关于高速动车组空气动力学几点计算方法.doc

第一章 绪论 第一节 研究的意义 从1964年10月1日0系高速列车投入东海道新干线高速铁路营业运行以来，日本新干线高速列车已有30多年的发展历史了，相继研制开发了100系、100N系、200系、El(Max)系、400系、300系、500系等高速列车，并为21世纪最高运行营业速度30Okm/h35Okm/h，开发了WIN350、300X、STAR2l等3种高速试验列车日本高速列车是在既有线旅客列车技术基础上逐步发展起来的。1872年，日本修建的第一条1067mm轨距的铁路，也是采用动力集中的蒸汽机车牵引后来在京都地区出现了城市地面有轨电车1910年出现了电动车组，主要在高速铁路线上运行到1930年1940年，电动车组也仅仅在有限的铁路线上运行。这种电动车组主要在40km5Okm范围的短途运输中采用，而长途的铁路运输主要还是采用蒸汽机车牵引。战后，日本东海道铁路运输量急剧增长，旅客列车严重超员，运输压力增大。到1951年，东京滨松间已开通电动车组运行，但东京大扳仍采用机车牵引。随着车辆的轻量化、电机技术的发展和转向架悬挂技术的发展等，均促使电动车组技术的发展。 第二节 研究的内容和目的 研究下列问题，并与一些文献的实验数据对比，总结出一套合理可靠的计算机车绕流的计算方法。 研究的主要内容如下: (一)三维圆柱稳态绕流计算：研究模型导入及网格划分。 (二)三维圆球稳态绕流计算：研究包络面的建立及其网格划分。 (三)三维圆球非稳态绕流计算：研究计算区域的确定及相关系数计算。 (四)三维圆柱非稳态绕流计算：研究高质量网格的划分及其绕流计算的合理性。 研究的目的： 根据以上研究的内容： 建立流线型机车造型，划分高质量网格，设定合理的计算参数，进行三维动车组外形模拟及其网格划分，并进行绕流计算。 第三节 研究的方法 本文首先借助于ANSYS11.0[2]和Pro/ENGINEETR2.0[4]进行几何模型的建立，其次运用ANSYS11.0[3]对模型进行网格划分，ICEM CFD转换网格形式，最后用商业软件STAR-CD进行绕流计算。 根据数值模拟的可视化计算结果，得出列车周围的流场特征，分析列车周围的速度分布、压力分布及车身表面的压力系数。然后编制程序，进行有关用户参数的求解。 第四节 高速机车外形设计的综合因素 高速列车运行时,空气阻力可达列车总阻力的80%,高速列车运行时的空气阻力已成为主要的阻力因素要减少能耗,必须尽可能减少空气阻力。 表1是不同速度等级的机车阻力系数对照表。[1] 从表中可见：中、高速机车的阻力系数比常规机车的阻力系数要小许多,中高速机车之所以比常规机车的阻力系数小是因为它们进行了流线化的外型设计,同时,研究也表明:经过流线化外型设计后的机车其会车压力波。气动侧力及气动噪声也都比常规机车小,因而高速机车外形的流线化是减少运行阻力,保证高速列车运行品质的先决条件。高速机车的外形流线化包括高速机车车体主体结构本身的外型流线化和外露附件的减阻。高速机车车体主体结构本身的外型流线化,又包括车头几何形状的流线化和车身横截面形状的流线化。流线化机车车体外轮廓表面沿长度方向大致可分为机车头部(司机室)和车身(车体中,后部)两部分,目前,根据空气动力学的有关理论,通过计算机模拟和比选,并经过风洞模拟实验,验证得到的高速机车气动外形方案,其空气阻力,会车压力波,侧力及气动噪声都是比较小的,但是,如何将根据上述步骤获得的气动外形方案变成现实的高速机车车体结构,则还有许多工作要做,还要综合考虑许多因素,满足各方面的不同要求。 一、高速机车流线化外形设计需考虑的因素 在高速机车车体主体结构外型流线化设计中，车身部分的流线化,主要是进行车身横截面形状的流线化,这项工作相对简单；而机车头部(又称司机室部分)进行流线化结构设计就不是这样机车头部设计要综合考虑机车的气动性能,总体布置,结构强度,工业造型和制造工艺等机车车体结构头部外形流线化的实现,取决于司机室的布置及制造工艺的可行性与气动性能相结合的合理性机车头部结构流线化设计包含车体的金属结构,车体结构的强度,刚度,稳定性。车体结构的选材及材料的性能要求,结构制造技术与加工方法.装配工艺等内容还涉及计算几何，测绘技术，工业造型等领域科学的设计应力求使使用要求与气动性能完善统一应该说,在高速机车车体的设计研究中,机车头部(司机室)结构的设计是最复杂,也是难度最大的一个部件，设计司机室结构，实现流线化的外形，除满足气动性能的要求,还要做到:便于承载传力；满足车体整体需要；考虑与其它部件的协调；考虑结构的表达和工艺的实现司机室的结构设计除了满足以上的要求,还应尽可能减轻结构的自重只有综合考虑以上因素，并对车体的气动外形优化后，才可能进行车体的实际结构设计。