旋转列车气流的大涡模拟

兰州交通大学毕业设计（论文）旋转列车气流的大涡模拟HassanHemida,NahiaGil,ChrisBaker摘要利用大涡模拟(LES)方法研究高速列车的气流问题，采用标准的Smagorinsky模型模拟亚格子应力。列车模型是由4辆车组成的1/25比例的ICE2型列车。该模型被放置于直径为3.61m的旋转试验台上.基于列车的高度和速度，分别对雷诺数77000和94000的大涡进行了模拟。模拟中运用了粗糙的、中等的和加密的3种计算网格。这三种网格分别由6×106，10×106，和15×106个节点组成。加密网格的计算结果与试验数据吻合较好。运用大涡模拟获得了不同的流动区域：上流区、鼻端区、边界层区、风挡区、尾流区和远尾流区。在靠近列车鼻端区域从气流的最大速度幅值中可以出现局部的速度峰值。面压力的最大值和最小值分别出现在靠近鼻尖区域的顶面和底面。所有的湍流结构都产生于列车的顶部，并被列车外侧的径向速度分量所掠过。在列车的外侧，主要是大结构的大湍流占据主要地位。研究表明，以柱面形式支撑的风挡和车下复杂结构对气流的速度有很大的影响。在合适的雷诺数范围内，气流流速与列车速度近似地呈线性关系。1.引言列车在空气中运行时，会导致列车两侧以及尾部的气流产生重要的气流流速。这种现象会对乘客和铁路沿线工作人员的安全造成威胁，同时也会给婴儿车以及手推车带来很多问题。鉴于对外部环境所造成的影响，铁路安全与标准学会（RSSB）[1]近期已将其确定为亟待解决的课题，各种研究工作也需要开展。RSSB最新的一项研究显示，在英国，与其他危险相比，所有与列车气流相关的危险所占比例较小。然而，如得不到有效的组织管理，列车气流会对站台乘客以及铁路沿线工作人员的安全造成很大的威胁。自1972年以，英国大陆地区已经报道了24起事件，这些事件不但涉及到气流产生的作用力对静止站台上的婴儿车、手推车所造成的伤害，而且也有对乘客及其物品的伤害[2-3]。作用于站台或沿线物体的气动力取决于物体的外形，并与气流流速的平方成正比。气流流速本身通常与列车的速度成一定的比例。自新一代列车通过提高速度减少运行时间来适应铁路运营客流高峰以来，气流造成的危险性变得更大，急需探究高速列车气流的产生机理。当前有两种途径来研究列车的气流问题，全尺寸模型或缩尺模型。所有这些方法在文献[4]~文献[5]中都有所阐述。文献[5]运用热膜的方法来测试列车周围的速度，该热膜覆盖于放置在移动设备上的由4辆成的1/25比例模型的表面，在他们的工作中也进行了兰州交通大学毕业设计（论文）一些粒子图像速度测量方法（PIV）的试验。文献[4]开展了全尺寸货车和客车的模拟工作。然而，由于列车的气流是大湍流的瞬态现象，为获得足够的结果以得出时间的平均和标准偏差，需要进行大量的试验。这样就会使这两种试验方法耗费大量的时间和财力。基于此，伯明翰大学的铁路研究中心运用直径为3.16m的旋转台来测量气流的流速。这种新的试验方法使得测量沿列车长度的某些点的平均速度变为可能。然而，这种方法仍旧不能得到流动域和过渡部分气流以及压力场的全貌，超出了试验所能探讨的范围[6]。过去，单纯依靠数值仿真预测列车周围随时间变化的气流流动，即使雷诺数相对比较低的流动也都是不可行的。最近几年，计算机配置的提升使得这些模拟（适宜的雷诺数）变成了可能。对比高昂的、无法实现或难以实现的试验研究，计算流体动力学（CFD）的应用更具优势。通常，试验需要大量的时间和财力。由于受到雷诺数的制约，通过缩尺的风洞试验来弥补这些不足是不可能的。同样对于非同寻常雷诺数的流动算例，在风洞中去除边界和/或条件在操作上都是无法实现的。况且，空旷空气的试验主要受到大气条件的制约，试验重现的模拟显得极为困难。伴随着列车的提速以及新一代高速列车产品的问世，很多在低速完全可以被忽略的空气动力学问题，如气动噪声、列车交会产生的作用力、隧道出口压力波以及车内乘坐不舒适性等，都将显现。这些是限制列车系统提速的主要因素[7]。因此，在过去20年中，高速列车空气动力学得到了很多研究者的重视，并一直试图改善其气动性能[8-12]。文献[13]中，利用CFD模拟列车气动模型（ATM）周围的流动，采用分涡模拟（DES）来分析列车尾流的流动状况，并将CFD的计算结果与试验数据进行了对比，运用分涡模拟方法获得了几乎所有工况下的计算结果。同时，尾部和边界层的速度量峰值采用DES方法进行了评价。最近，采用标准的Smagorinsky模型的大涡模拟方法（LES），已经被成功地应用于研究列车周围侧风的流动[14-16]。本文针对旋转模型周围气流的瞬态行为，采用标准的Smagorinsky模型的LES方法进行研究。研究中所用到的77000和94000这2个雷诺（Re），是基于列车的高度和速度而得到的。利用计算软件CFX[17]的滑移网格技术来模拟模型的旋转。2.试验方法旋转轨道台由一个直径为3.16m的铁路轨道框架组成，最高转速可以达到118r/min，相当于轨道运行速度为22m/s（图1）。起初设想将标准轨道段置于框架上，并借助于新的激光技术[5]使研究工作成为可移动的有机合成体，用以研究售票员鞋子静止结冰问题，售票员鞋子保持在旋转轨道上温度低于零摄氏度以下的条件。目前的研究中，高度H=70mm、长度L=0.5m的1/25的ICE2型列车的模型，通过工装和螺钉（每节车2套）安放在旋转轨道上，保证两者的运动是一体的（见图1（b））。该模型由3兰州交通大学毕业设计（论文）个风挡连接组成。典型风挡的深度和宽度W相等，同为列车高度的71。为了减少轮子旋转所引起的湍流，同时也为了模拟列车运动的地面层，比轨道稍大的带有圆形狭槽的木质平台被放置于装配台上。列车和地平面之间是紧密的刷子。根据列车置于轨道上的方法可以使车辆很方便地编挂或者解编。这样，任何编组形式的列车都可以进行流场的测试。该试验台最为重要的方面当然是多种列车通过方案可以很快地得以实现（每次只需旋转一次试验台），同理，与现有的全尺和缩尺技术相比，该试验方法更利于快速操作。（a）列车模型和测试探针（b）支撑轨道和列车的装置示意图3.列车模型列车模型由4辆弯曲的车辆组成。平直的车辆所带来的问题是列车模型长约50cm，相对于曲率半径R=180.5cm的试验台来说尺寸过大，这样就会导致在列车方向每节车厢的后部都存在明显的不连续性。并且，探针与列车表面之间的距离也不是恒定量，因此，探针的测量位置在列车的顶部和侧面会对测试结果产生非常明显的影响。为了解决这些问题，构造一列弯曲的列车，使其在靠近车辆的弯曲线上进行测量成为可能（见图1（a））。此外，这种新型的列车被设计成简单的1/25比例的ICE2列车，以便于所得到的测试结果可以与TRAIR试验台获得的结果进行对比。列车模型由1/25比例的4辆ICE2列车组成。很显然，这些结果将会受到列车曲率的影响（试验车辆越多影响越大），凸面侧要比凹面侧边界层增加得多（见文献[18]~文献[19]）。在该试验中，气流和尾流速度采用静止的眼镜蛇探针（湍流所使用的P/L仪器）进行测试，四孔压力传感器用以测试速度的3个分量，能够测试的最高速度为100m/s。探针的详细信息见文献[6]。4.数值方法运动列车周围的流动是非常复杂的，由大范围的湍流所组成。据证实，大湍流是影响列车空气动力学的主要因素。然而，尾流和边界层受大湍流结构所主导。因此，一种兰州交通大学毕业设计（论文）解决大结构的模拟方法例如LES方法，能够更好地模拟列车周围的流动。尽管LES方法比平均雷诺方程Navier-Stokes（RANS）法计算更为昂贵，但是它可以提供更为准确的时间均值结果，同时也可以得到瞬态流动的信息，这些都是RANS方法无法媲美的。LES法已经被证实，在预测简化列车和非流线体周围气流流动方面是一种可靠的技术[14-16]。通常，LES法将流动的结构分解成大的和小的等级。将小等级对大等级流动的影响建成模型后，大活动级的流动就可以直接被模拟。因此，LES法是一种介于RANS法和直接数值模拟法之间的一种方法。对于不可压缩流的简化的连续性方程和动量方程如下：（1）（2）式（２）中：pUj,和Rij分别是滤波后的速度、滤波后的压力和残余应力。残余应力为未知量，需要模拟。线性涡粘性模型中亚格子应力与应变率张量ijS的关系式如下：（3）式（3）中：比例系数SGS是亚格子运动的涡粘性系数。（4）式（4）中：是当量宽度；SC是Smagorinsky系数；f是近墙的阻尼函数。SGS模型系数值SC此处取值为0.1。由于壁面的应变率张量不为零，因此，模型系数值SC应当适当考虑壁面的影响。近墙的阻尼函数f用于控制靠近壁面的湍流长度。该函数可表达为：（5）式（5）中：y是标准的壁面距离。ANSYS-CFX中关于LES的更多内容参见文献[17]。0iixURijjijijijixUxxpxUUtU)(1)(231ijijSGSijSGSRkkRijxUxUSijijSSGSSSfC2)(2)25exp(1yf兰州交通大学毕业设计（论文）5.计算区域和边界条件数值条件的设置尽量与试验条件相一致。计算域由2部分组成：静止部分和旋转部分（图2（a））。静止部分正方形外形的边长为6m，高度为6H。静止区域的地面采用无滑移的边界条件，侧面和顶部采用开放的边界条件。旋转部分距离列车两侧面的距离为2H，高度为4H（见图2（b））。列车模型、轨道以及支撑柱面都位于可旋转的部分。旋转部分顺时针方向旋转的角速度等同于列车的运行速度。旋转部分的底面也采用无滑移的边界条件。为了同试验具有相似的边界条件，轨道与列车旋转的速度其大小和方向均一致，平台旋转方向与旋转框架的旋转方向相反。两部分间的瞬态网格交界面在每个时间步长内都进行信息交换。模型壁面采用无滑移的边界条件。静止和旋转部分模拟的初始速度均为零。图2（b）显示的是笛卡尔坐标系。区域的圆心位于平台的水平面上。x-y坐标平面对应于水平面（平台平面），z轴方向垂直于x-y平面向上。（a）旋转和静止区域的尺寸（b）计算模型和支撑柱面6.计算结果本节介绍基于列车高度和速度获得的77000和94000两个雷诺数下的LES模拟计算结果。气流的速度为列车的运行速度，列车的高度为边界层的厚度。大部分是对低雷诺数Re时的气流分析，在本节的最后将会介绍雷诺数Re对气流结构的影响。6.1数值模拟精度估算LES方程采用三维有限体积法进行求解。为了研究网格质量对计算结果和数值精度的影响，进行了粗糙的、中等的和加密的三种网格质量工况下的计算。运用商业网格划分软件ICEM-CFD进行实体建模和网格划分。利用ICEM-CFD在模型周围生成六面体网格。列车周围厚度0.1H处采用O型网格，最终在各个方向生成光滑网格（图3（b））。图3（a）是风挡及其附近区域的面网格情况，图3（c）是列车前部鼻端区域的中等网格。在靠近模型列车区域采用双曲线拉伸的加密网格，远离列车区域采用粗糙的网格。兰州交通大学毕业设计（论文）粗糙的、中等的和加密的网格节点总数分别为6×106个，10×106个，和15×106个。最大空间规模和各网格的节点数量见表1，其中：u是摩擦速度，n是第一个节点与列车壁面法线之间的距离，s是沿流动方向的单元宽度，l是翼尾方向的单元宽度。（a）靠近风挡处的面网格（b）风挡横断面上的面网格形状（c）列车鼻端区域的网格表1粗糙的、中等的、加密的三种网格的空间规模网格划分节点个数/nuy/lux/suz加密的610150.810020中等的610101200100粗燥的61065900300对流、粘性扩散的正亚格子通量近似地采用二阶精度的中心差分格式进行计算。为了抑制数值发散，模拟采用无迎风格式。由于中心差分格式对拉伸率比较敏感，因此，对旋转区域和列车模型周围的大的流动变化部分，网格的拉伸率保持在1.1以上。采用二阶Crank–Nicolson耦合求解器进行时间积分