王東屏，趙強，兆文忠

(1.大連交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028;2.大連交通大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，遼寧 大連116028)

0 引言

隨著列車速度不斷提高，列車與空氣的相互作用變得十分強烈，如何有效地利用空氣動力學(xué)特性降低空氣阻力等問題的研究變得愈來愈重要［1-4］.

明線列車空氣動力學(xué)研究的是高速列車在開闊地面上運行和通過橋梁時所誘發(fā)的空氣動力學(xué)問題，其中，列車繞流特性的研究是設(shè)計列車外形，確定客車空調(diào)，輔助變流器通風(fēng)設(shè)備送，排風(fēng)口位置的基礎(chǔ)［5］.列車明線高速運行時車體表面會產(chǎn)生負壓，負壓不利于通風(fēng)設(shè)備的進風(fēng)，盡量避免在負壓區(qū)內(nèi)設(shè)置通風(fēng)設(shè)備進風(fēng)口是及其必要的.

輔助變流器位于列車車廂內(nèi)，起著給列車輔助設(shè)備變流的重要作用，其通風(fēng)的進風(fēng)口開在列車的上部，排風(fēng)口置于車廂底板即設(shè)備艙頂面上.輔助變流器通風(fēng)是否合理順暢是其散熱好壞的關(guān)鍵，而散熱直接影響著輔助變流器的工作性能，因此對輔助變流器通風(fēng)的設(shè)計就顯得十分重要.目前，國內(nèi)對高速列車明線運行輔助變流器通風(fēng)數(shù)值模擬還不是很多，然而輔助變流器進風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力數(shù)值是通風(fēng)設(shè)計的主要參數(shù)，通過模擬出的進排風(fēng)口壓力數(shù)據(jù)和壓差，可以判斷進排風(fēng)口的位置設(shè)計是否合理，對實際輔助變流器通風(fēng)設(shè)計有很強的指導(dǎo)意義.本文對350 km/h高速檢測車明線運行空氣動力特性進行數(shù)值分析研究，模擬了輔助變流器不工作情況下和工作情況下(通風(fēng)方向由上至下)進風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布情況，為輔助變流器通風(fēng)設(shè)計提供必需的壓力數(shù)據(jù)，從而為通風(fēng)設(shè)計改進提供依據(jù).

1 計算模型

在計算流體動力學(xué)研究領(lǐng)域，可以抓住主要矛盾對列車某些結(jié)構(gòu)尤其是車體底部進行簡化建模.

本次計算模型具體簡化措施為:

(1)簡化轉(zhuǎn)向架及車底設(shè)備艙內(nèi)設(shè)備;

(2)檢測車計算模型取三車編組，即:頭車+中車+尾車.

數(shù)值模擬邊界條件如表1所示:

表1 邊界條件設(shè)置

網(wǎng)格的劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對整個計算區(qū)域采用分塊劃分網(wǎng)格原則，對車體近壁層區(qū)域的網(wǎng)格細化，遠離車體的網(wǎng)格采用稀疏網(wǎng)格，以減少計算量和加快收斂速度.列車表面劃分三角形網(wǎng)格，插入邊界層.空間采用四面體和五面體六面體混合網(wǎng)格，空間體單元約為1 000萬.

目前對具有復(fù)雜幾何特征的實車模型進行明線運行氣動特性分析時一般采用穩(wěn)態(tài)計算.本文應(yīng)用大型計算軟件SC/Tetra(日本CRADLE軟件公司開發(fā)的計算流體力學(xué)軟件)，基于三維、定常、不可壓縮的粘性流場，對高速檢測車在350 km/h明線運行工況下的外流場進行了數(shù)值模擬.數(shù)值計算方法采用有限體積法中常用的SIMPLE(Semi－Implicit Method for Pressure－Linked Equations)壓力連接方程的半隱式求解離散方程組.其中在離散方程中，對流項及湍流模型RNG k-ε方程采用二階迎風(fēng)格式［5-6］.基于本次模擬明線流場三維模型的復(fù)雜性較高，在網(wǎng)格數(shù)量很大的情況下，需要進行并行計算.本次并行計算采用16個CPU，分為輔助變流器不工作和工作兩種工況進行模擬，每個工況計算耗時約16 h.

2 計算結(jié)果分析

2.1 列車明線運行車體表面壓力分布情況

檢測車以350 km/h速度明線運行，計算區(qū)域長為190 m，寬30 m，高25 m.通過模擬計算得到車體表面壓力系數(shù)如圖1所示.

列車運行時，由于車頭的擠壓，使周圍流場呈正壓狀態(tài).當氣流繞過迎風(fēng)面到達整流罩上方，隨著空氣繞流列車速度的增加，壓力逐漸降低，并在接近列車最大的橫截面處出現(xiàn)第一個負壓峰值，列車中部表面壓力變化較平緩，承受負壓狀態(tài)，壓力系數(shù)在0附近變化，而對于車尾，在導(dǎo)流罩與車頂?shù)倪^渡處，側(cè)墻向車頂過渡處，負壓值達到最大.從上圖可知，最大壓力發(fā)生在車體鼻尖部位，模擬計算所得的最大壓力系數(shù)是0.99，而理論值應(yīng)該是1.計算值和理論值之間的誤差為1%，在允許誤差之內(nèi).可見計算所得到的趨勢是正確的，計算結(jié)果有可信度［7-10］.

圖1 車體表面壓力系數(shù)分布云圖

2.2 列車明線運行輔助變流器不工作時進風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布情況

為了模擬輔助變流器進風(fēng)口，排風(fēng)口的壓力分布，必須考慮空調(diào)機組和冷凝風(fēng)機的影響.本檢測車共有三個輔助變流器，既有3個輔變進風(fēng)口，3個輔變排風(fēng)口;3個空調(diào)機組，既有3個新風(fēng)口，3個冷凝風(fēng)機進風(fēng)口，3個冷凝風(fēng)機排風(fēng)口.按照列車運行的方向分別編號為1，2，3號，具體如圖2、3 所示.

圖2 車體上部設(shè)備開口位

圖3 輔助變流器進風(fēng)口排風(fēng)口位置

為了驗證通風(fēng)的設(shè)計方向是否便于輔助變流器通風(fēng)，需要分析輔變進風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布.本檢測車中車有3個輔助變流器，按照列車運行的方向(X軸正方向)分別編號為1，2，3號輔助變流器.在輔助變流器不工作的情況下，對檢測車明線運行外流場進行了數(shù)值分析.圖4為1號輔助變流器進風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布.圖5是2號輔助變流器進風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布.圖6為3號輔助變流器進風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布云圖.

從圖4～圖6中可以看出，3個輔助變流器進風(fēng)口的壓力分布趨勢是相同的.最大進風(fēng)口壓力出現(xiàn)在進風(fēng)口左側(cè)，最小進風(fēng)口壓力出現(xiàn)在進風(fēng)口右側(cè)，進風(fēng)口平均壓力相差不大.由于輔助變流器排風(fēng)口位于車廂底板上，車下設(shè)備艙內(nèi)設(shè)備放置比較復(fù)雜，3個輔助變流器排風(fēng)口壓力分布趨勢是不相同的，且排風(fēng)口平均壓力成遞減趨勢.

圖4 1號輔助變流器進風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布(不工作)

圖5 2號輔助變流器進風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布(不工作)

圖6 3號輔助變流器進風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布(不工作)

在輔助變流器不工作的情況下，輔助變流器1，2，3進風(fēng)口排風(fēng)口的最大壓力，最小壓力，平均壓力和輔助變流器進排風(fēng)口壓差見表2及表3.

表2 輔變不工作時進風(fēng)口排風(fēng)口最大壓力，最小壓力，平均壓力 Pa

表3 輔變不工作時進風(fēng)口排風(fēng)口平均壓力和進排風(fēng)口相同時刻的壓差 Pa

由表2及表3可知，輔助變流器不工作的情況下進風(fēng)口的平均壓力隨列車運行方向變化不大，且都為正值;排風(fēng)口1的平均壓力為正，排風(fēng)口2，3的平均壓力為負值，且排風(fēng)口1的壓力明顯大于2和3.進排風(fēng)口的壓差都為正.

2.3 列車明線運行輔助變流器工作時進風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布情況

在輔助變流器正常工作既按現(xiàn)有的通風(fēng)情況下(從上至下)，對檢測車明線運行的空氣流場進行了數(shù)值分析.圖7為1號輔助變流器進風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布.圖8是2號輔助變流器進風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布.圖9為3號輔助變流器進風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布云圖.

圖7 1號輔助變流器工作時進風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布

圖8 2號輔助變流器工作時進風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布

圖9 3號輔助變流器工作時進風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布

從圖7～圖9中可以看出，3個輔助變流器進風(fēng)口的壓力分布趨勢是相同的.最大進風(fēng)口壓力出現(xiàn)在進風(fēng)口左側(cè)，最小進風(fēng)口壓力出現(xiàn)在進風(fēng)口右側(cè).3個輔助變流器排風(fēng)口壓力分布趨勢是不太相同的，但是最大壓力都出現(xiàn)在排風(fēng)口右側(cè).

在輔助變流器正常工作的情況下，輔助變流器1，2，3進風(fēng)口排風(fēng)口的最大壓力，最小壓力，平均壓力和輔助變流器進排風(fēng)口壓差見表4及表5.

表4 輔變正常工作時進風(fēng)口排風(fēng)口最大壓力，最小壓力，平均壓力 Pa

表5 輔變正常工作進風(fēng)口排風(fēng)口平均壓力和進排風(fēng)口相同時刻的壓差 Pa

與輔助變流器不工作時相比，進排風(fēng)口的壓力變化規(guī)律相同，但進風(fēng)口平均壓力減小，1號排風(fēng)口壓力增加，所以進排風(fēng)的壓差為負壓.2號進風(fēng)口平均壓力降低，排風(fēng)口負壓值增大，所以進排風(fēng)口的壓差減少.3號進風(fēng)口平均壓力降低，進排風(fēng)口壓差減少.計算結(jié)果表明，1號輔助變流器排風(fēng)口的壓力偏高，進排風(fēng)口的壓差為負值，不利于輔助變流器由上至下通風(fēng)，所以此位置不適合設(shè)置排風(fēng)口.

4 結(jié)論

本文對350 km/h檢測車明線運行時外流場進行了數(shù)值分析，詳細獲得輔助變流器在不工作情況下和正常工作情況下進風(fēng)口和排風(fēng)口的壓力分布情況，得到有意義的結(jié)論如下:

(1)通過數(shù)值模擬仿真得到的壓力系數(shù)數(shù)值與理論值誤差是1%，在允許范圍之內(nèi)，計算模型可靠，計算結(jié)果可信;

(2)輔助變流器不工作時，列車明線運行輔變進風(fēng)口和排風(fēng)口的壓差為:1號輔變進排風(fēng)口壓差1.84 Pa;2號輔變進排風(fēng)口壓差128.95 Pa;3號輔變進排風(fēng)口壓差184.45 Pa.由3個輔助變流器的不工作時進排風(fēng)口的壓差可得:1，2，3號輔助變流器通風(fēng)方向按由上至下設(shè)計較為合理;

(3)輔助變流器正常工作(通風(fēng)方向從上至下)時，列車明線運行輔變進風(fēng)口和排風(fēng)口的壓差為:1號輔變進排風(fēng)口壓差－81.43 Pa;2號輔變進排風(fēng)口壓差78.87 Pa;3號輔變進排風(fēng)口壓差89.55 Pa.由3個輔助變流器的進排風(fēng)口的壓差可得:1號輔助變流器現(xiàn)有通風(fēng)方向設(shè)計不合理，建議通風(fēng)方向為由下至上或者改變輔助變流器排風(fēng)口位置;2，3號輔助變流器按現(xiàn)有通風(fēng)方向保持不變.

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