环境温度对高速磁浮列车明线气动特性影响研究.pdf
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1、第 20 卷 第 7 期2023 年 7 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 7July 2023环境温度对高速磁浮列车明线气动特性影响研究程亚军1,3,黄莎2,杨明智1,李志伟2,张博栋2,赵健平2(1.中南大学 交通运输工程学院,湖南 长沙 410075;2.五邑大学 轨道交通学院,广东 江门 529020;3.中车长春轨道客车股份有限公司,吉林 长春 130062)摘要:未来磁浮交通要实现全国范围内大跨度、长距离运输,必须要适应和满足不同环境要素带来的动态影响。我国幅员辽阔,气候环境复杂
2、多变,为了探明环境温度变化对高速磁悬浮列车气动特性影响,采用基于SST k-湍流模型的数值计算方法,研究环境温度在5050 区间的列车明线单车运行气动特性。研究结果表明:随着环境温度的升高,列车气动压差阻力和黏性阻力均减小;由于温度升高带来的密度减小、黏性增大效应对压差阻力的影响程度大于对黏性阻力的影响;列车气动升力亦随着环境温度的升高而减小,头、尾车气动升力对环境温度改变更为敏感。从高寒50 增加到高温50,列车气动阻力和升力变化幅度达到27%和28%。列车运行速度的提高使得环境温度对列车气动阻力和升力的影响程度越大,运行速度从250 km/h增加到350 km/h时,50 下的列车气动阻力
3、和升力与常温环境下(20)相比的增长率分别增大6%和7%。列车编组长度的增加对于温度对列车气动升力的影响大于对阻力的影响,编组从3车增加到6车,50 下的列车气动阻力和升力与常温环境下相比的变化率约为3%和7%。列车高频、长期在高寒地区高速运行时能耗较大、升力增加,需要考虑更有效的减阻和升力控制措施,研究成果可为高速磁浮列车在不同环境下的气动评估和优化提供依据。关键词:高速磁浮;环境温度;气动阻力;气动升力中图分类号:U270.2 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号:1672-7029(2023)07-2407-12Effect of environmental t
4、emperature on aerodynamic performance of high-speed maglev trains running in open airCHENG Yajun1,3,HUANG Sha2,YANG Mingzhi1,LI Zhiwei2,ZHANG Bodong2,ZHAO Jianping2(1.School of Traffic and Transportation Engineering,Central South University,Changsha 410075,China;2.School of Rail Transportation,Wuyi
5、University,Jiangmen 529020,China;3.CRRC Changchun Railway Vehicles Co.,Ltd.,Changchun 130062,China)Abstract:For long-span and long-distance nationwide transportation in the future,maglev transportation system must adapt to and meet the dynamic impact of different environmental factors.China is a vas
6、t country with 收稿日期:2022-07-04基金项目:国家自然科学基金资助项目(52002290);广东省自然科学基金资助项目(2022A1515010011);五邑大学高层次人才科研启动项目(2017RC37,2017RC36)通信作者:黄莎(1985),女,新疆青河人,副教授,博士,从事列车空气动力学研究;Email:DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20221326铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月complex and changeable climate environment.In order to explore the in
7、fluence of ambient temperature change on the aerodynamic characteristics of maglev trains,numerical method was used to study on the aerodynamic performance of a single train running in open air under different environmental temperatures ranges from-50 to positive 50.Results of this paper are show.As
8、 the environmental temperature increases,both the pressure and viscous aerodynamic drag decreases.The influence of the decrease of air density and the increase of viscosity with temperature on the pressure drag is greater than the impact on the viscous drag.Besides,the aerodynamic lift of the train
9、also decreases with the increase of the ambient temperature,and the head and tail cars are more sensitive to the change of the ambient temperature.As the ambient temperature rises from-50 to 50,the variation range of aerodynamic drag and lift of the train reaches 27%and 28%.With the increase of trai
10、n speed,the influence of ambient temperature on the aerodynamic drag and lift of the train becomes greater.When the train speed increases from 250 km/h to 350 km/h,the growth rate of the aerodynamic drag and lift of the train under-50 increases by 6%and 7%compared to normal atmospheric temperature(2
11、0).Besides,with the increase of train marshalling length,the influence of temperature on the aerodynamic lift of the train is greater than that on the aerodynamic drag.When the train marshalling length increases from 3 carriages to 6 carriages,the change rate of the aerodynamic drag and lift of the
12、train under-50 increases by 3%and 7%compared to normal atmospheric temperature.To sum up,when the high-speed maglev train operates in high-frequency and cold regions at high-seed for a long time,the energy consumption and lift force rise.Additional effective drag reduction and lift control measures
13、should be considered.The research results provide a basis for the aerodynamic evaluation and optimization of high-speed maglev trains in different environments.Key words:high-speed maglev train;environmental temperature;aerodynamic drag;aerodynamic lift 随着科技的快速发展,列车运行速度不断提高,然而传统的轮轨接触式高速列车受黏着极限限制,提速潜
14、力逐渐受限。高速磁浮列车作为现代高科技产物,具有快速、安全、环保、爬坡能力强等优点,是未来轨道交通重点研究领域12。上海磁浮示范运营线是世界上第一条商业化运营的磁悬浮列车示范线,最高运营速度达430 km/h;2021年,由中国中车承担研制的我国时速600 km高速磁浮交通系统在青岛成功下线,标志着我国在高速磁浮技术领域实现重大突破,磁悬浮列车实现了运行速度的极大飞跃,填补了地面交通和航空运输之间的速度空白。然而,随着列车运行速度的不断提高,空气动力效应越发显著,环境动态影响加剧35。史佳伟等6研究发现,低温环境下的列车受电弓气动阻力明显增大,升力波动剧烈,对受流质量产生不利影响;周鹏等7探索
15、了初始环境温度对真空管道高速列车气动特性的影响,发现随着初始温度的增大,尾流扰动区发展减缓而车前扰动区发展过程加快,列车气动阻力减小;凌亮等8分析了川藏铁路沿线气压与温度变化对动车组隧道气动阻力的影响,研究表明:与平原地区的气象环境相比,川藏铁路沿线温度变化对列车隧道运行阻力的影响达10%;WANG等9采用动模型试验的方法研究了隧道洞口高温环境对列车隧道耦合气动效应影响,试验测得隧道表面瞬态压力幅值减小5%7%,车体表面瞬态压力幅值变化3%4%。我国幅员辽阔,气候环境复杂多变,如我国新疆吐鲁番地区平均最高温度达 46.2,夏季最高气温曾达到49.6,黑龙江漠河冬天的最低气温可达50,最大温差跨
16、度达100。未来磁浮交通要实现全国范围内大跨度、长距离运输,必须要适应和满足不同环境要素带来的动态影响。因此,本文采用数值模拟的方法,研究了环境温度从5050 变化对高速磁浮列车明线单车运行气动特性的影响,为高速磁浮列车气动评估和安全设计提供依据。1 数值计算模型1.1几何模型采用三车编组(头车+中车+尾车)高速磁浮列车2408第 7 期程亚军,等:环境温度对高速磁浮列车明线气动特性影响研究模型为研究对象,如图 1 所示,列车总长 L79.6 m,车宽W=3.7 m,车高H=4.06 m。磁浮列车轨道采用板梁结构,高度为1.25 m。数值计算几何模型如图1所示。1.2计算区域及边界条件如图2所
17、示,以磁浮列车车高H为特征长度,计算区域大小约为98H30H15H。列车置于计算区域宽度中心位置,头车鼻尖点距离计算区域进口20H,尾车距离计算区域出口约为58H,保证列车尾流充分发展,避免对计算区域边界产生影响,从而影响计算精度。设定计算区域前端面为速度入口边界条件,速度设置与列车运行速度大小相等,方向相反;出口位置设置为压力出口,给定静压为0;顶面与两侧面设置为对称面,地面设置为滑移壁面,滑移速度与速度入口一致,以消除地板附面层影响1011。1.3数值计算网格采用切割体网格技术对计算区域网格进行划分,该方法兼具结构化网格的高网格质量和非结构网格的复杂表面适应性,具有可操作性强、快捷等特征1
18、2。车体表面采用密网格,面网格以倍率向空间网格稀疏过渡,过渡区层数为12层;为了精确求解列车附面层流动,在列车表面建立10层棱柱层网格,层间拉升比为1.2,第1层网格厚度约为1 mm,后续为了满足湍流模型第1层网格厚度y+要求,将对计算模型进行适当缩比。对列车尾流区域网格进行加密处理,加密长度约为30H,以更准确模拟尾流区域流动特性1315。为了验证网格密度对数值计算结果的影响,本文建立了3种密度网格,分别为粗糙网格、中等网格和精细网格,并针对3种网格开展网格无关性分析。3种密度网格变量为车体表面网格和加密区网格,车体表面网格分别按0.05,0.03和0.02 m逐级递减,加密区网格分别按0.
19、3,0.2和0.1 m逐级递减,计算区域总网格数分别为:1 671万,3 260万和6 936 万。中等密计算网格如图3所示。1.4湍流模型及求解设置选取高速磁浮列车运行速度为350 km/h,马赫数Ma0.3,因此本文采用不可压缩SST k-湍流模型进行求解,该方法考虑了近壁处的低雷诺数效应和湍流剪切应力的传输,对因逆压梯度造成的分离预测较准16。然而,SST湍流模型要求第1层单位:m图1几何模型Fig.1Geometric model图2计算区域及边界条件Fig.2Computational domain and boundary conditions2409铁 道 科 学 与 工 程 学
20、 报2023 年 7月网格无量纲厚度y+接近117,因此对计算模型进行1/16缩比,缩比后计算模型的y+1.6,雷诺数Re1.66106,达到流场自模拟。压力和速度耦合采用SIMPLEC 算法求解,离散项采用 2 阶迎风格式,标准化残差值数量级设置为106。不可压缩条件下,环境温度将改变空气的密度和黏度,空气的密度和黏度值随环境温度变化见表 1,从表中可以看出,空气密度随温度的增加线性减小,而黏度近似随温度的0.78次方增大。1.5网格无关性分析及试验验证1.5.1网格无关性分析为了验证网格对计算结果的影响,对3种密度网格模型下的列车流线型尾部中心纵剖线压力系数和气动阻力系数进行了比较。定义无
21、量纲参数Cp和Cd分别表示压力系数和气动阻力系数,计算公式如下:Cp=P/0.5V2(1)Cd=Fd/0.5V2S(2)式中:P和Fd分别表示列车表面压力和气动阻力;为空气密度;V为列车运行速度;S为列车最大横截面积,本文缩比磁悬浮列车横截面积 S=0.046 m2。从图4可以看出,列车尾部表面压力系数在近尾锥区域变化较大,中等网格与粗糙网格计算结果相比最大相差 14%,而精细网格和中等网格相比最大差值在3%左右;对比各节车和整车气动阻力系数,中等网格与粗糙网格最大相差8%,而精细网格与中等网格计算结果的最大差值小于 2%。由此可知,当网格达到中等密度后,计算结果随网格密度的增加变化不大,达到
22、网格无关,因此本文后续研究均采用中等密度网格。1.5.2数值计算方法试验验证为了验证数值计算方法的正确性,将本文数值计算结果与文献18中风洞试验结果进行对比分析。如图5(a)所示,文献18风洞试验在中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室的闭口回流式双试验段的 3 m3 m 高速段进行,风洞试验段长为15 m,宽为3 m,高为3 m。列车模型采用1:16缩比的2车编组(头车+尾车)某型中速磁浮列车模(a)车体表面;(b)表面附面层;(c)中心纵剖面图3计算网格Fig.3Computational grid表1不同环境温度下的空气密度与黏度Table 1Air density and viscos
23、ity at different ambient temperatures相对温度/-50-40-30-20-1001020304050绝对温度/K223233243253263273283293303313323密度/(kgm3)1.5841.5151.4531.3951.3421.2931.2471.2051.1651.1281.093黏度/(105Pas)1.461.521.571.621.671.721.761.811.861.911.962410第 7 期程亚军,等:环境温度对高速磁浮列车明线气动特性影响研究型,头、尾车之间及轨道间隙保持10 mm。建立与风洞试验尺寸一致、边界一致的
24、数值计算区域模型,如图5(b)所示,并采用与本文所述一致的网格策略和计算求解设置,所得列车气动阻力系数与风洞试验比较如图6所示。通过比较,数值计算所得气动阻力与风洞试验结果接近,最大差值约6.48%,符合国家标准中关于数值计算结果与试验结果最大允许相对误差为10%的要求19。2 环境温度对高速磁浮列车气动阻力影响根据无量纲气动力系数定义,其与空气密度、列车行驶速度和迎风面积密切相关,而环境温度对空气密度和黏度具有较大影响,若分析气动力系数将忽略空气密度对其气动特性的影响,因此为了探明环境温度变化对高速磁浮列车气动特性的影响,后续均对列车气动力变化开展分析。1/16缩比磁浮列车气动阻力随温度变化
25、曲线如图 7所示。从图中可以看出:高速磁浮列车由于没有转(a)流线型尾车中心纵剖线压力系数;(b)气动阻力系数图4不同网格密度计算结果比较Fig.4Results comparison of different grids(a)风洞试验模型18;(b)数值计算区域图5与风洞试验对比模型Fig.5Computational domain compared with wind tunnel test图6数值计算结果与试验对比Fig.6Result comparison between numerical simulation and wind tunnel test2411铁 道 科 学 与 工
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