文档介绍：2005 Fluent 中国用户大会论文集

CFD 数值仿真在高速列车中的应用及验证

王东屏兆文忠
(大连交通大学机械工程学院大连,辽宁 116028)

摘要:简要介绍了应用流体仿真软件对高速列车的工程应用。高速列车的设计给 CFD 提出了许多需要解决的新问题。用
CFD 仿真可以详细了解高速列车的空气动力特性,从而设计出阻力小、噪音低等各方面性能完善的高质量列车。其中,采用
Airpak 软件对列车空调通风系统进行数值仿真;采用 FLUENT 软件对列车水箱中水的晃动问题、列车外流场、二维流线型列
车头部模型的远场气动噪声进行了数值仿真。并对空调通风系统的仿真结果与实验研究进行了对比,计算和试验符合较好,
水箱晃动计算的压力波提供的水箱壁屈曲分析与实际情况基本吻合,为 Fluent 的工程应用提供了众多有意义的范例,证实
了 FLUENT 软件在解决工程技术问题上有极高应用价值,也说明 CFD 应用于指导设计和优化分析工程问题的巨大潜力。
关键词:数值仿真;工程应用;实验验证

引言
近年来,随着计算机计算能力的不断提高,以及计算流体力学(CFD)本身理论和方法的不断改进,计
算精度的逐步提高,CFD 已经被越来越多地应用到各个工程领域中。通过计算机模拟获得某种流体在特定
条件下的有关信息,是工程设计人员用于分析问题和解决问题强有力的工具。
铁路运输是现代化交通系统中的骨干,它具有比航空运输经济、比公路运输安全、比水路运输快捷方
便,以及受气候等外界影响小、对环境污染轻等其它运输方式无法比拟的优势,因而近几十年来得到迅猛
发展。提高运行速度,缩短旅行时间,是当今世界铁路发展的总趋势。因此,高速列车的设计研究是发展
铁路事业的唯一出路。
高速列车的设计给我们提出了许多需要解决的新问题。如何确定列车两侧人的安全避让距离?如何确
定列车尾流人的安全避让距离?如何1确定列车的远场空气噪声?提速列车在启动和刹车过程中,列车水箱
中水的晃动对水箱产生的冲击力,也是设计者需要掌握的信息。由于空气阻力与运行速度的平方成正比,
当列车以时速 300 公里运行时,其空气阻力约占列车全部阻力的 80% ,所以高速列车头形必须进行流线化
设计,并考虑车体表面平滑化等各种减阻措施。以前,在设计低速车时,上述工作只能依靠物理模型实验
得到,或靠经验估算设计。但是,要设计出具有流线型华丽外表的性能优良的提速列车,就必须详细了解
列车的空气动力性能。
我们国家在计算流体力学的理论计算方法上,处于国际前列,但在 CFD 的工程应用方面,与国外相比还
存在较大差距。由于我国高速列车在设计中并没有很好解决上述问题,所以在列车实际运行中,出现了以下
问题:
①.高速列车开通后,在列车交会时,曾出现前、侧窗玻璃震坏以及其它一些空气动力学问题。
②.由于设计者主要靠经验估算设计,所以列车气动阻力大,功率损耗大。
③.由于无法获知列车在启动、刹车过程中,水箱中的水对箱体的冲击力,只凭经验设计,所以,曾
发生过水箱失稳、起皱现象。

课题来源:“十五”国家行业 863 项目《铁路机车车辆虚拟样机系统》,课题编号:2001AA411110
王东屏(1962—),女,出生于西安,