基于PERA SIM Fluid的高速列车气动阻力分析

摘要

列车气动阻力与列车速度二次方成正比，随着列车运行速度的提高，气动阻力在总阻力中的占比增加，当列车时速超过250公里时，气动阻力占总阻力的75%~80%，同时气动阻力特性关系到列车节能环保能力，还是选择合理配置牵引动力装置的基本参数之一。

气动阻力由压差阻力和摩擦阻力组成，摩擦阻力是指列车运行时黏性切应力沿列车运动反方向形成的合力；压差阻力是指列车表面压力沿列车运行反方向形成的合力。

列车相关阻力的计算，一直以来人们都沿用“戴维斯公式”：

式中：R为总阻力；V为相对静止空气的速度；A为滚动机械阻力；B₁为其他机械阻力；B₂为空气动量阻力；最后一项为列车所受外部气动阻力，系数C的计算公式为：

1.1 几何模型处理

本文选取的列车模型包含车体和转向架系统，有大量微小的复杂结构，PERA SIM Fluid具有丰富了几何模型处理功能，可以自动识别特征，进行快速修复，包括缝合、去特征、交叉、补洞、创建/合并/分割线面、压印、拉伸面等，还可以建立模型的内外流场空间。

列车截面宽3.53m，高3.98m，总长约31.47m，采用实体建模功能建立长方体风洞，并将入口、出口、底面、车体、转向架表面分组。

图1  列车几何模型

图2  风洞模型及边界

1.2 网格划分

PERA SIM Fluid提供了两种网格划分方法：一种是基于拓扑的网格划分，一种是包面网格划分。考虑到列车模型的复杂性，存在很多交叉、重叠、无用的小孔，选用包面网格技术，进行封闭表面的抽取。

全局网格尺寸最大值为2m，最小值为0.005m，车身表面网格最大值为0.05m，曲率法向角为20°，车体和底面生成3层边界层，第一层网格高度为0.001m；包面网格间隙填充容差0.01m，小于该容差值自动作为闭合处理；采用接触捕捉功能自动识别距离相近或相交的面，并加密该位置的网格。

图3  网格参数设置

在车身附近和尾迹区采用密度盒进行网格加密，生成多面体加边界层网格约634万。

 图4 整体网格

 图5 转向架区域表面网格和体网格

1.3 材料及边界条件设置

列车运行马赫数较小，采用不可压缩流动假设，密度为常数1.177 kg/m3，粘度值为1.854e-5 Pa*s。

图6 材料属性定义

各边界条件的定义：

入口风速83.3 m/s，出口相对压力0Pa，顶面和两侧面为滑移壁面，车身、转向架壁面和地面为无滑移壁面。

图7 边界条件设置界面

1.4 物理模型及求解器设置

湍流模型使用SST k-ω模型；压力速度耦合算法选择SIMPLE，对流项空间离散格式选择MUSCLPLUS格式；收敛的残差标准默认10e-3；采用标准初始化方法，初始速度和压力均为0；创建阻力和阻力系数监测。

图8 湍流模型设置界面

图9 求解器设置界面

计算迭代500步之后趋于稳定。

图10 收敛曲线

将PERA SIM Fluid计算结果与成熟商用CFD软件计算结果对比，两款软件计算的流场分布趋势基本一致，总阻力偏差约为2.78%。

表1 计算结果对比

PERA SIM Fluid提供了丰富的后处理工具，可以创建切面/切片、等值面、云图、矢量图、流线图、曲线、图表、动画等图形对象，还具有场变量积分运算功能。

流线：

截面速度场对比：

表面压力场对比：

本文基于PERA SIM Fluid通用流体分析软件，分析了高速列车的气动特性，实现了几何模型处理、网格划分、材料参数设置、模型和边界条件设置、求解设置、计算以及结果后处理的完整分析流程，验证了PERA SIM Fluid强大的前后处理功能以及求解器稳健快速的收敛特性，并与成熟的商用CFD软件计算结果对比，流场结果分布基本一致，气动阻力的相对偏差小于3%，计算精度高。

安世亚太具有业界完整的自主仿真技术体系，引领中国自主仿真技术发展。自主研发的PERA SIM通用仿真软件能够提供通用物理场（结构、热、流体、电磁、声学）及耦合场分析功能，以及能同时适用于结构、流体、电磁、声学等学科的通用前后处理器。