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稳态运行的列车气动外流场计算及外形优化

  时间: 2021-02-26      1437    

    列车稳态运行的空气动力学计算一般涉及风洞模拟、运行阻力、表面压力分布等。

    1. 风洞模拟计算

    计算采用三车(头车-中间车-尾车)缩小模型模拟风洞试验进行仿真计算,与相同模型的风洞试验结果对比,修正计算模型数学参数和计算结果系数,得到可靠的、经修正的仿真算法。

    2. 运行阻力及升力计算

    计算包括外形优化和阻力计算。设计初期采用先进的多目标遗传算法经过大量迭代最终得到高稳定性的车辆外形优化方案。确定设计方案后,建立包含细节的8编组列车计算模型,通过经修正的流体仿真,计算列车空气阻力系数,结合列车重量以及车内外空气交换量计算8编组及16编组列车速度-阻力性能曲线,以及速度-剩余加速度性能曲线。

    3. 压力分布计算

    计算对平直轨道运行、常规侧风运行、隧道内运行等工况,采用经修正的流体仿真算法,计算列车表面压力分布,指导空气进出口位置设计。

空气动力学性能相关研发

 

1.     低空气阻力的流线型车辆外形

随着车辆运行速度的提高,空气阻力成为运行阻力的主要影响因素。良好的车辆外形能够有效的降低运行阻力,进而降低运营成本,节约能耗,有重要的社会和经济效益。

  • 设计方案

优化的前鼻形状。细长的前鼻端,前端高速区域轮廓顺畅无中断,雨刮等外部结构布置与运行时空气流线相符

封闭的底架结构

除采用裙板底盖板封闭底架外,采用优化的转向架裙板覆盖大部分转向架

减少车顶突出物

低阻力受电弓集成,未升弓时,受电弓沉在车顶表面之内

高压设备集成于箱体,箱体表面与车顶表面平齐

空调单元集成箱体沉入车内,整流罩与车顶表面平齐

最小化的车辆间空隙

车辆间采用封闭的橡胶风挡,外形与车辆外形保持连贯

  • 设计方法

优化计算,建立车体外表面三维模型,利用CFD仿真,采用先进的遗传算法进行多目标优化计算,增大迭代次数,获得合理优化的车辆前部外形。

修正的仿真计算,建立缩小比例的三车模型(两辆动车,一辆拖车)进行风洞试验,并对相同模型进行CFD仿真计算,通过试验结果对仿真模型参数进行修正。使用修正后的参数对设计方案进行计算验证。得到运行时空气阻力设计值。

  • 设计验证

真实列车通过惰行试验测定阻力

 

2.     高侧风稳定性的车辆

良好的侧风稳定性将提高车辆安全运行的能力,保证车辆在大风天气正常运营,为旅客出行提供便利。

  • 设计方案

优化车辆横面形状及车前端形状减少侧风产生的载荷,合理分配重心,优化转向架动力学参数

  • 设计方法

根据欧洲规范EN14067,通过CFD仿真计算及准静态或多体动力学方法模拟,得到车辆在不同运行速度,不同横向加速度下的允许侧风风速曲线。优化设计,使曲线满足要求

  • 设计验证

通过缩小比例的风洞试验验证

 

3.     气密车辆设计

气密设计是保证乘客舒适度的重要环节,同时气密性提高产生的气密载荷也是高速动车组的重要载荷,对车辆结构安全有重要意义。

  • 设计方案

优化车辆截面形和前端几何,减少会车及隧道行驶的压力波;合理分配各个部件气密性要求,增加控制阀控制内外空气交换,优化控制阀控制条件。

  • 设计方法

使用一维和三维空气动力学模型CFD仿真计算得到列车在会车及隧道行驶等工况下的内外压力变化曲线,计算满足要求所需的等效泄漏面积,进而得到各部件的等效泄漏面积,并据此设计,同时计算出气密载荷用于强度设计。

  • 设计验证

进行静态气密性试验其线上动态气密性试验,进行气密强度试验。


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