跨座式单轨列车会车气动特性分析

沈宏丽

摘  要：以跨座式单轨列车为模型，运用CFD软件STAR-CCM+的重叠网格技术，对跨座式单轨列车交会进行瞬态数值模拟技术分析，获得单轨列车同速相向会车的气动特性，为跨座式单轨列车气动性能研究提供有利借鉴。

关键词：跨座式单轨车列车;会车;STAR-CCM+ ;重叠网格;气动特性

引言：目前有关列车空气动力学方面的研究主要是针对高速列车之间，对于跨座式单轨列车会车的方面研究甚少。对跨座式单轨列车会车进行气动特性分析，分析模型表面的压力场有很大的意义。

一、模型建立与网格划分

使用CATIA三维建模软件建立单轨车会车模型，考虑到研究的需要和计算机的实际计算要求，两个相向车辆都采用头车和中间车两个车厢，模拟采用实车模型与建立模型的比例为1：0.5。应用STAR—CCM+软件的overset mesh技术，进行瞬态的空气动力学数值模拟。计算模型的网格尺度如下表所示。

      表1  瞬态模拟网格尺度

单轨列车会车起至位置如图1。整个会车距离为三倍的车身长度。

（a）单轨列车会车起始位置    （b）单轨列车会车终止位置

（c）单轨列车并行横向间距

图1  单轨列车会车布局图

二、边界条件及参数的设定

重庆跨座式单轨列车实际运行中最高车速为65km/h。本次会车计算的最高车速设为80km/h。

具体边界条件如表2所示

表2  瞬态模拟边界条件的设置

本次模拟计算为瞬态模拟，瞬态模拟的时间步长为取决于库朗数：

其中为最小网格尺寸，v为列车相对于流体的速度，C是库朗数。本次计算的网格最小尺度为120mm，取时间步长0.0025s。

三、仿真结果及分析

（一）气动力系数变化分析。对压力为标准大气压的单轨列车等速会车计算结果整理分析，得到单轨列车随两车纵向距离变化的气动阻力系数Cd值变化特性曲线。

图2  单轨列车气动阻力系数Cd值变化

从图2单轨列车气动阻力系数Cd值变化可以看出，单轨列车在会车的过程中气动阻力系数变化呈现出类似正弦式的变化。在会车过程中，气动阻力系数随着两车纵向距离的变化而发生变化，单轨列车阻力系数分别在时间步为160附近和时间步为360附近出现峰值。

（二）压力场特性分析。正压区域主要集中在运动单轨车的头部区域，负压区域集中在运动单轨车的尾部区域、靠近头部的肩部附近以及列车交会的干扰侧面。在会车运动过程中，随着运动列车逐渐靠近，单轨列车头部正压区域的面积渐渐变大，时间步为160之后，头部区域正压面积不断减小，加上单轨列车尾部高速尾涡受到侧面列车的影响而降低，尾部区域负压减小。

四、结语

在整个会车过程中，单轨列车气动阻力系数呈现类似正弦式的变化趋势，气动阻力系数、压力场都随着两车纵向距离的变化而发生变化。

参考文献：

[1] 王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M].清华大   学出版社，2004.

[2] 刘博. 跨座式单轨车辆气动性能分析[D]：硕士学位论文.重庆：重庆交通大学，2010.