动车组车体断面气动外形优化研究.pdf

第 43 卷第 4 期2023 年 8 月铁 道 机 车 车 辆RAILWAY LOCOMOTIVE&CARVol.43 No.42023Aug.动车组车体断面气动外形优化研究何德华1，3，张岩1，白夜1，2，3，陈厚嫦1，3（1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京 100081；2 北京纵横机电科技有限公司，北京 100094；3 中国铁道科学研究院集团有限公司 高速铁路与城轨交通系统技术国家工程研究中心，北京 100081）摘 要 动车组横截面外形与其横风空气动力学性能息息相关，是影响动车组横风效应的关键因素。为了实现动车组横截面的气动外形优化，文中采用一套高效的气动外形优化策略对某型动车组横截面进行优化研究。首先，通过求解 N-S 方程得到强横风条件下列车周围的流场信息，利用遗传算法寻求全局最优解，利用任意几何变形技术直接改变截面形状和网格，节省重构网格的时间。将三者结合起来，显著地提升了优化效率，极大地节省了优化的时间。其次，优化结束后再对设计空间中的设计点进行统计分析，得到设计变量与优化目标的相关性，得到影响优化效果的关键设计变量，并对其使用 Kriging 代理模型进行响应面分析，得到关键设计变量与优化目标之间的非线性关系。研究结果可以为动车组在横风条件下的气动外形设计提供一定的技术指导。关键词 动车组；空气动力学；车体横断面；优化；减阻中图分类号：U266 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2023.04.02动车组长径比远大于其他交通工具，在高速运行的情况下，其空气动力学特性变得更为复杂，空 气 动 力 学 相 关 问 题 是 动 车 组 研 发 的 关 键1-4。动车组外形设计不合理，列车空气动力学性能将会大幅降低，这其中就包括动车组的运行阻力、尾车升力、倾覆力矩以及气动噪声等，涉及的学科包括空气动力学、气动声学等，动车组外形设计是一个典型的多学科问题。优化列车的外形，很大程度上是为了改善上述一系列空气动力学性能。与列车空气动力性能有关的列车外形主要包括流线型头形、车体截面形状、部件外形设计、列车编组数等。未来高速铁路将进一步向中西部倾斜，这使得动车组的横风效应在未来列车外形设计时变得更为重要。动车组车体截面是影响动车组横风效应的一个关键因素，针对列车车体断面进行优化设计是动车组研发时的一个普遍问题，更是动车组外形设计的基础，只有在最优车体断面确立后，相关的流线型车头设计、附属部件减阻设计才能进行。面向列车断面气动优化研究，国际上，Krajnovic5针对 Chui&Squire 开发的实验模型6，建立该模型的车体截面方程和流线型截面方程，以车身方程的曲率和流线型长度作为基本设计变量，以整车阻力系数、倾覆力矩和偏航力矩作为优化目标，通过多项式响应面进行了空气动力学优化。虽然通过响应面可以获得曲率等与倾覆力矩的关系，但是由于模型外形较为简单，截面形状与当前线路运行列车截面差异过大，研究结论对于列车设计没有直接的指导作用。KU Y C 等7-8针对动车组的流线型鼻锥的横截面分布进行了优化。在轴对称网格上采用无黏可压缩求解器求解，利用基于BFGS 的响应面，以降低列车通过隧道时的微气压波。这种优化依然仅面向流线型不同位置的横截面，并没有考察车体横截面对列车气动力的影响。文章编号：1008-7842（2023）04-0009-08引用格式：何德华,张 岩,白 夜,等.动车组车体断面气动外形优化研究J.铁道机车车辆,2023,43(4):9-16.基金项目：中国铁道科学研究院集团有限公司科技研究开发项目（2020YJ076）第一作者：何德华（1985-）男，副研究员（修回日期：2021-12-06）通信作者：陈厚嫦（1969-）女，研究员铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 国内，YAO S B 等9基于遗传算法和单纯型法构造了混合优化算法，结合 Hicks-Henne 型函数参数化方法和 Kriging 响应面模型，针对动车组的流线型断面进行了基于降低阻力的气动优化，获得了在设计空间内的最优截面变化率。然而后两者工作均建立在列车车体断面外形不变的条件下进行的，考察的对象是流线型断面。李红霞等10将车体断面进行参数化设计，确立了包括过渡圆角半径、内倾角、车辆高度、车体宽度等设计变量。在控制内倾角不变的条件下，通过组合其他不同的设计参数，获得了 6 个典型的断面外形。通过分析不同断面的侧向力系数、倾覆力矩系数，获得了不同参数对横风稳定性的影响规律。在车辆高度和车体宽度一定的情况下，适当地增大圆角的大小，可以达到改善列车横向稳定性和提高列车阻力鲁棒性的要求；车体宽度对列车的倾覆力矩系数影响不明显，但可以影响到侧向力系数；车辆高度对列车的侧向力系数和倾覆力矩系数影响都较大。但是他们优化的方法属于优选法，且仅针对二维断面进行分析，并没有将断面应用于列车车体，获得的结论具有较大的局限性。文中采用一套高效的气动外形优化策略对某型动车组横截面进行优化研究，对原始截面外形和最优外形进行气动分析。1 整体优化策略 优化设计模型包括设计变量、目标函数、约束条件等。设计优化的过程中，可以改变、调整的独立参数成为设计变量，这些设计变量也是模型的输入参数。这些设计变量的坐标轴构成的多维空间称为设计空间。其中一组设计变量的值在设计空间中对应一个点，称为一个设计方案，最优的设计方案称为最优点。1.1实验设计实验设计是指在设计空间中合理的配置初始点，尽可能地获取全面的设计空间的信息，使实验从初始点开始后能得到设计空间中的最优解且没有遗漏。合理的实验设计能使优化设计减少计算次数，提高优化效率。随机序列法、Sobol 序列法、蒙特卡洛法等都是常用的实验设计方法。文中所使用的 Sobol 序列法是一种伪随机算法，能够在设计空间中生成均匀分布的初始设计点11。1.2多目标遗传算法采用多目标遗传算法（Multi-Objective Genetic Algorithm，MOGA）12-13进行优化分析，具体流程如下：（1）随 机 产 生 初 始 群 体，并 计 算 各 个 点 的 函数值。（2）根据目标函数值对群体分级。（3）根据分级结果和约束计算约束罚项、劣解罚项及总罚项。（4）根据总罚项计算适应度。（5）根据适应度进行选择、交叉、变异操作，生成新群体。进行优劣选择，检查收敛性，若不收敛，再进行迭代，直至得到最优解。1.3任意几何变形技术任意几何变形技术14将待变形的物体和网格参数化，并建立控制体，通过移动控制体来完成物体 和 网 格 的 变 形。在 需 要 变 形 的 区 域 建 立 控 制体，一个控制体包括一系列控制点和点间的连线，将控制体与待变形物体和网格冻结后，通过移动控制点来改变相关区域的形状。移动时，网格能够光滑地变形，保证了网格的质量不会因为形状的变化而降低。此外，对于涉及到边界层的问题，令控制体覆盖边界层的网格，使边界层的网格同步移动，保证了边界层网格的相对不变。ASD 技术简化了复杂几何外形的优化，省去了几何重构的过程，提高了优化效率。1.4整体优化流程优化流程分为逻辑流和文件流15，逻辑流包括实验设计、优化算法、网格变形、流场计算、逻辑结束等部分。文件流包括设计变量、网格变形、流场计算、目标函数、收敛性判断、优化结束等部分。整体流程设计如图 1 所示。2 计算模型、网格与边界条件 采用某型动车组的横截面来研究列车在强横风条件下的稳定性问题，列车横截面形状如图 2 所示，横截面面积约为 12.49 m2，高度约为 3.66 m，底面长度约为 2.6 m，最大宽度约为 3.3 m。10第 4 期动车组车体断面气动外形优化研究整 体 计 算 域 采 用 结 构 网 格，总 网 格 量 约 为15.9 万。在车体截面附近进行局部网格加密，首层网格厚度约为 0.2 mm，网格沿壁面法向增长比为 1.1。计算时横风速度为 25 m/s，地面和车厢为固壁条件，计算域入口为速度入口条件，计算域出口为压力出口条件，计算域上部为运动壁面。环境压强为 1 个标准大气压。3 设计变量与优化目标 为了对列车截面及网格进行自由变形，要在截面周围建立控制体，控制体覆盖了整个列车截面和截面周围的流场区域，并且控制体与列车截面形状基本贴合，使得变形时能精确地反映列车的形状变化，建立的控制体如图 3 所示。基于上述控制体，共设置了 5 个优化设计变量，这 5 个优化设计变量具体的控制点以及在其控制下的变形如图 4 所示，这 5 个设计变量分别命名为 bot_x、radius_down_x、width_x、height_y、radius_up。具体信息如下：变量 bot_x 控制底面宽度，共包括 8 个控制点，变形前后外形比较如图 4（a）所示；变量 radius_down_x 控制下圆弧上端宽度，共包括 4 个控制点，变形前后外形比较如图 4（b）所示；变量 width_x 控制截面宽度，共包括 12 个控制点，变 形 前 后 外 形 比 较 如 图 4（c）所 示；变 量height_y 控制截面高度，共包括 6 个控制点，变形前后外形比较如图 4（d）所示；变量 radius_up 控制顶部圆弧宽度，共包括 8 个控制点，变形前后外形比较如图 4（e）所示。文中的优化目标为整体横截面的倾覆力矩。图 3列车截面的控制体图 1整体优化策略流程图 2某型动车组横截面形状11铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 4 结果讨论 4.1最优外形比较使用遗传算法优化过程中，设定 16 个初始点进行 20 代遗传，共有 320 个设计，耗时 19 h，得到的最 优 外 形 对 应 的 变 量 值 见 表 1，最 优 外 形 如 图 5所示。由于得到的倾覆力矩系数是周期性的，文中取倾覆力矩系数的平均值进行比较。对原始截面外形、最优外形分别计算平均值，得到倾覆力矩系数和倾覆力矩见表 2，最优外形的倾覆力矩比原始外形的减少了 23.79%。4.2气动特性比较对比原始截面外形，最优外形将底面加宽，截面高度降低，同时将截面宽度缩小并减小了顶部圆弧的值。列车截面外形改变后，流场的压力分布、速度分布也会发生相应的改变，如图 6图 9 所示，从图中可以看到，列车背风面涡的负压明显减小，速度分布也更加均匀。强横风条件下，压力的最大值出现在列车迎风面的中部，通过优化外形，可以使最大值减小，而列车的背风面会出现涡，同时伴随着涡的脱落，优化后的外形使涡处的负压变小。进 一 步 分 析 列 车 表 面 的 压 力 系 数 如 图 10 所示，该压力系数图的点是沿横轴方向排列的，左侧的点表示列车的迎风面，右侧的点表示列车的背风面。三角形的点为原始截面外形的压力系数，实心点为最优外形的压力系数。原始外形的迎风面的压力大于最优外形的压力，而最优外形的背风面的负压大于原始外形的负压，最优外形迎风面和背风面的压差较小，也是其倾覆力矩较小的原因。4.3设计变量灵敏度分析下面进一步给出了设计变量和优化目标的相关性如图 11 所示。可以看出变量底面宽度、顶部圆弧宽度与优化目标是负相关的，即当变量增大图 4变量对应的控制点及变形后的形状对比表 1最优外形对应优化变量值单位：m底面宽度0.2下圆弧上端宽度0.2截面宽度-0.1截面高度-0.08顶部圆弧宽度-0.182 5图 5最终优化外形表 2优化前后气动性能比对原始截面外形最优外形倾覆力矩系数6.453 6 1034.918 2 103倾覆力矩/（Nm）3.952 7 1033.012 3 103减少百分比/%023.7912第 4 期动车组车体断面气动外形优化研究图 6原始截面外形压力分布云图图 7最优外形压力分布云图图 8原始截面外形速度分布云图13铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 时，倾覆力矩减小，其他 3 个变量与优化目标均是正相关的。这 5 个设计变量中，底面宽度和截面高度对优化目标的影响程度很大，为了进一步探究其关系，对 他 们 使 用 Kriging 代 理 模 型 进 行 响 应 面 分 析。bot_x 和 height_y 的三维响应面如图 12 所示，设计变量与优化目标的关系曲线如图 13、图 14 所示。这 2 个变量与倾覆力矩并不是线性关系，不同的变量值对应的曲线也会不同。底面宽度过窄会使倾覆力矩变大，而截面高度越小，截面的倾覆力矩也相应的越小。其他 3 个变量虽然对优化目标的影响程度较小，但如果单纯地调整某一个或某几个变量并不能使倾覆力矩达到最小值，必须同时对 5个变量做调整才能得到最优解。5 结论 文中研究强横风条件下某型动车组横截面气动外形优化问题是一个有约束多变量单目标的优化问题，需要对多个变量同时分析，得到最优解。采用遗传算法对某型动车组的原始截面外形进行图 10原始截面外形和最优外形车厢表面压力系数分布图对比图 11设计变量与优化目标的相关性图 9最优外形速度分布云图图 12底面宽度与截面高度的三维响应面14第 4 期动车组车体断面气动外形优化研究了气动力优化。当设计变量参数 bot_x 为 0.175、radius_down_x 为-0.1、width_x 为-0.1、height_y 为-0.08、radius_up 为-0.025 时，得到了列车最优截面外形，此时的气动性能最优，倾覆力矩获得最大幅度的降低，相比于原始截面减少了 23.79%；通过分析设计变量和优化目标的相关性，确认 bot_x 和height_y 是影响倾覆力矩程度较大的变量，通过响应面分析，得到了三者的关系曲面，并得到了设计变量与优化目标之间的非线性关系曲线。参考文献1 RAGHUATHAN S，KIM H D，SETOGUCHI T.Aerodynamics of High-speed Railway TrainJ.Progress in Aerospace Sciences，2002，8（6）：469-514.2 JOSEPH A S.Aerodynamics of High-speed TrainsJ.Annual Reviews Fluid Mechanics，2001，33（1）：371-414.3 BAKER C.The Flow around High-speed TrainsJ.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2010，98（6-7）：277-298.4 田红旗.列车空气动力学M.北京：中国铁道出版社，2007.5 KRAJNOVIC S.Shape Optimization of High-speed Trains for Improved Aerodynamic Performance.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part FJ.Journal of Rail and Rapid Transit，2009（223）：439-452.6 CHIU T W，SQUIRE L C.An Experimental Study of the Flow over a Train in a Crosswind at Large Yaw Angles up to 90J.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1992（45）：47-74.7 KU Y C,RHO J H,YUN S H,et al.Optimal Cross-sectional Area Distribution of a High-speed Train Nose to Minimize the Tunnel Micro-pressure WaveJ.Structural&Multidisciplinary Optimization，2010（42）：965-976.8 KU Y C,KWAK M H,PARK H I,et al.Multi-objective Optimization of High-speed Train Nose Shape Using the Vehicle Modeling FunctionC.Orlando:48th AIAA Aerospace Sciences Meeting，2010.9 YAO S B,GUO D L,SUN Z X,et al.Multi-objective Optimization of the Streamlined Head of High-speed trains based on the Kriging ModelJ.Science China Technological Sciences，2012（55）：3494-3508.10 李红霞，杨 弘，李德才.高速列车车体断面优化数值分析J.铁道车辆，2007，45（2）：8-10.11 SOBOL I M,SHUKMAN B V.Random and Quasi-random Sequences:Numerical Estimates of Uniformity of DistributionJ.Math Computer Model，1993，18（8）：39-45.12 DEJONG K A.An Analysis of the Behavior of a class of Genetic Adaptive SystemsD.Michigan：University of Michigan，1975.13 DAVIS L.Handbook of Genetic AlgorithmsM.New York：Van Nostrand Reinhold，1991.14 KOBBELT L P,BAREUTHER T,SEIDEL H P.Multi-resolution Shape Deformations for Meshes with Dynamic Vertex ConnectivityJ.Computer Graph Forum，2000，19（3）：249-259.15 SUN Z X,SONG J J,AN Y R.Optimization of the Head Shape of the CRH3 High-speed TrainJ.Science China，2010，12：3356-3364.图 13底面宽度与倾覆力矩影响关系曲线图 14截面高度与倾覆力矩影响关系曲线15铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 Study on Aerodynamic Shape Optimization of EMU Body SectionHE Dehua1，3，ZHANG Yan1，BAI Ye1，2，3，CHEN Houchang1，3（1 Locomotive&Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences Corporation Limited,Beijing 100081，China；2 Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Co.,Ltd.,Beijing 100094,China；3 National Engineering Research Center of System Technology for High-speed Railway and Urban Rail Transit,China Academy of Railway Sciences Corporation Limited,Beijing 100081,China）Abstract：The cross-sectional shape of high-speed train is closely related to its cross wind aerodynamic performance,which is the key factor affecting the cross wind effect of high-speed train.In order to optimize the aerodynamic shape of the cross section of a high-speed train,a set of efficient aerodynamic shape optimization strategy is used to optimize the cross section of a high-speed train.The flow field information around the train under strong cross wind is obtained by solving the N-S equation.The global optimal solution is sought by genetic algorithm,and the section shape and mesh are directly changed by arbitrary geometric deformation technology to save the time of mesh reconstruction.This paper combines the three,significantly improves the optimization efficiency and greatly saves the optimization time.Secondly,after the optimization,the design points in the design space are statistically analyzed to obtain the correlation between the design variables and the optimization objectives,the key design variables affecting the optimization effect are obtained,and the Kriging agent model is used for response surface analysis to obtain the nonlinear relationship between the key design variables and the optimization objectives.The research results of this paper can provide some technical instructions for the aerodynamic shape design of high-speed train under cross wind conditions.Key words：EMU；aerodynamics；cross section of vehicle body；optimization；drag reduction16