横风环境列车外流场数值模拟及INTESIM软件的初步应用.pdf

第32 卷第3期2023年9月计算机辅助工程Computer Aided EngineeringVol.32 No.3Sept.2023文章编号：10 0 6-0 8 7 1(2 0 2 3)0 3-0 0 0 9-0 6D0I:10.13340/j.cae.2023.03.002横风环境列车外流场数值模拟及INTESIM软件的初步应用刘新桥，马天放，王东屏2 ，赵洁2 h（1.英特工程仿真技术（大连）有限公司，辽宁大连116 0 2 3；2.大连交通大学a.机械工程学院;b.机车车辆工程学院，辽宁大连116 0 2 8)摘要：为助力CAE软件国产自主化，聚焦轨道交通行业中列车明线运行遇到的横风问题，以三辆编组高速列车为研究对象，选用三维定常不可压缩雷诺时均N-S方程和标准k-8端流模型进行数值模拟，采用INTESIM软件对不同横风工况进行数值模拟，并与相同参数设置条件下的FLUENT软件模拟结果进行对比。结果表明：INTESIM软件计算的车体表面压力分布和列车周围速度分布与FLUENT软件计算结果相吻合，列车表面压力监控点误差不超过10%，验证INTESIM软件对列车明线运行外流场特性问题计算较准确。关键词：横风；列车；表面压力；数值分析；对标验证中图分类号：U270.11;TB115.2Outflow field analysis under train crosswind effect andpreliminary application of INTESIM softwareLIU Xinqiao,MA Tianfang,WANG Dongping*,ZHAO Jiebh(1.INTESIM(Dalian)Co.,Ltd.,Dalian 116023,Liaoning,China;2.a.College of Mechanical Engineering,b.College ofRolling Stock Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,Liaoning,China)Abstract:To help the localization of CAE software,focusing on the crosswind issue encountered in theopen line operation of trains in the rail transit industry,a three-car high-speed trains is simulated usingthree-dimensional steady incompressible Reynolds time averaged N-S equation and standard k-sturbulence model.Numerical simulation results of different crosswind conditions using INTESIM softwareis compared with the results of FLUENT software simulation under the same parameter settings.Theresults show that the pressure distribution on the car body surface and the speed distribution around thetrain by INTESIM software are consistent with the calculation results of FLUENT software,and the errorof the pressure monitoring points on the train surface is not more than 10%,which verifies that INTESIMsoftware is accurate in the outlow field characteristics computation of the open line operation of trains.Key words:crosswind;train;surface pressure;numerical analysis;benchmarking verification文献标志码：B收稿日期：2 0 2 3-0 1-19修回日期：2 0 2 3-0 4-0 9基金项目：辽宁省科学技术计划重大专项基金(2 0 2 0 JHI,10100015)作者简介：刘新桥（198 1一），男，河北沧州人，博士，研究方向为计算流体动力学，（E-mail)通信作者：马天放（1998 一），男，吉林长春人，硕士研究生，研究方向为计算流体动力学，（E-mail)cae ;smucae http:/100 引 言在科技变革的大环境下，科技创新体系要不断完善，创新驱动发展战略要加快实施。中国是制造业大国，产业门类齐全，然而核心工业软件却始终是中国产业发展的软肋 ，国外工业化软件平台已经占据超过90%的市场2 ,我国在仿真领域始终受制于人，因此迫切需要发展自主、可控、安全的软件和平台。近些年,随着计算机性能的飞速发展,计算流体力学已成为研究流体的重要方法和手段3。李振4 采用CFX软件对横风环境下不同外形的列车进行数值模拟，结果认为列车气动性能主要取决于头车的气动性能；张亮等5 和刘学庆6 采用STAR_CCM+软件对不同类型横风环境下的列车运行进行数值模拟,分析涡旋在列车表面的演变过程和尾流区的涡流特点,并研究相应工况的时域特性和频域特性。杨超等7 采用FLUENT软件研究不同形式路基和多角度横风环境下列车运行外部流场的气动规律。这些研究过程多是采用国外商业软件进行模拟分析，一旦软件使用受限，数据损失将不可挽回。因此,本文结合列车明线运行横风问题，应用国产自主研发的INTESIM流体力学模块进行数值模拟，并与FLUENT模拟结果进行对比，评估INTESIM软件的计算精度，为国产软件功能的完善和进一步研发提供助力。1计算设置1.1物理模型高速列车结构复杂且细长，直接对全车进行数值模拟计算量过大,对计算机的性能要求较高,因此选用三辆编组的某列车模型。该列车模型具体构成为头车（2 5.6 m）+中车（2 5.0 m）+尾车（2 5.6 m），整车编组为7 6.2 m,车体高度为3.9 2 m，车体宽度为3.2 m，忽略车门、车窗、车门把手以及受电弓等细小连接件，保留简化的列车转向架和空调导流罩，列车模型见图1。图1列车模型1.2计算区域在不影响车辆周围气流流动的前提下，选取合http:/计算机辅助工程适的外流场区域，将列车放置在长方体外流场的某个位置。为更好地模拟风洞和道路试验工况、消除边界效应的影响、使阻塞率在5%以下,计算区域设置见图2 和3。长方体区域长38 0 m、宽2 0 0 m、高60m,列车头车鼻尖处距离人口10 0 m，车底距地面0.376 m。图2 计算域横向截面示意，m100380图3计算域纵向截面示意，m1.3边界条件与网格划分（1）入口边界：计算域入口截面和迎风侧截面为速度入口；(2)出口边界：计算域出口和背风面为压力出口；（3）车体：采用静止无滑移壁面；（4)地面：采用静止无滑移壁面；(5）顶面：采用对称边界条件。为保证真实模拟列车运行中周围空气的流动，列车非结构网格总数约为410 个，计算空间域网格模型见图4。图4计算空间域网格模型1.4数值计算方法验证列车行驶速度取30 0 km/h,采用相对运动的方式模拟列车运动，即列车不动、地面相对于列车运动,马赫数不超过0.3；对流项离散方式为二阶迎风格式,选用三维定常不可压缩雷诺时均N-S方程和标准k-8两方程流模型。将本文模型与高速列车三辆编组1/8 模型的风洞试验数据进行对比验证，设列车运行速度为6 0 m/s，运行环境为无风环境，在列车车体设置2 7 个监测压力点，风洞试验8 得到的数据与FLUENT数值模拟数据对比见图5。cae ;smucae 2023年120200第3期1.00.80.60.40.20-0.20图5监控点压力系数对比监测点压力系数总体上与风洞试验计算结果吻合较好，整体误差不超过10%，仅个别监测点压力系数与风洞试验值误差较为明显。造成误差的主要原因可能是列车模型的简化程度不同，另外数值计算中选取的监测点与风洞试验中设置的监测点位置刘新桥，等：横风环境列车外流场数值模拟及INTESIM软件的初步应用存在误差,也是结果存在误差的原因。风洞试验值1.5计算工况一FLUENT计算值选取高速列车运行速度为30 0 km/h，结合六级至十级风速这5种横风速度的上限，即取风速为13.8、17.1、2 0.7、2 4.4和2 8.4m/s，分别利用FLUENT和INTESIM进行数值模拟。2计算结果分析1J510监测点编号11152025302.1压力分布横风为2 8.4m/s时列车表面压力分布见图6。列车压力峰值出现在头车鼻尖附近，即头车正对迎风方向的位置；列车头车的迎风侧压力为正值且比背风侧大，在列车尾车迎风侧出现明显负压；空气导流罩、受电弓导流罩和转向架的形状不规则,因此列车顶部和底部表面附近压力梯度变化较大。-1.30E+04-8.82E+03-4.65E+03-4.69E+03-5.10E+03(a)迎风侧和背风侧口口-1.30E+04-8.82E+03-4.65E+03-4.69E+03-5.10E+03(b)列车顶部-1.30E+04-8.82E+03-4.65E+03-4.69E+03-5.10E+03(c)列车底部图6 横风为2 8.4m/s时列车表面压力云图，Pa为进一步分析横风对头车表面压力的影响，选取横风速度为13.8、2 0.7 和2 8.4m/s等3种工况，计算列车明线运行头车迎风侧与背风侧压力云图，见图7。不同横风工况下列车表面压力分布趋势基本一致，压力极值点在头车迎风侧鼻尖及转向架处。当横风速度增大时，头车正压力峰值增大，3种横风速度工况下的压力峰值依次为42 9 1.44、447 0.2 5和47 0 7.8 6 Pa。列车车体表面压力直接受横风气流大小的影响，横风速度增加,车体受到的冲击力增加。头车背风侧的负压峰值随横风速度的增加而减小,3种横风速度下的负压峰值依次为18 7 7.31、-2526.49和-3340.7 1Pa,头车迎风侧和背风侧压力叠加，使得车体两侧压差较大。cae ;smucae 2.2速度分布速度矢量图反映气流速度的大小与方向。横风速度的变化对气流流动会产生影响，以受影响最大的头车为例,其在横风速度为2 8.4和13.8 m/s时的横向剖面速度矢量分布见图8。在图8 中,左侧为迎风侧，当气流经过列车肩部区域时速度明显变大,在转向架区域速度较低，并且出现涡旋，气流流动较为复杂。其原因是转向架处外表面较为突出，对气流经过造成阻碍，气流方向发生改变，进而影响车体受力。在不同横风速度下，速度矢量场的分布趋势相似,在车肩部发生速度突变。随着横风速度的增加,列车周围流场的速度也逐渐增加,横风速度为13.8 和2 8.4m/s时,列车周围速度峰值分别为128.9 和 16 5.0 m/s。http:/12计算机辅助工程2023年-7.3E+03-4.3E+03(a)横风风速13.8 m/s-1.2E+031.8E+034.3E+03-7.3E+03-4.3E+03(b)横风风速2 0.7 m/s-1.2E+031.8E+034.3E+03-7.3E+03图7不同横风风速下头车迎风侧和背风侧压力云图,Pa165.0132.099.066.033.00.1m/s(a)横风风速2 8.4 m/s128.9103.177.451.625.90.1m/s(b)横风风速13.8 m/s图8 不同横风速度时头车横向剖面速度矢量分布3国产软件INTESIM的应用INTESIM是一款集物理建模、网格划分、结构化分析与非结构化分析、后处理等功能为一体国产CAE软件，该软件已在航天、船舶、汽车等领域得到初步应用。基于有限元和有限体积算法,INTESIM软件可实现从不可压缩到亚声速、跨声速、超声速的全速流体力学仿真计算。本文首次将INTESIM应用于轨道交通行业的列车明线问题研究中，采用与FLUENT同样的外部导入网格、相同边界条件和二阶迎风格式进行数值模拟，对列车表面和周围流场进行对比分析。http:/-4.3E+03(c)横风风速2 8.4 m/s3.1车体表面压力分布对比在列车运行速度30 0 km/h、横风为2 8.4m/s工况下,列车表面压力分布见图9。在列车迎风侧和背风侧分别选取4个压力监测点，其模拟计算结果误差见表1。在INTESIM数值模拟过程中，最大压力峰值出现在列车鼻尖附近处，同时列车头车的迎风侧压力较背风侧大,且呈现为正值,列车尾车则是在迎风侧出现较明显的负压,这与FLUENT软件中的模拟结果吻合。在表1中,除背风侧尾车监控点外，其余列车各监测点相对误差均不超过10%，说明INTESIM软件对列车压力的数值模拟较精确性。表1监测点压力相对误差FLUENTINTESIM相对误差/%结果/Pa结果/Pa头车鼻尖5 081.9迎头车中部544.3风中车中部侧尾车中部352.1头车鼻尖-3702.6-3 876.1背头车中部-301.9风中车中部-296.2侧尾车中部252.4280.73.2车体周围速度场分布对比在车速30 0 km/h、风速13.8 m/s工况下,采用INTESIM和FLUENT数值模拟得到的列车周围流场cae ;smucae -1.2E+031.8E+034.3E+03521.14955.8591.7551.5380.8320.4-325.8-2.488.715.798.154.686.129.9911.21第3期刘新桥，等：横风环境列车外流场数值模拟及INTESIM软件的初步应用352.1 Pa13521.1 Pa544.3 Pa5081.9Pa-1.30E+04-8.82E+03-4.65E+03-4.69E+025.10E+03(al)迎风侧-3702.6 Pa-301.9 Pa-296.2 Pa-252.4 Pa-1.30E+048.82E+03380.8Pa-4.65E+03-4.69E+02(a2)背风侧(a)FLUENT结果551.5Pa5.10E+03591.7 Pa4955.8 Pa-1.28E+04-5.71E+03-3 876.1 Pa-320.4 Pa1.40E+03(b,)迎风侧325.8 Pa-280.7 Pa-1.28E+04-5.71E+03(b)INTESIM 结果图9列车表面压力分布某纵剖面的流场速度分布见图10。300km/h时，横风速度为13.8、2 0.7 和2 8.4m/s等3种情况下,取离地面1m的水平截面速度场云图，见图11。0255176,101,126m/s(a)INTESIM 结果0,25,51,76101,126m/s(b)FLUENT 结果图10 列车纵向截面速度云图2种软件计算得到的列车车身周围的速度分布趋势相近。在图10(b)中,列车车肩、空调导流罩和受电弓导流罩周围的速度影响范围较大；在图10(a)中,列车顶端周围速度在流场中的扩散性较差，流域底面空气分布的连续性较差。产生这种差异的主要原因可能是软件FLUENT可以根据壁面第一层网格的高度调用该区域对应的Wall function模拟近壁面流体流动的状态，通过修正近壁面的运动确保流场中的实际速度，而INTESIM在流体近壁面函数处理方面功能不够全面，暂时无法通过修正流场中的近壁面流体流动状态，建议改进。为进一步观察列车周围速度场分布，当车速为cae ;smucae 1.40E+03(b2)背风侧S/LS/u在INTESIM模拟结果中,列车头车鼻尖处迎风侧速度小于背风侧速度，尾车鼻尖迎风侧速度大于背风侧速度，随着列车周围横风速度的增大,列车尾部气流速度逐渐开始偏向背风侧，在列车底部转向架区域气流速度明显较低：这些都与FLUENT结果HDH(a)FLUENT 结果HH20.7m/sHI28.4 m/s(b)INTESIM 结果图11离地面1m的水平截面速度场云图http:/13.8m/s20.7m/s28.4m/s13.8 m/s14中的速度分布一致,验证INTESIM在这方面的计算较准确。3.3软件应用评估INTESIM软件安装方便，界面中文显示，软件逻辑清晰、物理模型丰富，对所模拟分析的物理量计算准确，但是在后处理方面仍有欠缺、计算效率还有待提高,有时无法满足某些工程案例的物理量输出需求。例如在本文案例中：INTESIM软件无法显示截面上的速度矢量分布；在相同核数并行计算前提下，400万网格的模型从开始计算到收敛，INTESIM计算用时要比FLUENT多约1h。4 结 论（1)在横风环境下,列车表面最大压力与横风参考文献：1】程书灿，赵彦普，张军飞，等。电力设备多物理场仿真技术及软件发展现状J电力系统自动化，2 0 2 2，46（10)：12 1-137.DOI：10.7500/AEPS20220506002.2邵珠峰，赵云，王晨，等新时期我国工业软件产业发展路径研究J中国工程科学，2 0 2 2，2 4（2）：8 6-95.DOI：10.1530 2/J-SSCA E-2022.02.010.3 田红旗。中国高速轨道交通空气动力学研究进展及发展思考J中国工程科学，2 0 15，17（4）：30 41.D0I：10.396 9/j.i s s n.10 0 9-1742.2015.04.004.4李振横风中复线路堤上高速列车气动性能和运行安全性研究D成都：西南交通大学，2 0 11.5 张亮，张继业，李田，等.横风下高速列车的非定常气动特性及安全性J机械工程学报，2 0 16，52（6）：12 4-135.D0I：10.39 0 1/JME.2016.06.124.6 刘学庆，侧风下高速列车车外非定常流动特性大涡模拟研究D.兰州：兰州交通大学，2 0 2 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atmosphereEB/0L.(1976-10-01)2023-01-27.https:/ntrs.nasa.gov/citations/19770009539.计算机辅助工程大小呈正相关,头车迎风侧基本为正压,背风侧为负压,尾车则相反,迎风侧和背风侧的压力叠加,列车会受到较大的侧压差。(2)INTESIM与FLUENT计算的车体表面压力分布相吻合，车体表面压力误差不超过10%，车体周围外部流场分布趋势吻合，说明INTESIM软件对列车明线运行气动问题计算较准确。本文只是应用INTESIM软件对高速列车横风下明线运行工况进行分析，虽然存在一定不足，但是为今后INTESIM软件进一步在列车交会、列车隧道运行等轨道交通行业典型的力学问题的应用方面提供参考。2023年(编辑陈锋杰)http:/cae ;smucae