一种基于橫风非定常理论的车厢横断面优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于橫风非定常理论的车厢横断面优化方法。
【背景技术】
[0002] 随着科技、经济快速发展，轨道交通高速发展，我国已建成多条高铁线路。众所周 知，列车的车厢外形与空气动力学有密切关系，直接影响列车的气动性能。传统的车厢横断 面优化方法多数采用定常理论计算车厢在横风作用下的倾覆力矩。这种优化方法采用的定 常理论与实际情况存在差异，而且没有考虑倾覆力矩的幅值与频率，优化结果不够理想。
【发明内容】
[0003] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于橫风非定常理论的车厢横断面优 化方法，采用橫风非定常理论更贴合实际情况，优化结果更理想。
[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0005] -种基于橫风非定常理论的车厢横断面优化方法，包括以下步骤:步骤一，绘制车 厢原始模型的横断面;步骤二，车厢横断面参数化建模;步骤三，车厢横断面与轨道、道床、 路基部分参数化模型导入到网格划分软件gambit或ICEM中，生成混合网格，车体横截面部 分生成附面层网格;步骤四，采用横风非定常算法计算侧向力、升力以及倾覆力矩的极值与 幅值;步骤五，采用FLUENT软件进行流场仿真计算，验证横风非定常算法;步骤六，采用优化 算法对车厢横断面多个尺寸参数进行寻优计算，确定对倾覆力矩贡献值较高的参数;步骤 七，将倾覆力矩的绝对值最小以及幅值优化作为目标函数，寻优计算车厢的最优尺寸参数。
[0006] 作为上述技术方案的改进，所述步骤二中，车厢横断面外形总体控制参数为车厢 高度、车厢宽度、车厢最宽处距轨面高度、设备舱宽度及距轨面高度，还包括车厢横截面最 宽处上方斜线段与水平地面法线的夹角、上方斜线段与车顶连接的三段圆弧半径、车身横 截面最宽处下方斜线段与水平地面法线的夹角、下方斜线段与设备舱连接的三段圆弧半 径。
[0007] 作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤四中，压力与速度耦合处理方式选用 SMPLE算法，方程离散格式采用二阶迎风格式，时间差分格式为二级隐式，稳态计算时选用 Standard κ-ε双方程端流模型。
[0008] 进一步，所述步骤四中，先进行稳态计算，迭代次数为30000次，稳态的端流计算作 为非定常算法的初始解，确定非定常时间步长以及每一个时间步长内的子迭代次数。
[0009] 进一步，所述步骤五中，在车厢背风侧设置第二轨道，选取离列车壁面较近的二个 监测点以及在第二轨道外侧的二个监测点，对各监测点的静压力随时间的变化历程进行记 录和存储。
[0010]本发明的有益效果是:通过采用横风非定常算法计算侧向力、升力以及倾覆力矩 的极值与幅值，再通过FLUENT软件进行流场仿真计算，验证横风非定常算法，保证更贴合实 际的横风风场，通过优化算法确定对倾覆力矩贡献值较高的参数，再通过以倾覆力矩的绝 对值最小以及幅值优化作为目标函数，计算出车厢的最优尺寸参数。本发明采用更贴合实 际风场的横风非定常理论进行车厢横断面优化计算，通过倾覆力矩的绝对值最小以及幅值 综合评判车厢横断面优化结果，改善车厢的空气动力学性能。
【附图说明】
[0011]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0012] 图1是车厢原始模型横向力时程曲线；
[0013] 图2是车厢原始模型横向力频谱分布情况；
[0014] 图3是车厢原始模型升力时程曲线；
[0015] 图4是车厢原始模型升力频谱分布情况；
[0016]图5是车厢原始模型倾覆力矩时程曲线；
[0017]图6是车厢原始模型倾覆力矩频谱分布情况；
[0018] 图7是本发明步骤五中监测点的分布示意图；
[0019] 图8是图7中监测点1的静压力时程曲线图；
[0020]图9是图7中监测点2的静压力时程曲线图；
[0021]图10是图7中监测点3的静压力时程曲线图；
[0022]图11是图7中监测点4的静压力时程曲线图；
[0023]图12是车厢横断面的参数化模型。
【具体实施方式】
[0024] 一种基于橫风非定常理论的车厢横断面优化方法，包括以下步骤：
[0025] 步骤一，绘制车厢原始模型的横断面。
[0026] 步骤二，车厢横断面参数化建模，参数化建模是提高设计效率和缩短生产周期的 基础。横断面外形总体控制参数为车体高度、车体宽度、最宽处距轨面高度、设备舱宽度及 距轨面高度等，其他外形控制参数包括车身横截面最宽处上方斜线段与水平地面法线的夹 角、上方与车顶连接的三段圆弧、车身横截面最宽处下方斜线段与水平地面法线的夹角、下 方与设备舱连接的三段圆弧等。参数化建模优选采用lisp语言，lisp语言最早为麻省理工 学院为研究人工智能而开发的，这种编程语言主要为括号加命令构成的列表，在CAD软件二 次开发中得到很好的应用，所以既可以为设计工程师转化为图纸，又可以输出通用IGES格 式进行自动网格划分。
[0027] 步骤三，车厢横断面与轨道、道床、路基部分参数化模型导入到网格划分软件 gambit或ICEM中，生成混合网格，车体横截面部分要生成合适的附面层网格。
[0028]步骤四，采用横风非定常算法计算侧向力、升力以及倾覆力矩的极值与幅值；以珠 三角地区为例，有记录的最大台风17级，即来流风速为60m/s，经计算得到马赫数为0.176， 小于0.3,按不可压流处理;雷诺数约为1.5X 107,大于105,按湍流处理。压力与速度耦合处 理方式选用SMPLE算法，方程离散格式采用二阶迎风格式，时间差分格式为二级隐式，稳态 计算时选用Standard κ-ε|方程湍流模型。为了保证车体横断面附近流场充分湍流，首先 进行稳态计算，迭代次数为30000次，从残差的监控图中可以明显的看出，前面几千次迭代 时逐渐趋于稳定，后面会发生周期性波动的非定常规律;稳态的湍流计算作为非定常的初 始解，经反复试算，最终确定非定常时间步长为0.01s，每一个时间步长内进行30次子迭代， 通过监测列车倾覆力矩气动参数等保证每一个时间步长内计算的收敛。先计算500个时间 步长，使非定常湍流再次充分发展;然后再计算500个时间步长，输出横向力、