高速列车交会压力波仿真与试验对比分析

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随着高速动车组的上线运营, 列车周围空气动力学影响受到了广泛的关注。它不仅影响列车正常行驶的能量消耗, 而且对列车运行安全性和舒适性产生很大的影响。尤其在两列车交会瞬间, 车辆承受的压力波变化梯度非常大, 对车辆安全运营产生较大的负作用。

目前, 空气动力学研究有计算机仿真、比例模型风洞试验和实车线路测试等方法。本文建立了某高速动车组交会模型, 并将仿真分析结果与试验数据进行了对比分析, 验证了仿真分析结果的准确性。

模型建立与边界条件设置

本文仿真模型在建立的过程中进行了适当的简化, 首先在Catia软件中进行几何建模, 将三维模型导入网格前处理Hypermesh软件中, 抽取列车的表面特征, 对列车表面特征进行几何清理, 设置合理的计算域。计算域是仿真过程中人为设置的一个计算空间,理论上是计算域越大越好, 但有时受到各种条件的限制( 如计算机硬件能力等) , 需要将计算域设置在有限的范围内, 本文计算域大小为270mX40mX40m, 如图1 所示。

为了更好地模拟列车表面的流场, 近车体表面的网格划分得比较密, 同时需要考虑边界层的影响, 对远离列车表面的网格进行了适当的稀疏。仿真模型共划分为840万个单元, 756万个节点。局部仿真模型如图2所示。将划分好的网格导入流体软件中, 进行瞬态边界条件设置, 本文采用滑移网格的方式进行仿真计算, 边界条件设置见表1。

仿真结果与试验结果对比分析

为了将仿真分析结果与试验结果进行对比, 在列车头部分别取4点, 各点的位置如图3 所示。其中点1 为列车头部鼻尖处, 其他3 点分别位于列车头部纵向对称面上。实际测试曲线是在秦沈线山海关绥中北之间( 区间长度63 km) 采集的, 交会列车的速度分别为231km/h与249km/h, 列车交会时间为1.5s左右。

经仿真分析, 将输出结果导入Ensight 软件进行后处理显示和各参数的曲线绘制。列车交会压力云图和采集点的压力波曲线如图4 所示。

从图4 可以看出, 列车的压力分布在列车头部最大, 列车头部和侧面形成负压区, 列车底部除转向架迎风面外其余为正压, 风挡迎风面受到的压力也为正压。

从各测点的交会曲线可以看出, 当两列车交会时头部交会压力波会发生突变, 被交会列车在另一列车经过时, 车身压力有所上升。

仿真与试验曲线如表2 所示, 通过比较可以看出各点的曲线变化趋势与试验结果基本一致, 交会和分离时刻的压力波变化范围和幅值基本一样。由于仿真模型是建立4辆车的交会模型, 而实际测试曲线是8辆车的交会曲线, 因此在交会时间历程上缩短了一半。测点1 列车头部鼻尖处的最大压力与测试最大压力都在2900Pa左右, 最小压力在2000Pa左右, 结果与实际值吻合比较好。数值计算结果与实车试验结果一般相差10%左右 , 本文计算结果与实际测试结果最大相差9% , 发生在测点3 位置。以上数据说明, 本文建立的数学模型基本能够反映物理模型的状态。另外,从仿真曲线可以看出,列车分离之后压力有一个短时间的波动, 之后趋于平稳, 这说明列车脱离交会时刻对车体表面压力的影响也比较大。