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动车组空气动力学数值模拟及降阻研究

何正凯  
【摘要】: 随着列车速度的不断提高,空气阻力急剧增大。研究表明,列车运行时受到的空气阻力与车速的平方成正比,因此极大限度的降低列车的气动阻力,不仅可以节约大量的能源,还可以有效地减少气动噪声带来的污染,提高旅客的舒适度,并且为更进一步地提速做了保障。 对列车的降阻分析研究,需要对多模型、多工况进行分析。相比较于传统的风洞试验方法,数值模拟具有可预先研究、不受条件限制、信息丰富、成本低、周期短等特点。因此本文采用计算流体力学的方法,应用FLUENT软件,对列车进行空气动力学数值模拟,并进行降阻分析研究。 本文以高速动车组为模型,建立了适用于气动性能分析的有限元模型,模拟其明线运行状况,对其进行外流场分析,得到了外流场的速度分布、压强分布、气动阻力等流场特性,结合相关试验数据,验证了本文计算所采用的模型及计算方法准确可靠。 通过模拟列车在350km/h高速下的明线运行状况,对流场的气流状况以及车身表面的压力分布详细分析,结果表明:列车顶部的空调导流罩及受电弓导流罩等凸出物,造成了列车表面形成多处高压区;列车表面密闭性不好,车辆连接处、转向架区域存在多处间隙,导致气流灌入形成绕流。由于车速的提高,列车各导流部件均有待改进。因此,本文对列车关键导流部件进行优化处理,分别采用修改空调导流罩及受电弓导流罩以减少列车表面的高压区范围;添加外包风挡、侧向裙板,修改车头来增加列车表面的密闭性;移动转向架隔墙位置、添加底部挡板来优化车体表面的气流流动状况。共采用10种方案。经过计算分析表明,这些方案均有效地降低了高速列车各关键导流部件的气动阻力,但其中4种不利方案增大了整车阻力。组合剩余6种降低了整车阻力的优化方案得到最优化模型,最优化方案与原车相比,降阻率高达20.3%。 通过对各种方案的数值研究,为今后的车辆外形设计积累了一定经验。为开发具有自主知识产权的轨道车辆、提高我国的车辆设计水平提供了一定参考。


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