仿真计算高速列车表面微结构减阻的方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010330227.8 (22)申请日 2020.04.24 (71)申请人 中车唐山机车车辆有限公司 地址 064099 河北省唐山市丰润区厂前路3 号 申请人 西南交通大学 (72)发明人 刘斌梁红琴江磊丁国富 金静飞马术文 (74)专利代理机构 成都信博专利代理有限责任 公司 51200 代理人 刘凯 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/23(2020.01) (54)发明名称 一种仿真计算高速列车表面微结构减阻的 方法 (。

2、57)摘要 本发明公开一种仿真计算高速列车表面微 结构减阻的方法， 通过把复杂的高速列车三编组 模型简化， 通过分析简化模型和三编组模型壁面 切应力对比分析， 验证在相同的计算域内， 简化 三编组模型和缩比三编组模型壁面切应力的一 致性， 从而把微结构搭载在简化三编组模型上， 用简化三编组模型搭载微结构时的切应力来代 替三编组实际模型搭载微结构的切应力， 从而方 便地进行高速列车搭载微结构表面的减阻效率 的计算。 本发明计算方法简单可行； 并提高了计 算速度、 计算效率和计算精度。 权利要求书1页 说明书6页 附图7页 CN 111539069 A 2020.08.14 CN 11153906。

3、9 A 1.一种仿真计算高速列车表面微结构减阻的方法， 其特征在于， 包括以下步骤： 步骤1： 根据初步的光滑平板和微结构仿真计算， 确定用于局部减阻的微结构类型和微 结构尺寸， 包括微结构的高度h和顶角； 步骤2： 建立高速列车三编组缩比模型； 步骤3： 建立高速列车三编组简化模型， 选取计算域及边界条件， 划分网格； 步骤3.1： 以长度和宽度均与三编组缩比模型相似的矩形平板作三编组简化模型； 将三 编组简化模型沿长度方向的中部区域作为简化模型研究区域； 步骤3.2： 以矩形平板的长宽作为计算域的长宽， 以矩形平板的宽度作为计算域的高 度； 然后确定计算域的边界条件； 步骤3.3： 根据选。

4、取的计算域和边界条件划分三编组简化模型整体网格， 三编组简化模 型整体网格采用结构化网格， 在靠近入口区域以及底面研究区域附近， 进行网格加密； 步骤4： 简化高速列车搭载微结构表面的减阻效率仿真计算： 步骤4.1： 建立网格模型： 在简化模型研究区域布置高度为h， 顶角为的V型微结构表 面； 在三编组简化模型整体网格的对应位置设置微结构表面近壁区域网格； 步骤4.2： 在FLUENT中， 对所述网格模型进行数值仿真计算， 得到微结构表面壁面切应 力的分布规律， 与平板面壁面切应力的分布规律进行对比， 从而得到简化模型研究区域某 一位置布置微结构表面带来的减阻收益。 2.根据权利要求1所述的仿。

5、真计算高速列车表面微结构减阻的方法， 其特征在于， 所述 三编组简化模型计算域的边界条件的选取根据： 入口的气流速度、 出口的压力、 侧面和顶面 是否对称、 计算域底面作为壁面的剪切情况、 网格的结合面、 头车车身、 中间车车身和尾车 车身作为光滑壁面， 以及定义车身地面的剪切情况。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111539069 A 2 一种仿真计算高速列车表面微结构减阻的方法 技术领域 0001 本发明涉及高速列车气动减阻技术领域， 具体为一种仿真计算高速列车表面微结 构减阻 的方法。 背景技术 0002 21世纪能源危机日益严峻， 节约能耗成为了人们越来越关注的研究方向， 因此在 。

6、高速列 车的设计过程中， 能耗也成为评价的重要指标。 研究表明， 列车气动阻力与列车行 驶速度的 平方成正比， 在低速行驶时， 列车所受气动阻力较小； 随着列车速度的提高， 列车 在行驶时 受到的气动阻力不断增加， 且气动阻力占总阻力的比例也不断增加。 当高速列车 速度达到 200km/h时， 气动阻力对列车的影响已经超过了机械阻力对列车的影响， 尤其是 当车速达到 300km/h时， 气动阻力的占总阻力的比例高达85， 气动阻力也成为了制约高 速列车提速的 重要因素之一。 因此， 高速列车气动减阻技术的研究， 对节约能耗及高速列 车提速， 都有着 重要意义。 0003 经过CFD数值仿真计算。

7、表明， V形微结构的减阻效率最好， 在200-400km/h的速度范 围 内， V形微结构要有一定的减阻效率， 微结构表面的高度h10-100 m的数量级， 而高速 列 车尺寸在10m的数量级， 一般进行动力学分析的三编组高速列车模型尺寸数量级为 100m， 相差5个数量级， 如果直接将微结构几何模型建立在列车模型表面， 进行数值仿真计 算， 则 计算量极大， 且结果准确性较低。 发明内容 0004 针对上述问题， 本发明的目的在于提供一种采用简化模型的方式来计算高速列车 的减阻 效率的方法， 该方法能够提高计算速度、 计算效率和计算精度的。 技术方案如下： 0005 一种仿真计算高速列车表面。

8、微结构减阻的方法， 包括以下步骤： 0006 步骤1： 根据初步的光滑平板和微结构仿真计算， 确定用于局部减阻的微结构类型 和微结 构尺寸， 包括微结构的高度h和顶角 ； 0007 步骤2： 建立高速列车三编组缩比模型； 0008 步骤3： 建立高速列车三编组简化模型， 选取计算域及边界条件， 划分网格； 0009 步骤3.1： 以长度和宽度均与三编组缩比模型相似的矩形平板作三编组简化模型； 将三编 组简化模型沿长度方向的中部区域作为简化模型研究区域； 0010 步骤3.2： 以矩形平板的长宽作为计算域的长宽， 以矩形平板的宽度作为计算域的 高度； 然后确定计算域的边界条件； 0011 步骤3。

9、.3： 根据选取的计算域和边界调节划分三编组简化模型整体网格， 三编组简 化模型 整体网格采用结构化网格， 在靠近入口区域以及底面研究区域附近， 进行网格加 密； 0012 步骤4： 简化高速列车搭载微结构表面的减阻效率仿真计算： 0013 步骤4.1： 建立网格模型： 在简化模型研究区域布置高度为h， 顶角为 的V型微结构 说明书 1/6 页 3 CN 111539069 A 3 表 面； 在三编组简化模型整体网格的对应位置设置微结构表面近壁区域网格； 0014 步骤4.2： 在FLUENT中， 对所述网格模型进行数值仿真计算， 得到微结构表面壁面 切 应力的分布规律， 与平板面壁面切应力的。

10、分布规律进行对比， 从而得到简化模型研究区 域某 一位置布置微结构表面带来的减阻收益。 0015 进一步的， 所述三编组简化模型计算域的边界条件的选取根据： 入口的气流速度、 出口 的压力、 侧面和顶面是否对称、 计算域底面作为壁面的剪切情况、 网格的结合面、 头车 车身、 中间车车身和尾车车身作为光滑壁面， 以及定义车身地面的剪切情况。 0016 本发明的有益效果是： 本发明通过简化模型的减阻效率来计算高速列车微结构的 减阻效 率， 计算方法简单可行； 并提高了计算速度、 计算效率和计算精度； 本发明结合国家 节能减 排战略， 在未来高速列车更高运行速度时有更重要的应用价值。 附图说明 00。

11、17 图1为本发明实施例的方法流程图。 0018 图2为微结构的形式。 0019 图3为光滑三编组列车模型。 0020 图4为光滑三编组列车计算域Fluid。 0021 图5为六面体网格整体示意图。 0022 图6为面六面体网格侧面。 0023 图7为列车表面四面体网格。 0024 图8为直线a、 b、 c位置示意图。 0025 图9为直线a、 b、 c壁面切应力分布图。 0026 图10为研究区域位置示意图。 0027 图11为简化模型示意图。 0028 图12为简化模型计算域示意图。 0029 图13为简化模型整体网格示意图。 0030 图14为简化模型研究区域平板面壁面切应力分布对比图。。

12、 0031 图15为简化模型研究区域微结构表面网格。 0032 图16为80 m微结构表面壁面切应力分布对比图。 具体实施方式 0033 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。 本发明仿真计算高速列 车表面 微结构减阻的方法实施例的方法流程图如图1所示。 下面以时速400km/h的高速列 车为对象， 对本发明的详细内容进行说明： 0034 步骤1： 根据初步的光滑平板和微结构仿真计算， 确定用于局部减阻的微结构类型 和微结 构尺寸： 0035 确定要仿真计算的高速列车基本速度， 通过计算域的选取， 利用CFD仿真计算软件 对不 同高度和不同顶角角度的V形微结构表面的减阻效率分析， 。

13、通过仿真分析计算， 筛选 出减阻 效率好的微结构形式， 初步决定微结构的几何尺寸。 0036 本发明针对的微结构形式如图2所示， 主要几何参数是微结构的高度和顶角。 说明书 2/6 页 4 CN 111539069 A 4 0037 步骤2： 高速列车三编组缩比模型的建立和有限元仿真计算模型的建立： 0038 (1)三编组列车缩比几何模型建立 0039 建立1:16的三编组列车缩比模型， 并将受电弓， 转向架等区域简化， 得到光滑三编 组列 车模型如图3所示。 模型分为头车、 中间车、 尾车三部分。 总长度约为5m， 高度约为 0.24m。 0040 (2)三编组缩比模型计算域及边界条件的选取。

14、 0041 光滑三编组列车计算域Fluid如图4所示， 将Fluid分为两个计算域： Fluid1与 Fluid2， Fluid1为列车附近的计算域， 如图4中A区域； 其它区域为Fluid2， 如图4中B区域。 计算 域总体长度为20m， 宽度为3.75m， 高度为2.5m。 计算域Fluid的边界条件如表1所示。 0042 表1光滑三编组列车计算域Fluid边界条件 0043 0044 (3)网格模型建立 0045 在光滑三编组列车模型几何模型基础上， 通过ICEM-CFD， 建立光滑三编组列车模 型 网格模型。 网格模型分为三层： 0046 1)六面体网格： 位于最外层， 在计算域Flu。

15、id2中， 为结构化网格， 网格质量好， 数量 少。 0047 2)四面体网格： 位于中间层， 在计算域Fluid1中， 四面体网格能较好贴合列车模型 中的 曲面。 0048 3)棱柱网格： 位于最里层， 在计算域Fluid1中， 能够对列车表面边界层网格进行精 细表 达。 0049 在计算域Fluid2中， 划分六面体网格， 如图5与图6所示。 网格在x， y， z三个方向， 靠近列车位置均进行网格加密。 0050 在计算域Fluid1中， 进行四面体网格划分， 在靠近列车表面区域进行加密， 列车表 面网 格尺寸为10mm， 并在INTER1面上， 进行六面体、 四面体网格拼接， 各区域网格。

16、尺寸如 下： 0051 BODY1:10mm 0052 BODY2:10mm 0053 BODY3:10mm 0054 BOTTOM1:30mm 0055 INTER1:30mm 说明书 3/6 页 5 CN 111539069 A 5 0056 列车表面网格如图7所示， 可见， 网格很好的贴合了列车表面。 0057 在距离列车表面15mm区域内， 进行棱柱网格划分， 其中： 0058 棱柱网格第一层高度： Initial Height0.0125mm。 0059 棱柱网格高度增长率： Height Ratio1.2。 0060 棱柱网格层数： Number of Layer30。 0061 。

17、棱柱网格总高度： Total Height15mm。 0062 棱柱网格的划分使得在后续仿真计算结果中， 列车表面近壁区域流场能被更加精 细的表 达。 0063 (4)数值计算结果及分析 0064 在FLUENT中， 对建立好的网格模型进行仿真计算， 并对仿真计算结果进行后处理 分析。 在列车表面选取三条x方向的直线a(y0)， b(z0.2m)， c(z0.1m)， 如图8所示， 三 条直线 上的壁面切应力分布如图8所示， 其中横坐标为距离列车模型最前端距离。 0065 由图9可知， 壁面切应力随着x的增大而减小。 受到车头形状的影响， 在1m1.5m 内， 壁面切应力变化幅度较大， 当x相。

18、同时， 三条直线上的壁面切应力有较大差距， 当1.5m 6m 内， 壁面切应力变化较为平缓， 三条直线上壁面切应力分布差距较小。 因此选择车身 两侧及 顶部， 1.5mx6m的区域为研究区域， 区域如图9中深色区域所示。 0066 该区域顺流向壁面切应力在区域前端顶部与侧面， 壁面切应力较大， 后端切应力 较小， 位于17Pa到19Pa之间。 0067 对光滑列车模型受力情况进行分析， 得到表2所示结果， 数据显示， 研究区域位于 列车 中部， 该区域受到x方向压差阻力极小， x方向阻力主要来自于摩擦阻力。 整体模型受 到x 方向的阻力为100.00N， 研究区域受到x方向的总阻力为25.40。

19、N， 占总阻力的25.4。 因 此， 通过应用微结构表面减小该研究区域的摩擦阻力， 将有利于列车模型总体阻力的减 小。 0068 表2光滑列车模型受力分析表 0069 0070 步骤3： 高速列车三编组简化模型的建立与验证， 包括三编组高速列车简化模型的 建立、 计算域及边界条件的选取、 网格模型的划分、 光滑高速列车壁面切应力的分布规律 和对比验 证。 0071 (1)高速列车三编组简化模型的建立 0072 简化模型为长度6m， 宽度0.2m的矩形平板， 该模型长度， 宽度均与列车模型相似， 如 图11所示， 模型中部(图中横线区域)为研究区域， 先后在该区域布置光滑平面与微结构 表 面， 。

20、通过数值仿真计算得到阻力大小， 从而得到微结构表面应用于简化模型的减阻效 率。 说明书 4/6 页 6 CN 111539069 A 6 0073 (2)三编组简化模型计算域及边界条件的选取 0074 简化模型计算域尺寸如图12所示， 边界条件如表3所示。 0075 表3简化模型边界条件 0076 0077 (3)三编组简化模型的网格模型建立 0078 三编组简化模型的网格模型如图13所示， 采用结构化网格， 在靠近入口区域以及 底面研 究区域附近， 进行网格加密。 0079 (4)数值计算结果及验证 0080 在FLUENT中， 对该网格模型进行数值仿真计算， 得到壁面切应力分布如图14所示。

21、。 较平滑的线为研究区域平板面壁面切应力分布规律， 横坐标为距离入口处距离； 其余三条 分 别为列车表面a、 b、 c三条直线上的壁面切应力分布规律。 0081 在简化模型研究区域前端， 流动尚未发展为湍流， 边界层厚度较薄， 因此壁面切应 力较 大。 随着距离前端距离x的增加， 流动逐渐发展为湍流， 边界层厚度逐渐增加， 壁面切 应力 逐渐降低， 最后趋于平稳。 由图14可见， 简化模型研究区域壁面切应力趋于平稳后， 与 列车 模型研究区域壁面切应力较为相似。 因此， 可以用微结构表面应用于简化模型研究区 域平稳 部分带来的减阻收益， 来反映微结构表面应用于列车模型研究区域带来的减阻收 益。。

22、 0082 步骤4： 简化高速列车搭载微结构表面的减阻效率仿真计算， 包括搭载微结构的简 化模 型的网格模型划分、 高速列车模型搭载微结构的减阻效率计算。 0083 (1)网格模型建立 0084 在简化模型研究区域布置高度为80 m， 顶角为40 的V型微结构表面r， 整体网格与 图 13所示网格相似， 微结构表面近壁区域网格如图15所示。 0085 (2)仿真计算结果与分析 0086 在FLUENT中， 对网格模型进行数值仿真计算， 得到微结构表面壁面切应力的分布 规律， 与平板面壁面切应力的分布规律进行对比， 从而得到简化模型研究区域某一位置布 置微结构 表面带来的减阻收益。 如表4与图1。

23、6所示， 可见该微结构表面大约有16的减阻 效率， 且距 平板前端越近， 减阻效率越高。 0087 表4 80 m微结构表面壁面切应力分布对比表 说明书 5/6 页 7 CN 111539069 A 7 0088 0089 0090 通过数值仿真计算结果表明， 列车模型研究区域壁面切应力位于17.2Pa18.6Pa 之间， 根 据表4可得该区域对应简化模型距离入口1.4m2.8m区域， 该区域微结构表面的 减阻效率位 于15.615.8之间， 因此将该微结构表面布置于列车模型研究区域中， 带 来的局部减阻收 益位于15.615.8之间， 由于该区域阻力占列车模型总阻力的 25.4， 于是可得带。

24、来的总 体减阻收益为4.0。 说明书 6/6 页 8 CN 111539069 A 8 图1 图2 说明书附图 1/7 页 9 CN 111539069 A 9 图3 图4 图5 说明书附图 2/7 页 10 CN 111539069 A 10 图6 图7 图8 说明书附图 3/7 页 11 CN 111539069 A 11 图9 图10 图11 说明书附图 4/7 页 12 CN 111539069 A 12 图12 图13 说明书附图 5/7 页 13 CN 111539069 A 13 图14 图15 说明书附图 6/7 页 14 CN 111539069 A 14 图16 说明书附图 7/7 页 15 CN 111539069 A 15 。