跨座式單軌列車會車氣動特性分析

沈宏麗

摘 ?要：以跨座式單軌列車為模型，運用CFD軟件STAR-CCM+的重疊網(wǎng)格技術(shù)，對跨座式單軌列車交會進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)值模擬技術(shù)分析，獲得單軌列車同速相向會車的氣動特性，為跨座式單軌列車氣動性能研究提供有利借鑒。

關(guān)鍵詞：跨座式單軌車列車;會車;STAR-CCM+ ;重疊網(wǎng)格;氣動特性

引言：目前有關(guān)列車空氣動力學(xué)方面的研究主要是針對高速列車之間，對于跨座式單軌列車會車的方面研究甚少。對跨座式單軌列車會車進(jìn)行氣動特性分析，分析模型表面的壓力場有很大的意義。

一、模型建立與網(wǎng)格劃分

使用CATIA三維建模軟件建立單軌車會車模型，考慮到研究的需要和計算機(jī)的實際計算要求，兩個相向車輛都采用頭車和中間車兩個車廂，模擬采用實車模型與建立模型的比例為1：0.5。應(yīng)用STAR—CCM+軟件的overset mesh技術(shù)，進(jìn)行瞬態(tài)的空氣動力學(xué)數(shù)值模擬。計算模型的網(wǎng)格尺度如下表所示。

? ? ? 表1 ?瞬態(tài)模擬網(wǎng)格尺度

單軌列車會車起至位置如圖1。整個會車距離為三倍的車身長度。

（a）單軌列車會車起始位置 ? ?（b）單軌列車會車終止位置

（c）單軌列車并行橫向間距

圖1 ?單軌列車會車布局圖

二、邊界條件及參數(shù)的設(shè)定

重慶跨座式單軌列車實際運行中最高車速為65km/h。本次會車計算的最高車速設(shè)為80km/h。

具體邊界條件如表2所示

表2 ?瞬態(tài)模擬邊界條件的設(shè)置

本次模擬計算為瞬態(tài)模擬，瞬態(tài)模擬的時間步長為取決于庫朗數(shù)：

其中為最小網(wǎng)格尺寸，v為列車相對于流體的速度，C是庫朗數(shù)。本次計算的網(wǎng)格最小尺度為120mm，取時間步長0.0025s。

三、仿真結(jié)果及分析

（一）氣動力系數(shù)變化分析。對壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的單軌列車等速會車計算結(jié)果整理分析，得到單軌列車隨兩車縱向距離變化的氣動阻力系數(shù)Cd值變化特性曲線。

圖2 ?單軌列車氣動阻力系數(shù)Cd值變化

從圖2單軌列車氣動阻力系數(shù)Cd值變化可以看出，單軌列車在會車的過程中氣動阻力系數(shù)變化呈現(xiàn)出類似正弦式的變化。在會車過程中，氣動阻力系數(shù)隨著兩車縱向距離的變化而發(fā)生變化，單軌列車阻力系數(shù)分別在時間步為160附近和時間步為360附近出現(xiàn)峰值。

（二）壓力場特性分析。正壓區(qū)域主要集中在運動單軌車的頭部區(qū)域，負(fù)壓區(qū)域集中在運動單軌車的尾部區(qū)域、靠近頭部的肩部附近以及列車交會的干擾側(cè)面。在會車運動過程中，隨著運動列車逐漸靠近，單軌列車頭部正壓區(qū)域的面積漸漸變大，時間步為160之后，頭部區(qū)域正壓面積不斷減小，加上單軌列車尾部高速尾渦受到側(cè)面列車的影響而降低，尾部區(qū)域負(fù)壓減小。

四、結(jié)語

在整個會車過程中，單軌列車氣動阻力系數(shù)呈現(xiàn)類似正弦式的變化趨勢，氣動阻力系數(shù)、壓力場都隨著兩車縱向距離的變化而發(fā)生變化。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王福軍.計算流體動力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用[M].清華大 ? 學(xué)出版社，2004.

[2] 劉博. 跨座式單軌車輛氣動性能分析[D]：碩士學(xué)位論文.重慶：重慶交通大學(xué)，2010.