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基于XFLOW的高速列车明线交会气动数值模拟
AerodynamicNumericalSimulationofHighSpeed
TrainOpenLineIntersectionBasedonXFLOW
李浩冉,常城,李田*,张继业
西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都610031
*litian2008@home.swjtu.edu.cn
摘要:为研究高速列车明线交会过程中的绕流流场特性,基于计算流体动力学理论,建立高
速列车明线交会数值计算模型,利用XFLOW数值仿真计算软件模拟列车交会过程中的绕
流流场。研究结果表明:列车未会车前,列车周围绕流流场近似成对称分布,一位端转向架、头车排障器以及列车尾流区是强涡区;受列车交会影响,列车表面压力变化剧烈,列车周围绕流流场特性改变,流场强涡区的涡度更大,漩涡发展速度更快,列车交会侧气流
受挤压速度变快,列车表面涡流脱落频率变大,漩涡脱落发展到列车尾流中进一步造成列
车尾涡区的紊乱。列车交会严重加剧了列车周围绕流的紊乱程度,对列车的安全运行造成一定影响。
关键词:高速列车;明线会车;XFLOW;数值模拟
1.引言
随着我国高速铁路的飞速发展,列车高速运行时引发的空气动力学问题也日益突出,
尤其当两列车交会时,两车之间的气流受到挤压,在列车表面产生很强的瞬态压力冲击,
有可能会使车窗玻璃受气动冲击而损坏,如果压力波传入密封性不好的客室还可能导致乘
客耳鸣、头晕等不适症状。此外,各节车厢也会受到交变的气动作用力和力矩冲击,有可
能引发列车横向、垂向振动以及蛇形运动,不但加剧了轮轨磨耗,影响列车安全、稳定运
行,而且严重情况下甚至会产生列车脱轨、倾覆等重大的事故(李雪冰,2009;熊骏,2015;
翟建平,2013)。
气动力在列车交会过程中变化剧烈,对列车系统动力学行为的影响非常明显,交会时列车振动剧烈,头车和尾车的安全性和舒适性明显降低(冯志鹏,2010;李雪冰,2009;李人
宪,2012;郗艳红,2016)。然而,高速列车明线会车压力波和气动作用力(矩)变化规律,以
及影响它们大小的主要因素如两列车运行速度、列车外形尺寸和线间距或车间距等参数之间具体关系式还很欠缺。
为了实现高速列车的安全、舒适、低能耗等要求,必须对列车交会过程气动特性进行
深入细致的研究。本文基于XFLOW数值仿真计算软件模拟列车等速交会的情况,XFLOW中的无网络方法是基于粒子和具有完整拉格朗日函数的方法,意味着不再需要对经典的流
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体区域划分网格,同时表面复杂性不再是一种限制因素。XFLOW能够解决运动的物体和
可变形部分,能够适应低质量的输入几何。基于XFLOW的软件特点,可以最大程度上还
原列车的运行环境,区别于普通计算流体动力学(CFD)软件的数值风洞模拟,XFLOW
软件数值计算过程中可以更为直观的观察列车交会时的气动特性。
2.明线交会数值计算模型
2.1几何模型
一列完整的列车由机车和多节车辆组成,长度较长。本文采用3节车模型进行明线会车的数值模拟,即整个模型由一节头车、一节中间车、一节尾车和两个车间风挡组成,头车和尾车具有相同的外形。头车长26.25m,中间车长25m,尾车长26.25m,列车总长、
宽、高分别为79.2m、3.32m、3.8m。实际列车表面并非光滑的,而是有许多大小不一的凹
凸物,如车灯、受电弓等,对上述细部特征进行简化处理为一系列光滑曲面构成的几何体。列车模型如图1所示。
图1列车几何模型
2.2计算域及边界条件
当建立明线会车计算区域时,考虑到计算流场的充分发展以及气流的绕流影响,计算
区域的尺寸取值应当足够大。在理论上,列车周围流场的计算区域应该无限大,但在实际
数值模拟中只能采用有限的空间,在不影响列车附近流体的流动的情况下应选取合适的计
算区域,即计算区域的边界离动车组表面要足够远,使得动车组运行所产生的高速气流对
边界区域的气流流动的影响很小。但是计算区域越大,将导致计算速度降低。为了在提高计算速度的同时保证计算精度,选取比较合适的计算区域,如图2所示,其中明线会车外
流场长度460m,外流场高度60m,列车与轨道所处地面之间的距离为0.376m,两车相距
100m,线间距5m,会车速度为250km/h。由于会车的对称关系,两列车分别命名为通过
列车和观察列车,分析时可以重点分析观察列车周围的绕流流场即可。
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压力出口
通过列车
测点2
y
测点1
x观察列车
z
压力出口
图2列车明线交会计算域
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