高速磁懸浮列車通信天線罩流固耦合數(shù)值模擬

張強(qiáng) 俞利國(guó) 包寬

摘 ?要：為了獲得高速工況下車載天線罩的氣動(dòng)特性和罩體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，建立了天線罩外流場(chǎng)仿真模型，得到了天線罩外流場(chǎng)的氣動(dòng)特性。進(jìn)一步提取天線罩外表面氣動(dòng)壓力，進(jìn)行天線罩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。流固耦合仿真結(jié)果表明，天線罩最大等效應(yīng)力遠(yuǎn)小于罩體材料的屈服強(qiáng)度。計(jì)算結(jié)果可作為天線罩氣動(dòng)外形和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：磁懸浮列車;天線罩;氣動(dòng)特性;流固耦合

中圖分類號(hào)：TN823 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）16-00153-03

Abstract：In order to obtain the aerodynamic characteristics and structure strength of radome at a high speed，the simulation model of the flow filed of radome is established and the aerodynamic characteristics are obtained. The aerodynamic pressure on radome outer surface is further extracted and the strength of the radome strength is analyzed. The simulation results of fluid-structure coupling show that the maximum equivalent stress of radome is much less than the yield strength of radome material. The results can be as a reference for the design of aerodynamic shape and structure strength of radome.

Keywords：maglev train;radome;aerodynamic characteristics;fluid-solid coupling

0 ?引 ?言

磁懸浮列車在高速運(yùn)行時(shí)，其涉及的列車空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題愈加突出。有學(xué)者對(duì)TR型磁浮列車的氣動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算研究[1]，指出高速時(shí)氣動(dòng)阻力和升力的大小與列車運(yùn)行速度的平方呈近似的正比關(guān)系。文獻(xiàn)[2]采用定常RANS方法研究了地面效應(yīng)影響下高速列車氣動(dòng)力變化規(guī)律。以上文獻(xiàn)僅針對(duì)磁浮整車的氣動(dòng)特性做了研究。

天線罩是為保護(hù)天線免受惡劣自然環(huán)境影響的外殼，是通信系統(tǒng)的重要組成部分，是使天線系統(tǒng)不受高速運(yùn)行造成的惡劣氣動(dòng)環(huán)境影響、正常進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)闹匾Ｕ?。?yīng)用在高速磁懸浮列車上的天線罩裝置安裝于車頭和車位頂部，天線罩內(nèi)置毫米波通信天線系統(tǒng)，罩體由玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂材料制作。玻璃纖維具有成本低、強(qiáng)度好、適應(yīng)范圍廣、介電損耗小等優(yōu)良特性，是被廣泛使用的復(fù)合透波材料的增強(qiáng)材料。磁懸浮列車車地通信天線罩作為毫米波通信前端的保護(hù)罩，除了應(yīng)滿足優(yōu)良的透波性能外，還要求具備良好的氣動(dòng)外形和足夠的剛度、強(qiáng)度[3]。本文將磁浮列車車載天線罩作為研究對(duì)象，重點(diǎn)考察其氣動(dòng)特性以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題。

考慮到列車空氣動(dòng)力學(xué)的因素，車載天線罩呈現(xiàn)流線型造型。為了獲得高速下磁浮列車車載通信天線罩的氣動(dòng)特性和罩體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，建立了天線罩?jǐn)?shù)值模型，采用CFD方法進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算，得到天線罩氣動(dòng)特性。進(jìn)一步進(jìn)行流固耦合分析，得到了天線罩結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布。這對(duì)天線罩外形設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核有工程指導(dǎo)意義。

1 ?數(shù)學(xué)模型

1.1 ?控制方程

1.2 ?幾何模型

由于天線罩處于高速運(yùn)行的工況，為了減小其在空氣中的運(yùn)行阻力，天線罩外形設(shè)計(jì)為流線型造型。流線型罩體一是可以增加工業(yè)設(shè)計(jì)的美觀度，二是可以顯著減小氣流在表面的分離情況，進(jìn)而減小或者避免旋渦的形成，從而達(dá)到減小阻力的目的。

考慮到磁懸浮列車在實(shí)際運(yùn)行時(shí)會(huì)雙向行駛，因此天線罩為前后對(duì)稱結(jié)構(gòu)。天線罩物理模型采用玻璃纖維復(fù)合材質(zhì)加工，罩壁厚度由罩內(nèi)天線工作頻率決定[4]，為了保證電磁波最大通透率的電性能要求，一般采用介質(zhì)半波長(zhǎng)作為壁厚。同時(shí)為了增強(qiáng)天線罩的剛度和強(qiáng)度，在罩體內(nèi)部前后端及側(cè)壁處設(shè)計(jì)了加強(qiáng)肋板結(jié)構(gòu)。

在仿真計(jì)算時(shí)，考慮到仿真的經(jīng)濟(jì)性和計(jì)算效率，天線罩幾何模型采用簡(jiǎn)化模式，對(duì)于氣動(dòng)外形和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較小的圓角和螺釘孔予以簡(jiǎn)化。

1.3 ?計(jì)算模型

綜合考慮計(jì)算精度、計(jì)算效率、計(jì)算資源等因素，在劃分網(wǎng)格之前，需要考慮采取合適的網(wǎng)格劃分方法。由于天線罩為非規(guī)則幾何體，屬于相對(duì)復(fù)雜的模型，因此采用混合網(wǎng)格模式劃分。劃分網(wǎng)格完畢后需要檢查網(wǎng)格質(zhì)量，之后進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性計(jì)算，以確認(rèn)網(wǎng)格劃分對(duì)模型的仿真結(jié)果影響微乎其微。

由于天線罩為對(duì)稱模型，取其寬度方向二分之一模型劃分網(wǎng)格。天線罩底面以上加載10倍長(zhǎng)度的圓柱體計(jì)算域，流場(chǎng)計(jì)算網(wǎng)格采用混合網(wǎng)格劃分。天線罩近壁區(qū)采用邊界層結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，邊界層數(shù)設(shè)置為10層，這對(duì)近壁區(qū)計(jì)算精度有很大的幫助，遠(yuǎn)壁區(qū)采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并且確保相鄰網(wǎng)格銜接平滑，高質(zhì)量的網(wǎng)格可有效加速計(jì)算收斂和提高計(jì)算精度。最終利用多面體網(wǎng)格劃分模型，網(wǎng)格結(jié)果顯示生成高質(zhì)量網(wǎng)格的同時(shí)有效降低了網(wǎng)格數(shù)量。

1.4 ?模型選擇與邊界條件

高速磁懸浮列車運(yùn)行時(shí)速為600Km/h，其馬赫數(shù)約為0.5，空氣密度的變化對(duì)天線罩流場(chǎng)的影響不可忽略，必須考慮流體的壓縮效應(yīng)。因此，其控制方程為三維可壓縮雷諾平均N-S方程，空氣按有粘性的可壓縮流處理?？諝饷芏然诶硐霘怏w，選擇Sutherland粘度公式。根據(jù)天線罩的流場(chǎng)條件，選擇基于密度的隱式耦合求解器，采用SSTk-ω湍流模型，它由標(biāo)準(zhǔn)的k-ε雙方程模型變形而來(lái)的混合模式，使得在近壁自由流中應(yīng)用k-ω模型，而在遠(yuǎn)壁區(qū)繼續(xù)使用原始的k-ε模型，這對(duì)邊界層流動(dòng)和分離流動(dòng)均有較好的模擬精度。動(dòng)量和湍流動(dòng)能以及湍流耗散率均采用二階離散迎風(fēng)格式。

模型計(jì)算時(shí)取自由來(lái)流條件為初始流場(chǎng)，罩體壁面邊界條件設(shè)置為無(wú)滑移絕熱固壁，底部壁面設(shè)置為移動(dòng)壁面，其速度取為列車正向來(lái)流速度。天線罩外邊界條件設(shè)置為壓力遠(yuǎn)場(chǎng)，模型的剖切面設(shè)置為對(duì)稱邊界。

2 ?仿真結(jié)果分析

2.1 ?天線罩外流場(chǎng)分析

針對(duì)600Km/h運(yùn)行工況，仿真得到如圖1所示天線罩速度矢量圖。可以看出沿列車來(lái)流方向，氣流由于受到了天線罩面的阻礙作用，速度場(chǎng)發(fā)生了明顯的變化。天線罩前部和尾部氣流速度較小，而頂部氣流速度最大。氣流首先受到天線罩前部的阻擋作用，一部分向上沿頂部流動(dòng)，一部分沿天線罩兩側(cè)面向尾部流動(dòng)。當(dāng)氣流流經(jīng)頂部向尾部流動(dòng)時(shí)，氣流發(fā)生分離并在尾部產(chǎn)生旋渦區(qū)。結(jié)合如圖2所示的天線罩壓力分布圖，可知天線罩前部和尾部出現(xiàn)正壓區(qū)，且前部正壓大于尾部。頂部及兩側(cè)面呈現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，且前部、尾部與頂部連接過(guò)渡區(qū)呈現(xiàn)較大的負(fù)壓。

2.2 ?結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及形變

通過(guò)加載靜力學(xué)仿真環(huán)境，將流場(chǎng)分析所得壓力數(shù)值傳遞至結(jié)構(gòu)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)單向流固耦合分析，得到了天線罩結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力和形變結(jié)果，分別如圖3、圖4所示。結(jié)果顯示，在高速氣流下，天線罩最大等效應(yīng)力為9.7MPa，發(fā)生在天線罩側(cè)壁與根部結(jié)合處。天線罩最大形變量為0.54mm，最大形變位置位于天線罩側(cè)壁中部，形變呈現(xiàn)向外鼓出狀態(tài)，與流場(chǎng)分析中罩體呈現(xiàn)的負(fù)壓區(qū)狀態(tài)一致。

3 ?結(jié) ?論

（1）以高速磁懸浮列車車載通信天線罩為研究對(duì)象，建立了天線罩幾何模型及仿真計(jì)算模型。采用RANS方法進(jìn)行了流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算，得到了天線罩氣動(dòng)特性。通過(guò)流固耦合分析，實(shí)現(xiàn)了天線罩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核計(jì)算。

（2）氣動(dòng)特性數(shù)值仿真結(jié)果顯示，天線罩前端及尾部氣流速度明顯減小，呈現(xiàn)正壓區(qū);頂部及側(cè)壁氣流速度較大，呈現(xiàn)負(fù)壓區(qū)。

（3）通過(guò)單向流固耦合，得到天線罩結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力分布及形變結(jié)果。最大等效應(yīng)力為9.7MPa，最大形變量0.54mm，呈側(cè)壁鼓出狀態(tài)。最大等效應(yīng)力遠(yuǎn)小于天線罩材料屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。計(jì)算結(jié)果可作為天線罩氣動(dòng)外形和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：張強(qiáng)（1986.08-），男，漢族，江蘇泗洪人，工程師，碩士，研究方向：電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其仿真。