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空气动力制动风翼在车上布置数值仿真研究

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第33卷，第3期中国铁道科学

20l2年5月CHINARAILWAY

SCIENCEv01．33NA3

May，2012

文章编号：10014632(2012)03—0098-04

空气动力制动风翼在车上布置数值仿真研究

田春，吴萌岭，朱洋永，费巍巍

(同济大学铁道与城市轨道交通研究院．上海200092)

摘要：采用流体仿真分析软件FLUENT研究制动风翼尾迹的影响范围及制动风翼纵向间距对制动效果的

影响，同时分析制动风翼不同横向间距对制动阻力影响的规律。结果表明：2幅制动风翼的纵向间距越大列车

前部制动风翼对后部制动风翼的尾迹影响越小，当2幅制动风翼的纵向间距超过2节车厢长度时t这种影响完

全消失；在制动风翼面积相同的条件下，增大每幅2片制动风翼的横向间距，能够提高风翼的单位面积钳动阻

力}由制动风翼产生的制动瞬时减速度随制动初速度的增加而增加，在紧急制动初速度为500kmh．1时由制动

风翼产生的制动合阻力约为160kN．此时的制动瞬时减速度约为0．33ms，可知．列车高速运行时由空气

动力制动产生的制动阻力对高速列车制动贡献很大，空气动力制动在高速时具有优良制动性能。

关键词：空气动力制动；制动风翼；纵向间距l横向问距；布置

中围分类号：U260．138：U270．1文献标识码：Add：10．3969力．i蛄m1001—4632．2012．03．16

当列车紧急制动时，空气动力制动系统打开制

动风翼产生阻力，使列车快速停车。日本对空气动

力制动进行了大量的研究o…。文献Es]研究了整

列车每辆车均装制动风翼时，每幅制动风翼产生制

动力的规律，并通过减少制动风翼数探寻制动风翼

纵向位置制动力规律。本文基于文献E53建立的

某高速列车模型，研究制动风翼尾迹的影响范围及

制动风翼纵向间距对制动效果的影响，以及不同制

动风翼横向间距对制动阻力影响的规律。

1高速动车组列车及计算域模型

采用文献ES]建立的国内某高速动车组8节

联挂列车外形1：I的简化模型，列车全长196m。

制动风翼沿列车纵截面对称分布，制动风翼外形与

文献[53一致。

由于列车关于纵截面几何对称，本文采用对称

计算域，其尺寸为100m×546mX50m。区*0于

文献[53的非结构网格，本文采用了另一种计算

精度较高的结构网格划分方法，由于制动风翼附近

流场变化较大，为保证计算精度，车体和制动风翼

均采用“O”型网格(如图l所示)，计算域采用

六面体结构网格(如图2所示)，并采用item进行

收稿日期：2011-03—30‘修订日期：2011-08’11

基金项目：。十一五”国家科技支撵计划硬日(2009BAGl2A05-13)

作者简介：田春(1977一)．女．湖北荆门人t讲师，博士．同格划分，对称计算域六面体结构网格约400

万个。

a、车体髫

．_．1—囊睦蛞

伽1糊动风量

闭I车体和捌动风翼“(J”网

图2计算域结构网格

2制动风翼布置位置分析

采用流体仿真分析软件FLUENT进行列车外

流场数值仿真。计算中：选用Realizableh双方

程描述外流场湍流；选用COUPLED算法处理压

力与速度的耦合；地面设为移动壁面边界条件，移

动壁面速度大小和方向分别与来流速度的大小和方

向相同。第3期空气动力制动风翼在车上布置数值仿真研究

2．1制动风翼尾迹的影响范围殛制动风翼纵向闻

距对镧动效果的影响

列车安装2幅制动风翼，每幅2片制动风翼横

向间距600rrLrn、并通过改变第2幅制动风翼的安

装位置改变2幅制动风翼纵向间距，依此分析制动

风翼尾迹的影响范围以及制动风翼纵向间距对制动

效果的影响。第l幅制动风翼距列车头部9．8m，

第2幅距第1幅制动风翼的距离依次为5．000，

制功风翼问距，m

图3不同间距时每幅制动风翼的制动阻力

pLl

●■—●1

．曩巴ijl；。；烹

al位置

r

L13．898，17．678，41．853，66．028和90．203m，

第2幅制动风翼的位置依次记为位置1，位置2t

…，位置6。

2幅制动风翼在不同间距下产生的制动阻力如

图3所示。由图3可知：第1幅制动风翼产生的制

动阻力基本上不变；第2幅制动风翼安装位置依次

由位置1依次移到位置4时，其产生的制动阻力迅

速增大，而当第2幅制动风翼由位置4变到位置6

时，其产生的制动阻力基本不变。由此可推断，当

2幅制动风翼纵向距离小于车辆长度的2倍时，第

1幅制动风翼对第2幅的影响显著；当2幅制动风

翼的纵向距离超过车辆长度的2倍时，该影响消

失。2幅制动风翼在不同间距时列车的速度云图如

图4所示。由图4可知：随着制动风翼2由位置1

向位置5移动，其受制动风翼l尾迹的影响减弱；

当第2幅制动风翼位于位置4(图4(d))时，第

2幅制动风翼所处速度流场基本恢复为流速度，此

时其产生的制动阻力最大；第2幅制动风冀继续向

列车后端移动，其所处速度流场基本不变。

L

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椰位置4(c)位置5

图4第2幅制动风翼在不同位置时2幅制动风翼的列车的速度云图

2．2制动风翼纵向位置

如果须减小对受电弓的干扰，则在受电弓车辆

上不安装制动风翼，保持受电弓与制动风翼迎风面

的距离约为车辆长度的2倍(约40m)。由文献

[s]可知：车辆中间某车辆不装制动风翼时，虽然导致紧随该车辆的后1幅制动风翼产生的制动阻力

升高，但此时由所有制动风翼产生的总制动阻力低

于各节均装有制动风翼时的总制动阻力。因此，若

要充分发挥空气动力制动的效果，除受电弓车辆

外，尽量考虑每节车辆均安装制动风翼。下文列车§R目目器

L

-

黛L_

一。_

一100中国铁道科学第33卷

的制动风翼纵向位置布置如图5所示。

2．3制动风翼横向间距分析

制动风翼横向间距分别为0，200，400和600

mm时，7幅制动风翼的单位面积制动阻力如图6

所示。由图6可知：随着制动风翼横向问距增大，

迎风面第l幅和第3幅制动风翼单位面积的制动阻

力增大较明显，其余制动风翼变化较小。由此可推

断：在制动风翼面积相同条件下，增大每幅制动风

翼的2片制动风翼的横向问距能够提高单位面积制

动阻力。下文选择制动风翼的横向问距为

600ram。

图5制动风冀车j：纵向位性布置

234567

迎风面制动风翼的序号

图6不同横向间距7幅制动风翼的单位面积制动合阻力

3空气动力制动的制动阻力分析

不同紧急制动初速度下由制动风翼产生的制动

阻力的合力和制动瞬时减速度分别如图7和图8所

示。由图8可知：由制动风翼产生的制动瞬时减速

度随制动初速度的增加而增加。紧急制动初速度为

500kmh叫时由制动风翼产生的制动合阻力大约

为160kN(见图7)，此时制动瞬时减速度约为

0．33ms一。由此可知：列车高速运行时由空气

动力制动产生的制动阻力对高速列车制动的阻力贡

献很大，空气动力制动在高速时具有优良的制动

性能。篙60

l器

l

。80

磊4200

150200250300350400450500

速度／kinh1

图7不同紧急制动初速下空气动力制动合阻力

1502002503003504C0450500

速度，h-_Ⅳ。

图8不同紧急制动初速下空气动力制动产生的瞬时减

速度

4结论

(1)第2幅制动风翼安装位置距第1幅由近变

远时，其产生的制动阻力逐渐增大，但当2幅制动

风翼距离增大到车辆长度的2倍时，其制动阻力基

本不变：随着2幅制动风翼间距的增大，制动风翼

2受制动风翼1尾迹的影响效应随着之减弱。

(2)在制动风翼面积相同条件下，增大每幅制

动风翼的2片制动风翼的横向间距，能够提高单位

面积制动阻力。

(3)由制动风翼产生的制动瞬时减速度随制动

初速度的增加而增加，紧急制动初速度为500

kmh-1时由制动风翼产生的制动瞬时减速度约为

0．33ins～。列车高速运行时由空气动力制动产

生的制动阻力对高速列车制动的阻力贡献很大，空

气动力制动在高速时具有优良的制动性能。

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AerodynamicBrakeof

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University(NaturalSicence)，2011，39(5)：705—709．inChinese)

NumericalSimulationResearch

onthe

Arrangementofthe

AerodynamicBrakingPlatesinthe

Train

TIANChun，WU

Mengling，ZHU

Yangyong，FEIWeiwei

(ResearchInstituteofRailway＆UrbanMassTransit，To蛔i

University，Shanghai200092，China)

Abstract：Fluidsimulation

analysissoftwareFLUENTwas

adoptedto

studythe

influence

zoneofthe

wake

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brakingplateaswell

astheinfluenceofits

lengthwisedistance

onbrakingeffect．Meanwhile，the

influencelflWofitsdifferentlateraldistance

onbrakingresistancewas

analyzed．Resultsindicatethatthe

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车辆设计中的空气动力学优化与仿真

车辆设计中的空气动力学优化与仿真

车辆设计中的空气动力学优化与仿真

在当今的汽车工业中，车辆的设计不再仅仅局限于外观的美观和内饰的舒适，空气动力学优化与仿真已经成为了一项至关重要的技术。它不仅能够提升车辆的性能，还能对燃油经济性、行驶稳定性和驾驶安全性产生深远的影响。

空气动力学在车辆设计中的重要性不言而喻。当车辆在行驶过程中，空气会对其产生阻力。这种阻力会消耗车辆的能量，导致燃油消耗增加。通过优化车辆的空气动力学特性，可以显著降低风阻，从而提高燃油经济性。以一辆乘用车为例，如果能够将风阻系数降低 10%，其燃油效率可能会提高 5%左右。这对于消费者来说，意味着更低的使用成本；对于环境来说，也能减少尾气排放，降低对环境的压力。

此外，良好的空气动力学设计还能增强车辆在高速行驶时的稳定性。当气流流经车辆时，如果产生了不稳定的气流，可能会导致车辆出现抖动、飘移等现象，影响驾驶的安全性。优化后的空气动力学设计可以使气流更加顺畅地流过车身，减少乱流和升力的产生，增加车辆与地面的附着力，从而提高行驶的稳定性和操控性。

那么，如何在车辆设计中进行空气动力学优化呢？这就需要借助仿真技术。在过去，车辆的空气动力学研究主要依赖于风洞试验。风洞试验虽然能够提供较为准确的数据，但它成本高昂、周期长，而且在设计的早期阶段难以进行大规模的试验。随着计算机技术的飞速发展，仿真软件成为了车辆空气动力学设计的重要工具。 通过使用专业的仿真软件，工程师可以在虚拟环境中建立车辆的三维模型，并模拟气流在车身周围的流动情况。在仿真过程中，可以对车辆的外形、车身细节、底盘结构等进行调整和优化，实时观察这些变化对空气动力学性能的影响。与风洞试验相比，仿真技术具有成本低、效率高、可重复性强等优点。它能够在设计的早期阶段就为工程师提供有价值的参考，帮助他们快速筛选出最优的设计方案。

在进行空气动力学仿真时，需要准确地建立车辆的几何模型和设定边界条件。几何模型的精度直接影响仿真结果的准确性，因此需要对车辆的外形进行细致的测量和建模。边界条件包括来流速度、温度、压力等参数，这些参数的设定需要根据实际的行驶工况进行合理的选择。

汽车空气动力学的仿真与优化设计

汽车空气动力学的仿真与优化设计

汽车空气动力学的仿真与优化设计

一、概述

汽车空气动力学是指汽车与运动空气之间的相互作用。汽车在高速行驶时会在前方形成一个压缩空气区，而在车身后方则形成一个低压区，这个区域叫做“尾流”。汽车空气动力学仿真与优化设计可以帮助设计者在保证车辆外观美观的前提下，将车辆的空气动力学性能进行优化，从而提高车辆的性能。

二、汽车空气动力学仿真

汽车空气动力学仿真是利用计算机对车辆在不同速度下的空气动力学特性进行模拟和分析。通过仿真可以得到车辆的气动系数、压力分布、气动阻力、升力等等数据。其中，气动系数指的是车辆外形、前进速度、气流方向等参数对空气动力学特性的影响。

在汽车空气动力学仿真时，需要采用数学模型对车辆在运动时所承受的气流压力、阻力进行分析，同时要考虑车辆的形状、尺寸、质量等因素。针对不同的车型和设计方案，需要选取不同的数值模拟工具和方法。

以CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）为例，利用CFD软件可以对空气在车辆表面流动的物理过程进行数值求解。在求解过程中，需要将车身模型放入数值计算区域内，通过建立网格、设定运动状态和气流条件等设定参数，得出汽车在不同速度下的气动力学特性。

三、汽车空气动力学优化设计

汽车空气动力学优化设计是指在保持车辆外观美观的前提下，对车辆外型进行改良，从而降低车辆的空气阻力和汽车的油耗。优化设计主要包括以下几个方面：

（一）车身风阻降低

车身的设计和外形是在保证车辆美观的基础上进行优化的。优秀的外形设计不仅能够提升车辆品质的形象，还可以通过降低车身风阻来减少空气阻力。例如，凸起和边角分明的车身设计会导致流体分离，提高拖拽系数，增加风阻。相反，流畅的车身设计会减缓空气流动并降低阻力，使车辆动力性能更好。

（二）提高车辆通风性

在车辆高速行驶时，为了降低车辆的空气阻力，通风口和散热孔一般要尽量少，但是这也会导致车内温度过高。因此，通过改变通风口位置或者设置特殊的气流引导装置，可以解决车内通风问题。例如，对于高速度的车辆，通风口一般设置在车身前部和尾部，中速车辆则可以在车窗侧部设置小的通风口。

虚拟空气动力学试验模块研究报告(200km动车组侧风问题数值研究)

虚拟空气动力学试验模块研究报告(200km动车组侧风问题数值研究)

虚拟空气动力学试验模块研究报告

（200km/h动车组侧风问题数值研究）

1

目 录

一、引 言 ……………………………………………………2

二、研究内容 ……………………………………………… 2

三、算法原理 ………………………………………… 2

四、计算模型 ………………………………………… 3

五、计算结果分析 ………………………………………… 6

六、结论 ……………………………………………………21

2 200km/h动车组侧风问题数值研究

一、引言

在车辆开发研究过程中，随着列车的提速，如何有效地利用空气动力学特性变得愈来愈重要。随着列车速度的提高，列车与空气的相互作用变得十分强烈。在强侧风的作用下，列车空气动力性能恶化，不仅列车空气阻力、升力、横向力迅速增加，还影响列车的横向稳定性，严重时将导致列车倾覆，所以为了使列车安全通过风区，必须开展大风环境下的列车空气动力特性研究[1～7]。本项目对200km/h动车组列车风与大风耦合作用下的列车空气动力特性进行数值分析，为自主发展我国的高速列车，使其研制水平赶上国际水平提供技术支持。

二、研究的主要内容

本项目研究的主要内容：建立单向运行列车侧风的三维计算模型；在风向角分别为10°、30°、60°和90°的不同工况下，速度30m/s的环境风对列车运行的影响进行数值分析；研究大风环境下列车表面压力分布规律，大风环境下单向运行的列车空气阻力特性、空气升力特性、空气横向力特性等性能。

三、算法原理

研究高速动车组的空气动力特性，其实质是流体流动问题。而流体运动是最复杂的物理行为之一，与结构设计领域中应力分析等问题相比，其建模与数值模拟要困难得多。对湍流现象而言，不管它多么复杂，描述流场的运动都可以用非稳态的N-S方程表达 [8～9]。

质量守恒方程 0)(iiuxt （3.1）

空气动力学性能的数值仿真研究

空气动力学性能的数值仿真研究

空气动力学性能的数值仿真研究

现代工业发展之所以如此迅速，与其背后支撑的科学技术不无关系。航空航天工业是其中极为重要的一个分支，它的不断进步推动了科技和经济的发展，为人类开拓了更加广阔的未来。在航空航天领域，空气动力学是一门重要的学科，它研究空气对飞行器或空气动力设备的动力学作用。为了更好地模拟和分析飞机的飞行状态，空气动力学性能的数值仿真研究应运而生。

一、空气动力学性能的重要性

在航空航天领域，空气动力学性能是如此重要，因为它与飞机的性能直接相关。飞机的速度、载荷、燃油消耗量和飞行状态等许多性能参数，都与空气动力学性能有着密切的关系。因此，研究和掌握空气动力学性能，对于提高飞机的性能、降低燃油消耗量、提高安全性等方面都具有重要意义。

二、数值仿真方法的意义

传统的航空航天实验需要耗费大量的人力、物力和财力，具有很高的成本和时间消耗。而数值仿真方法则可以通过计算机进行模拟，大大降低了研究成本和时间消耗。在现代科技不断进步的今天，数值仿真方法已经广泛应用于空气动力学性能研究和飞行器设计中。

三、数值仿真方法的基本原理

数值仿真方法的基本原理是将连续介质的宏观动力学行为转化为微观级别的方程，然后利用数值计算方法进行求解和模拟。在数值仿真中，流体通过计算机网格化表示，然后运用数值方法离散化算法进行模拟和计算。数值仿真的核心在于求解Navier-Stokes方程组，这个方程组是流体力学的基本方程，描述了流体的运动状态和动力学特性。

四、模拟方法的选择 不同的空气动力学问题需要不同的数值仿真方法来解决。常用的数值仿真方法包括有限体积法、有限元法、边界元法、LBM方法等。有限体积法是最常用的方法，它将流场离散为一个个体积元，用有限差分法求解Navier-Stokes方程组。与此不同的，有限元法是将流场离散成无数小三角形或四边形网格，通过求解矩阵方程组来解决问题。LBM方法则通过将连续介质的运动离散成微观粒子的运动来解决问题。不同的方法各有优劣，我们需根据具体问题情况来选择不同的仿真方法。