的范圍.對(duì)于列車在明線中運(yùn)行的計(jì)算域情況,列車橫截面積與計(jì)算域橫截面積比為0.24%,由于阻塞比很小,因此認(rèn)為此時(shí)可以忽略阻塞效應(yīng),計(jì)算結(jié)果相當(dāng)于列車在明線運(yùn)行時(shí)的結(jié)果.1.1網(wǎng)格劃分的結(jié)果根據(jù)列車和風(fēng)洞的幾何尺寸進(jìn)行三維數(shù)值建模,試驗(yàn)結(jié)果與用計(jì)算流體力學(xué)(ComputationalFluidDynamic,CFD)計(jì)算的結(jié)果比較,見圖3.使用商業(yè)軟件HyperMesh和T-Grid進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格類型為六面體和四面體相結(jié)合的混合形網(wǎng)格,在車身表面及地面處有邊界層網(wǎng)格,體網(wǎng)格總數(shù)根據(jù)計(jì)算的情況不同而有所不同,計(jì)算風(fēng)洞流場(chǎng)的情況約為220萬體網(wǎng)格.1.2壁面函數(shù)研究使用商業(yè)CFD求解器FLUENT求解上述非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格系統(tǒng).由于計(jì)算馬赫數(shù)小于0.3,故按不可壓流計(jì)算;因流動(dòng)雷諾數(shù)在105以上量級(jí),故按湍流計(jì)算,湍流模型使用可實(shí)現(xiàn)化的k-ε模型和非平衡壁面函數(shù).風(fēng)洞收縮段入口設(shè)為速度入口,擴(kuò)散段延長區(qū)出口設(shè)為出流邊界條件,試驗(yàn)段處地板設(shè)為移動(dòng)壁面邊界,以模擬真實(shí)風(fēng)洞中的移動(dòng)帶系統(tǒng),出口延長段壁面設(shè)為對(duì)稱邊界條件,以去除延長段壁面黏性力的影響,其他均設(shè)為無滑移條件的壁面邊界.計(jì)算首先使用1階離散格式,以保證解的穩(wěn)定性,在進(jìn)行幾百步迭代之后,改為使用2階離散格式以得到更精確的解,各控制方程殘差均在1×10-3以下,同時(shí)監(jiān)控計(jì)算區(qū)域出入口質(zhì)量流量以及列車升力和阻力系數(shù),在保證數(shù)值收斂和物理收斂后,停止迭代.計(jì)算在雙核Pentium2.80GHzCPU的計(jì)算機(jī)上完成,一種情況的計(jì)算時(shí)間大約為20h.1.3數(shù)值結(jié)果對(duì)比分析通過模型風(fēng)洞試驗(yàn),測(cè)得在測(cè)試段對(duì)稱面上從噴口至列車前端流場(chǎng)速度的分布,并與使用上述方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(見圖3).從圖中可以看出數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果取得很好的一致性,說明本文所使用的計(jì)算方法、選取的湍流模型及邊界條件設(shè)置是合理的.2模型長度和擺放位置的確定所有風(fēng)洞試驗(yàn)段中都存在一定靜壓變化,這使得模型的長度及試驗(yàn)擺放的位置對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定影響.因此,在確定模型比例以前,了解風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)的靜壓分布情況十分必要,它為高速列車試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拈L度選擇以及擺放位置提供一定的依據(jù).2.1最大試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇_定通過對(duì)無車時(shí)的風(fēng)洞流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算,得到風(fēng)洞測(cè)試段內(nèi)對(duì)稱面上,距地板1m高處的壓力系數(shù)分布曲線見圖4.根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)段模型試驗(yàn)區(qū)壓力系數(shù)變化及壓力系數(shù)梯度變化的要求,可以得到在該計(jì)算風(fēng)洞內(nèi)符合要求的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿[放范圍(如圖4星號(hào)中間部分),以及最大的試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷L度,由此可以計(jì)算出所要試驗(yàn)車型的最大試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅壤?2.2列車氣動(dòng)阻力系數(shù)的影響為了更好地說明模型比例選擇對(duì)風(fēng)洞氣動(dòng)阻力測(cè)量的影響,分別對(duì)阻塞效應(yīng)和來流雷諾數(shù)給列車氣動(dòng)阻力系數(shù)帶來的影響規(guī)律進(jìn)行基礎(chǔ)研究.這兩個(gè)參數(shù)的變化均與風(fēng)洞試驗(yàn)中列車模型比例的改變直接相關(guān).2.2.1阻隔比對(duì)3種阻力系數(shù)的影響通過改變計(jì)算域截面積尺寸和固定列車模型尺寸的方法,達(dá)到改變列車計(jì)算情況阻塞比的目的.計(jì)算各種不同阻塞比下列車的氣動(dòng)阻力系數(shù),單獨(dú)研究阻塞效應(yīng)對(duì)列車氣動(dòng)阻力的影響,計(jì)算來流雷諾數(shù)統(tǒng)一為1.33E+07,雷諾數(shù)的特征長度取列車模型高.計(jì)算結(jié)果見圖5,其中用Cd表示列車氣動(dòng)總阻力系數(shù),Cdp表示壓差阻力系數(shù),Cdv表示黏性阻力系數(shù).從圖5中可以看出,當(dāng)阻塞比很大時(shí),總阻力系數(shù)隨著阻塞比的增加而顯著增加,其中壓差阻力系數(shù)增加明顯,而黏性阻力系數(shù)的增加值相對(duì)不大.同時(shí),隨著阻塞比的減小,阻塞效應(yīng)逐漸減弱,阻力系數(shù)隨著阻塞比的變化趨于平穩(wěn).通過對(duì)在不同阻塞比情況下的列車流場(chǎng)矢量圖分析,可以看出阻塞比的增加使得列車尾跡區(qū)擴(kuò)大,這是導(dǎo)致壓差阻力系數(shù)增加的主要原因之一.2.2.2列車總阻力及總阻力系數(shù)通過對(duì)不同縮比模型在相同明線運(yùn)行情況下的數(shù)值模擬,得到列車模型阻力系數(shù)隨來流雷諾數(shù)變化的情況,計(jì)算結(jié)果見圖6.從圖6可以看出,列車模型總阻力系數(shù)隨著來流雷諾數(shù)的增加而減小,變化的斜率也在不斷減小,并慢慢趨于平緩,其中壓差阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化不大,而黏性阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化與總阻力系數(shù)的變化具有相同趨勢(shì),這一變化可以從湍流平板邊界層中黏性阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)變化的規(guī)律得到一定程度的解釋.2.3列車阻力分析在不大于最大試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅壤那闆r下,選擇縮比模型比例為1∶2.6,1∶4,1∶6,1∶10,1∶20,模型比例基點(diǎn)選在距噴口4.3m處,其中1∶2.6的比例是按第2.1節(jié)中確定的最大試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷L度給出的,其他比例以此為基準(zhǔn)順序遞減得到幾個(gè)研究比例.在試驗(yàn)段風(fēng)速為70m/s的情況下,分別進(jìn)行各縮比模型風(fēng)洞試驗(yàn)的數(shù)值模擬,同時(shí)也對(duì)列車以相同速度明線運(yùn)行的情況進(jìn)行數(shù)值模擬.對(duì)各種情況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算得到的氣動(dòng)阻力結(jié)果見表1,其中阻塞比為列車截面積與風(fēng)洞噴口面積之比,將阻力系數(shù)的參考速度選為無車風(fēng)洞計(jì)算中的列車頭部位置處風(fēng)速.為表達(dá)更加直觀,根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制柱狀圖見圖7.從表1及圖7可以看出從各種情況得到的列車總阻力系數(shù)并不相同,通過分析可以得出如下規(guī)律:首先,在風(fēng)洞試驗(yàn)中測(cè)得的列車縮比模型的總阻力系數(shù)均大于原車在明線運(yùn)行時(shí)得到的總阻力系數(shù);其次,在風(fēng)洞中各縮比模型的總阻力系數(shù)大小并不隨模型比例單調(diào)變化,而是成拋物線形變化,即在模型較大時(shí)總阻力系數(shù)隨測(cè)試模型尺寸的減小而減小,而當(dāng)模型尺寸減小到一定程度時(shí),總阻力系數(shù)又隨著模型尺寸的繼續(xù)減小而增大.在所計(jì)算的幾種情況中,1∶6的縮比模型比例為上述過程的轉(zhuǎn)折點(diǎn),此時(shí)得到的總阻力系數(shù)最小,同時(shí)也最接近明線運(yùn)行時(shí)計(jì)算得到的總阻力系數(shù),其偏差為1.33%.通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的進(jìn)一步分析還可以看出,模型的黏性阻力系數(shù)與壓差阻力系數(shù)隨著試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅壤淖兓脖憩F(xiàn)出一定變化規(guī)律.在黏性阻力方面,從圖7可見:黏性阻力系數(shù)隨著列車模型尺寸的縮小起初變化平緩,之后明顯上升,這也正反映出在第2.2.1節(jié)中單獨(dú)考慮試驗(yàn)雷諾數(shù)對(duì)于列車氣動(dòng)阻力系數(shù)影響研究中得到的結(jié)果,即當(dāng)雷諾數(shù)大到一定程度時(shí),其變化對(duì)于列車氣動(dòng)阻力系數(shù)的影響不大;壓差阻力系數(shù)隨著列車模型尺寸的縮小起初減小比較明顯,之后變化趨于平緩,該變化可以通過前面所研究的阻塞效應(yīng)影響,以及模型擺放位置處測(cè)試段內(nèi)靜壓分布影響的共同作用得到一定程度的解釋.通過以上分析可知,在高速列車風(fēng)洞氣動(dòng)阻力試驗(yàn)中,模型氣動(dòng)阻力系數(shù)隨模型比例選取的變化,從一定程度上可看成是試驗(yàn)雷諾數(shù)變化、試驗(yàn)阻塞效應(yīng)變化以及試驗(yàn)段靜壓分布不均勻等共同作用的結(jié)果.從計(jì)算結(jié)果看此3種影響并不完全是線性疊加關(guān)系,而是存在一定的耦合.究竟在何種情況下可以線性化,以及如何修正這些影響,將是進(jìn)一步研究的問題.3計(jì)算方法的選取通過以上分析表明高速列車風(fēng)洞氣動(dòng)阻力試驗(yàn)中合理的模型比例應(yīng)保證滿足以下3個(gè)條件:(1)模型長度不超出風(fēng)洞試驗(yàn)段模型擺放區(qū)長度,在此范圍內(nèi)模型處于靜壓越平緩的區(qū)域越好;(2)模型試驗(yàn)阻塞比應(yīng)處于阻塞效應(yīng)不敏感區(qū),在這一區(qū)域阻塞比至少應(yīng)小于10%;(3)模型試驗(yàn)雷諾數(shù)應(yīng)保證處在雷諾數(shù)與氣動(dòng)阻力系數(shù)變化曲線的平緩區(qū).通過計(jì)算結(jié)果可以看出阻塞效應(yīng)、試驗(yàn)雷諾數(shù)變化、模型擺放位置處測(cè)試段內(nèi)的靜壓分布影響這3個(gè)方面對(duì)氣動(dòng)阻力系數(shù)的影響并不獨(dú)立,而是存在一定的耦合關(guān)系.因此,為了得到更加合理的縮比模型比例,還需根據(jù)具體情況進(jìn)行分析.對(duì)于1個(gè)確定的風(fēng)洞和1個(gè)確定的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?要判斷它是否符合上述3個(gè)條件,可通過數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行一定的分析,同時(shí)可以得到1個(gè)較為合理的縮比模型比例選取范圍.從計(jì)算結(jié)果看,1∶6的縮比模型滿足上述3個(gè)條件,得到的氣動(dòng)阻力系數(shù)也最接近明線運(yùn)行