不同造型跨坐式单轨车的气动性能比较.pdf

第 2 期 ll l ll _ ll _ 0l l 0 0 0 0 0 。 。 0 0 0 ≮ 0 0 专 曩 ≯ 0 褥 激怒 不同造型跨坐式单轨车的气动性能比较* 杜子学 刘 博尉迟志鹏 重庆交通大学机电与汽车工程学院， 4 0 0 0 7 4 ， 重庆∥第一作者， 教授 摘要气动力学特性在很大程度上影响着跨坐式单轨车 的性能。基于数值模拟计算方法对某跨 坐式单轨车原车 型、 新车型的气动力学特性进行模拟分析， 计算得 出原车型、 新 车型 的风 阻系数 ； 并 结合 两种 车型 的外部流场结构进行 了比 较分析 ， 从 而验 证流 线型的新车造型更为合理。 关键词跨坐式单轨车 ；气动性能；数值模 拟 中图分类号U 2 3 2 Co mp a r i s o n o f t he Ae r o dy n ami c Pe r f o r ma nc e o f Di f f e r e n t St r a d dl e - t y p e M o no r ai l Ve hi c l e He a d S ha pe s Du Zi xu e，Li u Bo，Yu c hi Zhi pe ng Ab s t r a c t Th e f ea t ur e s o f s t r a d dl e - t y pe mon or a i l v e h i c l e a r e a f f e c t e d l a r g el y b y t h e a e r o dy na m i c c ha r a c t e r s ．Ba s e d on CFD me t h o d， t h e a e r od y n a mi c p e r f o r ma n c e o n d i f f e r e n t h e a d s h a p e s o f t h e o r i g i n a l a n d t h e mo n o r a i l v e h i c l e s v e r s i o n i s s i mu l a t e d a n d a n a l y z e d ．T h e wi n d d r a g c o e f f i c i e n t s o f t wo h e a d s h a pe s of mo n o r a i l v e h i c l e a r e a c h i e v e d ，wh i c h c o mb i n e d t wo k i n d s o f e x t e r n a l f l o w f i e l d s t r u c t u r e s a n d p r o v e d t h e r a t i o n ali t y of t h e s t r e a ml i n e s h a pe o f n e w mo n o r a i l v e h i c l e ． Ke y wo r d s s t r a d dl e t y pe monor a i l ve hi cl e； a e r o dyn ami c p e r f o r m a n c e ；n u me r i c a l s i mu l a t i o n F i r s t - a u t h o r ’ S a d d r e s s S c h o o l o f M e c h a n i c a l El e c t r o n i c a n d Au t o mo b i l e En g i n e e r i n g， Ch o n g q i n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y， 4 0 07 4，Chong qi ng，Chi n a 跨坐式单轨车外部造型在很大程度上影响着车 辆的气动性能 。风洞试验 、 数值模拟计算 CF D 是 应用于跨坐式单轨车气动力学研究 的主要方法 。由 于风洞试验在流场分析过程 中存在诸如投资大、 周 期长、 无法获得详细的流动细节等局 限性 ， 而数值模 拟计算法具有成本 小、 模拟周 期短 、 应用广泛 等优 点 ， 因此采用计算流体软件对单轨车辆外流场进行 三维模拟计算是获得其气动性能 的一种较为实用的 手段 。跨坐式单轨车外部气流流动特征 为三维 、 黏 性、 湍流 、 分离和非定常 ， 而其独特的外型结构 和在 高架轨道上行驶 的运行模式决定了其外部流场结构 *国家科技支撑计划项 目 2 0 0 7 B AG0 6 B 0 1 会有别于其它交通工具 。本文结合计算流体动力学 软件 ， 针对某跨坐式单轨车原车型、 新车型两种造型 方案进行外流场的数值模拟计算 ， 以获得造型优化 。 1 跨坐式单轨 车辆外流场数值计算方法 1 ． 1 跨坐式单轨车辆外流场的控制方程 气流流动要受到物理守恒定律 的支配， 而基本 的守恒定律有 质量守恒定律 、 动量守恒定律 、 能量 守恒定律。控制方程则是对这些守恒定律的数学描 述 。基本的控制方程包括 质量守恒方程、 动量守恒 方程 、 能量守恒方程。因跨坐式单轨车行驶时马赫 数较小 ， 运行时其周围空气可以看成是不可压缩的。 故单轨车辆外流场基本控制方程如下。 质量守恒方程 连续方程 为 塑 v． 10 l ， 0 1 at 式 中 lD 流体 空气 密度 f 时间； V 散度 ； 速度矢量 。 根据连续方程 ， 不可压缩 流动 的动量 守恒方程 可简化为 未 一 专 2 式 中 方向瞬时速度 ； U i 方向瞬时速度 ； 方向的分量 ； X 方向的分量 ； 方 向上 作用 在单 位 流体质 点上 的体 积力； 2 9 _l斌 市 鞣 遵 l交 通 鼹 _ 0 l l l l l0 0 0 0 0 ll l Il l 2ll l ll ll ll ll ll lll ll 0 ≯ 0 0 删 曩 JP 压 力 。 在流场内参数连续变化情况下， 能量守恒方程为 p C_ p T 一 v ． p v CP 7 1 S V ． 足V T 3 式 中 CP 比热容 ； 丁 温 度 ； 黏性耗散项 ； 良 流体传热系数 。 1 ． 2 湍流模型的确立 目前 的湍流模型均是以雷诺平均运动方程与脉 动运动方程为基础 ， 引入诸多湍流模型假设 ， 从而建 立一组描述湍流平均量的封闭方程组。计算湍流流 动的关键在于建立湍动黏度与湍动时均参数间的关 系式 ， 而湍动黏度的微分方程数 目影 响着湍流模型 的选择。单轨车外流场的数值模拟计算通常选择二 方程湍流模型。典型的二方程湍流模型如下 。 1 ． 2 ． 1标 准 ～￡ 模 型 标准 一e模 型是 由湍动能 和湍流耗散率 s 表征的二方程湍流模型。湍动能 方程表示为 言 Gt ～ a a f a ＼ ＼ ／ a ／ 。 4 式 中 动力黏性系数； 流体中 t 点处的动力黏性系数 ； tT K 湍动能的湍流普 朗特数 ； G湍动能的生成项 。 湍流耗散率 ￡方程表示为 Jt i a a ， a ＼ 盯 ／ a ／ 二 C 1 G C 2 5 式 中 湍流耗散率的湍流普朗特数 ； C 1 ， C 2 系数 。 标准 ， c e模型是通过假设雷诺应力与平均速 度梯度的线性关系建立起来的， 假设 流动为完全湍 流且可以忽略分子 黏性影响 ， 故仅适合完全湍流过 程的数值模拟 。此模型对于一些各项异性较强的流 动如有分离的流动 ， 不能恰当地描述流动发展 ， 会产 生较大误差 。 1 1 ． 2． 2 RNG ／C一￡模 型 RNG／ g 一e模型的湍动能方程和湍流耗散率方 程在形式上与标 准 一￡模型相似。与标准 一￡ 模型相比， RNG 一e 模型的不同之处在于 修正了 湍流黏度 ， 考虑 了平均流动中的旋转及旋流流动； 在 e方程中增加 了一项使得产 生项既 与流动情况有 关 ， 还与流动空间有关 。然而 ， RNG 一s模型仍是 针对充分发展的湍流起作用 ， 而对于近壁 区内的流 动及雷诺数较低 的流动数值模拟不够精确。 1 ． 2 ． 3 S S T 一O模 型 S S T 一0模型是 由湍动能 和湍流脉动涡量 的均方值 0表征 的二方程湍流模 型。湍动能 方 程表示为 J 妾 Gt a a a ＼ ＼ ／ a ／ 6 式中 G 湍动能 的生成项 ； y 湍动能 的发散项 。 湍流脉动涡量的均方值 O方程表示为 G 一 a f a ＼ ／ ， ／ 7 式中 湍流频率 湍流频率的湍流普朗特数 ； G 湍流频率的生成项 ； y 湍流频率的发散项 。 S S T 一0湍流模型是由 ， c e模型和 一0模 型组合推导得 出的二方程模型， 组合后的二方程会在 近壁面区采用 一0模型而在远壁面区采用 ， c e 模 型， 从而避 免 了来流微小扰 动对模 拟计算 的影 响。 S S T 一O模型适用于低雷诺数下 的近壁 区处理 ， 且 能大范围捕捉近壁区之外的分离流动。对于跨坐式 单轨车细长车体及其独特的外部造型所决定的外流 场流动特性， 选择 S S T 一O湍流模型是较为合理的。 1 ． 3 几何模型的建立 此次模拟计算采用 C A D 软件进行了几何模型 原车型、 新车 型 和外 部计算 域 的建立 。所建立 C A D 简化模型 比例均为 11 ； 忽略了车体 头部 车 钩部分、 车门把手部分 ， 忽略车门车窗狭小缝隙及尺 寸较小的倒角 ； 下裙板与车体底部平整化； 简化转向 架为与车体底部及 下裙板连接的车轮组成 ； 车尾贯 第 2 ；期 √ _ l ll _ l_ lll 。 ll 。 ll ll l_ 0 | l_ll l _。 。 0 0 0 0 。 0 窕 撤崧 通道部分 由完整端墙封 闭。原 车型、 新 车型的外型 简化模型见图 1 。 a 原车型 图 1 原车型 、 新 车型的几何模型 为了保证相对较 高的计算 精度和 较好 的对 比 性， 并考虑到现有硬件设备的局限性 ， 车体外部计算 域的人 口距离确定为车体最前端 2倍车长 ， 出 口距 离确定为车尾端墙处 6倍 车长； 整体计算域宽度为 9倍车宽 ， 整体高度为 5倍车高 。 1 ． 4边界条件 因任何数值模拟计算都是在有 限的区域 内完成 的， 故给定区域满足适定型且具有一定物理意义的边 界条件是必要且必须的。车辆外流场计算流体动力学 C F D 模拟的边界条件主要包括 进口边界条件、 出口 边界条件、 壁面边界条件和对称面边界条件等。因为 计算过程 中未考虑侧向风和温度的影响， 所 以跨坐式 单轨车外部求解域所选边界条件确定为 人 口边界为 人口风速 2 2 ． 2 m／ s ， 出口边界为压力出口边界条件， 对 称面即为对称面边界条件， 其它均设为壁面边界条件。 b 新车型 1 ． 5网格的划分 因前方来流相对于单轨车体纵向对称面并无气 流偏角 ， 且为兼顾节省内存耗用时间 ， 故选取计算区 域纵 向对称的一半为计算对象 。将建立好的半个车 身及计算域的 C AD模 型导入有 限元分析软件中进 行表面网格划分工作 。表面网格全部选用三角形单 元 ， 最小单元尺寸为 2 0 mm。将划分好的面网格导 入 C F D软件后经过表 面几何重构 ， 在计算 敏感 区 如车体头部 、 顶部空调处、 尾部 、 底部车轮组成等处 进行网格局部加密处理 ， 最小单元尺寸为 0 ． 5 mm。 重新生成的面网格通过表面网格质量检查后生成体 网格 。单轨车外流场数值模拟的计算 网格采用 的是 非结构化的混合 网格布局 ， 紧贴车身表面拉伸为三 棱柱 ， 此外的空间则使用切 割体 网络划分 。单轨车 外流场网格布局见图 2所示 。 2 计算 结果及分 析 图 2 单轨车外流场网格布局 2 ． 1 气动阻力分析 经过对原车型、 新车型两种车型头车外型 的外 部流场模拟计算 ， 可得原车型、 新车型的气动阻力系 数分别为 0 ． 4 9 、 ． 4 7 。与原来 的带有 一定倾角的原 扁平车头造型相比， 改 型后 的新车头车气动阻力 得 到了一定的改善 。 2 ． 2 速 度场 分析 两种头车造型方案速率分布如图 3所示 。不难 看 出， 前方气流由于受到单轨车头部阻挡 ， 速度快速 下降至接近于零 ， 在车体 前端将会形成大面积的滞 止区 ， 致使气流 向车体顶部 、 底部 、 侧面加速 见 图 4 。在司机室前端玻璃下端车钩附近区域， 速度降 31 囝 溉 溺 瓢 叠 交 翅 鹦 0 _ 至最低值 ； 顶部气流沿着司机室前端玻璃逐渐加速 ， 并在车顶前缘过渡处速度 到达最大值 ， 之后气流速 度下降且维持在一定的速度值上 ； 当气流到达车顶 前方空调的前端时 ， 由于车顶与空调过渡 区表面曲 率过大导致压力梯 度过 高， 使得气流开始减速并发 生分离现象 。无论原车型 、 新车型 ， 均在空调前端位 置出现程度不同的对称 涡流 ， 随后顶部气流以低 速 流过空调一段距离后 ， 在车顶发生再附着 ， 并以相对 较高速度流经车顶 ， 直至后方空调前端再次发生气 流分离 ； 随后流经后方空调的气流在车顶后缘发生 a 1 原车 型 霉 ∞ 篱 气流分离 ， 与来 自车底 的向上卷起的气流相互作用 形成尾部涡流且涡心偏上； 随着尾流的不断发展 ， 涡 心也不断 向下且向后拖曳直至延伸至轨面。对于底 部气流 ， 由于车体底部走行轮 、 导向轮 、 稳定轮 以及 车底与轨道平面问的通道均对气流具有不同程度的 干扰作用 ， 使得气流速率不至于过大， 且在车体底部 同样发生气流分离及再附着现象； 随后底部气流保 持一定的速度流 至车尾 见 图 4 ， 由于底部与尾端 过渡处曲率过大 ， 造成逆压梯度过大 ， 底部气流向上 卷起发生气流分离 。 b 新车型 图 3 原车型 、 新车型纵 向对称面速率分布云 图 l 眦1 l y Ma g l l i l u d c m, s 1 a 原车型 b 新车型 图 4 原车型 、 新车型速度流线图 2 ． 3 压 力 场分 析 结合图4 、 图5可以看出 前方气流在原车型前脸 与车顶圆角过渡区， 以及前脸与两端侧墙和裙板的过 渡区域， 均发生气流转折， 从而形成较大的负压区； 相 比之下， 在新车型前脸到车顶的曲面过渡区域并未形 成较大的负压区， 但同样在前脸与侧墙和裙板的圆角 2 过渡区域存在较大的负压 区。由图 5可知 两种车型 的司机室前端玻璃处， 以及前脸与裙板过渡部位均存 在两个高压区； 流线型造型的新车型在车头前脸部位 存在的高压区域明显要小于扁平车头造型的原车型的 较大面积高压区； 同时， 新车型尾部压力大小相对于原 车型有所降低 ， 从而使得新车型的压差阻力减小。此 lI第 2 期 0 。 0 。 。 。 。 0 。 叠 ≥ 0 0 ≯ 0 ≯ ≮ ≮ ≮ 毫 童 ≯ ≯ 穗 斌 外 ， 与原车型相比， 由于新车型的流线型造型使得两个 车顶空调的前端面某些部位均存在较大的正压区， 这 在一定程度上会影响到空调的进风情况 。此处是新车 流线型造型上存在的一点不足。 a 原车型 b 新车型 图 5 原车型、 新车型纵向对称面压力分布云图 S o u t h Uni v Te c h no l ， 2 0 0 9， 1 6 1 6 6． 3 结语 [ 2 ] R a g h u n a t h a n R s ， K im H D ， S w to g u c h i T ． A e r o d y n a m ic s o f 1 采 用C I D方 法 对 单 轨 车 外 流 场 进 行 三 维 模 拟 _ a i 阳 。 g A e m 叩 d e n ∞ 计算是获得单轨车气动l生能的一种较为实用的手段 [ 3 ] 陈燕荣， 肖 友刚 ，高速列 车 空气动力 学性 能计算 [ J ] ．铁道 车 2 跨坐式单轨车新车型 的流线造型能在一定 辆， 2 0 0 9 ， 4 7 I 程度上减小整车压差阻力 ， 从而达到降低气动 阻力 [ 4 ] 王福军． 计算流体动力学分析 c F D 软件原理与应用[ M] ． 的效果 ； 北京 清 华大学出版社， 2 ‘ Ⅲ 7 - 3 单轨车辆的附加阻力即多个车轮处产生 的 ‘城市轨道交通车辆 M 北京 中国铁道出版 干扰阻力对气动阻力有一定 的影响 [ 6 ] 贺德馨 ．风工程与工业空气 动力学[ Mj ．北京 国防工业 出版 4 新车型的流线造型对车顶空调进风 口存在 社， 2 0 0 6 ． 一 定的影响 ， 值得引起重视 。 [ 7 ]杜子 学， 刘应清． 微型面 包车的 流场特性及数值计算要点l J ] ． 参考文献 嗍 京 机械．T业出版社 ． [ ] T i a n H 。 “ g q i F o i m e c h a n i s m o f 。 o d y n a mi 。d g o f 收稿 日期 2 0 9 1 0 2 4 上接第 1 6页 输 AP M 系统可作为集散线使用。增设 自行车服务系 统是指城轨车站提供专用 自行车及存放设施 ， 乘客骑 自行车到站后， 该 自行车可以提供给出站乘客使用。 参考文献 [1 ] 王灏 ．关于城市 轨道交通 快线 发展 的研究 [ J ] ．都市快 轨交 通 ， 2 0 0 6 ， 1 9 3 3 ． [2] 王江燕 ．城 市轨道 快 线 的适应 性研 究 [ J ] ．北 京规 划建 设 ， 2 0 0 7 3 8 5． [3] 何继斌 ， 孙小 丽． 对新 时期 大城市 轨道交 通线 网规 划特 色的 思考 [ J ] ． 城市轨道交通研究 ， 2 0 0 9 1 7 ． [4] 蒋玉琨 ．合理设 置轨道 交通 车站间距 的经济技术分析 L J ] ．中 国铁道科学 ， 2 0 0 2 ， 2 3 1 2 3 4 ． [5] 刘迁 ．国内城市 快速 轨道交 通线 网规 划发 展 和存在 的 问题 E J ] ．城市规划 ， 2 0 2 ， 2 6 1 1 7 1 ． [6] C o r n e t N， 李依庆 ， 华凌 ． 城 市轨 道交通 网络的结构及规 划理 念_ J ] ．城市轨道交通研究 ， 2 0 0 9 1 I 1 ． [7] 李依庆 ， 吴 冰 华．巴黎轨 道交 通 市域 线 ER E 的 发展 历程 _ J ] ． 北京规 划建设 ， 2 0 0 7 3 7 7 ． [8] 陈 昌明， 莫天伟 ．莫 斯科地 铁系统 规划 [ J ] ．国外城 市规划 ， 2 0 3， 1 8 5 5I ． [ 9] 苏梅 ， 李建新 ．我 国城市铁路最 高设 计速度值 研究 l J ] ．交通 运输系统工程与信息 ， 2 0 0 4 ， 4 4 6 4 ． [ 1 【 ] 董焰， 单连龙． 中国城市轨道交通未来十年发展趋势及政策 导向[ J ] ． 城市轨道交通研究， 2 0 0 4 3 6 ． [ 1 1 ] 周翊民， 周黎． 加快建设我国大城市轨道交通体系L J ] ． 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