風(fēng)屏障開孔率對高速列車氣動特性影響研究

寇麗君

（吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132200）

1 計算流體動力學(xué)（CFD）簡介

CFD的全稱為Computational Fluid Dynamics，用來研究流體力學(xué)相關(guān)問題，內(nèi)容融合了流體力學(xué)、數(shù)值計算和計算機(jī)科學(xué)等。它的運(yùn)用原理為：對求解模型中空間與時間上的連續(xù)物理量，用有限的點進(jìn)行離散，仿真系統(tǒng)通過設(shè)置好的方程對離散點上的變量進(jìn)行求解，就可以解出離散點上所求物理量的值。自然界實際的流場中，流體流動方式復(fù)雜多樣，傳統(tǒng)的流體力學(xué)求解方法無法準(zhǔn)確分析，CFD軟件能同時綜合計算不同的變量，得出接近真實的數(shù)值解析結(jié)果。與風(fēng)洞實驗相比，使用計算流體動力學(xué)可以更為靈活地調(diào)整各個自變量的參數(shù)，接近自然環(huán)境下的實際情況。CFD可以節(jié)省大量成本，且可以得到直觀的數(shù)值解析，為工程建設(shè)提供較為準(zhǔn)確的科學(xué)參數(shù)和指標(biāo)。

2 GAMBIT建模

利用GAMBIT建立帶風(fēng)屏障的高架橋高速動車組模型。高速列車全車較長，考慮實際情況，將列車簡化為三節(jié)車分別為頭車、中間車和尾車。建立的CRH1高速列車模型總長78 m，頭車和尾車長度為26.5 m，中間車25 m，車輛寬度3.32 m，車輛高度4.04m，應(yīng)用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)320.33萬。

3 計算、求解

利用FLUENT-3d求解器進(jìn)行求解。對高速列車運(yùn)行速度120 km/h。風(fēng)速為14 m/s。在橫風(fēng)環(huán)境中，安裝不同開孔率的風(fēng)屏障時，將影響列車周圍流場結(jié)構(gòu)，對列車的氣動性能會產(chǎn)生一定的影響。本節(jié)通過建立不同風(fēng)屏障高度時列車運(yùn)行在復(fù)線高架橋區(qū)段的空氣動力學(xué)模型，研究風(fēng)屏障的開孔率變化對列車的氣動性能的影響。隨著風(fēng)屏障開孔率的不同，作用在高速列車上的氣動力和力矩也隨之發(fā)生變化，

（1）計算工況 1無風(fēng)屏障，

（2）計算工況 2風(fēng)屏障開孔率10%，

（3）計算風(fēng)屏障開孔率30%

（4）計算風(fēng)屏障開孔率60%

計算結(jié)果匯總，利用ORIGIN畫圖如下圖1～圖4。

圖1 無風(fēng)屏障

圖2 風(fēng)屏障開孔率10%

圖3 風(fēng)屏障開孔率30%

圖4 風(fēng)屏障開孔率60%

4 結(jié)果分析

無風(fēng)屏障時，可明顯看出高速列車的最大壓力在迎風(fēng)側(cè)達(dá)到4.93kN，且背風(fēng)側(cè)為負(fù)壓隨著開孔率的變大高速列車所受的壓力也在逐漸變大，高速列車倆側(cè)的壓力差也在逐漸變小，風(fēng)屏障倆側(cè)的壓力差也逐漸變小，所以風(fēng)屏障開孔率越大，風(fēng)屏障安全性越好。當(dāng)風(fēng)屏障開孔率達(dá)到30%以上時，雖然高速列車迎風(fēng)側(cè)壓力變化較大，但是背風(fēng)側(cè)壓力變化逐漸不明顯，一般風(fēng)屏障開孔率最好在30%。風(fēng)屏障可以有效的減小高速列車所受的壓力，改善了高速列車運(yùn)行時的氣動特性，提高高速列車安全性，同時提升了高速列車的穩(wěn)定性和舒適性。