滑移网格技术及其在高速列车穿越隧道问题中的应用.pdf

?孑8 滑移网格技术及其在高速列车穿越隧道问题中的应用 杨顺华1 乐嘉陵1 刘鑫2陆林生2 (1．中国空气动力研究与发展中心，绵阳621000；2．江南计算技术研究所，无锡214083) 摘要：高速磁浮列车穿越隧道问题是磁浮列车设计及隧道设计中需要考虑的主要因素。本文采用滑移网格 (SlidingGrid)和多参考系(MRF)技术对高速磁浮列车穿越隧道问题进行了并行数值模拟。控制方程为非定常、 格式。非定常计算采用LU-SGS预处理的PCG子迭代方法。并行方法采用基于区域分解的MPI消息传递模 型。计算结果表明，本文建立的方法可以用来模拟高速磁浮列车穿越隧道引起的微压波变化以及磁浮列车气 动特性变化，为磁浮列车和隧道设计提供依据。 关键词：磁浮列车；隧道；滑移网格；数值模拟；并行计算 1引言 随着我国高速列车的发展，特别是磁悬浮技术的应用，列车速度在未来几年将达到500km／h(马 赫数大约为0．4)。当高速列车穿越隧道时，将会发生一系列有趣的空气动力学效应，例如列车的阻力 增加；隧道内的空气由于受到列车的压缩，将会产生很强的压缩波；以及在隧道的出口会产生“暴呜” 现象。研究这些现象对于未来列车设计以及隧道设计都有重要的工程意义。 目前，对这些现象的研究主要有两种方法：试验和数值模拟。试验方法主要是实地测量和模拟试验， 由于试验方法模拟高速列车比较困难，并且费用昂贵，取得的数据往往有限。 计算流体力学(cFD)已经被广泛用于工程实际问题，特别是随着超级计算机以及并行计算的发展， 使得CFD成为工程设计的重要工具。目前对高速列车穿越隧道的模拟主要基于一维非定常可压缩模型， 该模型假设隧道里面的流动是一维的，控制方程(连续方程、动量方程和能量方程)用特征线理论求解。 Saintagne提出了一维与二维相结合的办法，在隧道大部分区域采用一维模型，而在列车附近采用二维 Euler方程求解，同时他还考虑了粘性和隧道截面变化的影响。 日本的K．Fujii等人对列车穿越隧道进行了二维和三维的模拟，采用的控制方程为三维非定常、可 压缩的Euler方程，为了解决运动物体问题，他提出了Zonal方法，该方法是基于重叠网格思想，但其 简化了对重叠网格的处理。Zonal方法的核心是FSA(Fortified Chimera方法，在网格重叠的区域，通过设置强化因子来实现不同区域解的传递。此外，在每个不同的 区域可以通过是否采用粘性项来决定是否采用Euler方程或者N．s方程，同时，在列车周围区域采用薄 层N．S方程。 目前国内对列车穿越隧道的模拟仍然是以一维模型和一维与二维相结合的模型为主，对全二维或者 全三维的模拟很少。试验表明，在列车头部很小的区域，压力波近似是一维的，可以用一维模型求解， 然而，在列车中部地区，流动是强三维的，必须用三维的方法求解。 本文的目的是发展一套可用于模拟列车穿越隧道的二维和三维并行计算方法。以高性能计算机为平 台的大规模并行计算(MPP)已成为科学研究和工程技术的一种崭新的手段，为了准确模拟列车穿越隧 道，必须有足够密的网格，特别是三维计算，依靠单机计算已显得无能为力，必须依靠大规模的并行计 349 算，因此发展一套并行计算方法和并行计算软件是必要的。 2计算方法 2．1基本方程 本文采用的基本方程为二维非定常Euler方程如下： 望+竺+丝：o p pu py pu P+pu2 puv O= ，F= ，G= pv puv P+pv2 pEt (P+户巨)“ (P+,oEt)1， 压强通过理想气体状态方程表达为： r 1 、 p=(7—1){E一吉尸(甜2+V2)}