大风环境列车横截面外形优化

董天韵 钟 睦 梁习锋

(中南大学 交通运输工程学院 轨道交通安全教育部重点实验室,湖南 长沙 410075)

我国铁路沿线环境复杂、气候多变,对列车运行气动性能影响显著。沿海地区和部分地势平坦内陆地区存在大风,影响列车运行稳定性,可能引起列车脱轨、倾覆和人员伤亡,对列车运行以及人身安全造成威胁[1-8]。

Minora等[9-10]在研究中指出,横风作用下列车外形会对列车所受气动性能产生显著影响,而车辆外形较圆滑会拥有更好的横风稳定性。Krajnovic[11]尝试利用正多项式响应曲面模型对列车的阻力、升力、横风稳定性等气动特性进行多目标优化分析,实现对高速列车的头部横风稳定性及减阻导流装置的优化设计。于梦阁、熊骏等[12-13]对列车尤其是头型进行参数化建模,提取设计变量对横风作用下列车整体外形进行优化设计,优化结果表明各方面指标均有所改善。

由于列车较长,车身等截面部分占比较大,因此车身贡献的横向气动作用则成为影响列车横向稳定性的主要因素之一。通过改变车身截面外形,优化其所受横向力、升力以减小倾覆力矩,降低列车倾覆危险性,是一种可行而有效的方法。张洁等[14]通过比较3种特定形式断面形状列车,得到了三维条件下有较优气动性能的列车断面。李红霞等[15]对列车断面宽度、高度、过度角半径进行了固定参数的比选,得到适当增大过度角半径可以改善横向稳定性的结论。虽然研究工作对横风下列车车身断面外形优化进行了探索,但是主要还是使用固定外形进行方案比选的方法,难以避免主观上对方案参数选择的不全面。因此本文旨在对横风条件下较优断面外形进行探索,并对现有高速列车断面进行优化,以得到具有更好横风性能的车身断面外形。

研究工作从矩形样本截面出发,通过比较不同优化部位对倾覆力矩的影响,得到各部位对横风性能的影响规律,确定断面外形优化的关键部位。再以高速列车实际断面为研究对象,对现有车体断面外形进行优化。

1 计算区域、边界条件及网格验证

考虑列车车体中部截面不变,使用二维模型进行研究。以均匀来流模拟横风,风速设置为40 m/s,马赫数小于0.3,流动按不可压缩处理。此条件下流动大多为湍流流动,应用k-epsilon双方程模型[16]对湍流进行模拟。网格使用非结构形式,并对壁面附近进行网格加密,第一层网格厚度为1 mm,满足k-epsilon模型对第一层壁面网格30＜y+＜150的要求。为保证流入和流出计算域的流体运动状态均能达到稳定,流体入口AD与车体之间的距离设置为10H,流体出口与车体之间的距离设置为22H,模型顶部AB与车体之间的距离设置为11H。计算域尺寸见图1。H=3 500 mm,L=3 367 mm。模型底部距离地面为600 mm。

为考察网格密度对计算结果的影响,使用3种密度网格进行计算比较,见图2,所得结果见表1。

由表1可见,网格一加密到网格二后气动力变化幅度较大。从网格二加密到网格三后,气动力与力矩的变化很小,横向力、升力、倾覆力矩与网格三分别相差0.1%、2.5%、3.0%。因此本文使用网格二进行后续分析。

图1 计算域尺寸

图2 3种密度网格

表1 不同网格密度计算结果

2 矩形断面优化

以矩形断面为初始断面,基于车体结构尺寸,以其宽度L=3 367 mm、高度H=3 500 mm 作为约束,对其不同部位分别进行优化,其外形参数定义示意见图3。优化部位分别为内倾角位置高度H1、侧壁上倾角α、侧壁下倾角β、顶部折角γ、顶部折角边长L1、底部折角θ、底部折角边长L2。优化内倾角位置高度H1时,固定α=β=5°;优化侧壁上倾角α时,固定β=3°,H1=1 500 mm;优化侧壁下倾角β时,固定α=3°,H1=1 500 mm;优化顶部折角γ时,固定L1=600 mm;优化L1时,固定γ=40°;优化底部折角θ时,固定L2=600 mm;优化L2时,固定θ=45°。变化外形参数时,未涉及的其他参数变量默认为0。以倾覆力矩为优化目标,得到计算结果见图4、图5。

图3 外形参数定义示意(单位：mm)

图4 气动力、力矩随顶部折角γ变化

顶部折角γ从20°增加到60°过程中(见图4),车体受到的横向力与负升力均表现为先减小后增加。这是由于在角度增加初期,折角起到了引导气流更加顺利越过车顶的效果,直接作用于车体的气流减少,既气流作用于车体的横向分量减小,表现为阻力减小。同时,由于越过顶部的气流对车体作用角度的改变,原本直接作用于车体的气流越过车顶时增加了车顶的负压,表现为列车的升力增加,由于此时列车升力为负,因此为负升力减小。在角度达到一定值以后,继续增加角度反而阻碍了气流的绕流,气流开始重新作用在车体表面,与角度增加时气流对车体的作用刚好相反。当γ取到40°左右时,截面横风气动性能较好,倾覆力矩最大值与最小值之间相差39.42%。所以γ对截面的横向气动性能影响显著。

图5 倾覆力矩随不同参数变化

其他参数变化时目标截面倾覆力矩变化见图5,与上述分析类似,参数的变化引起横向力与升力的分配,改变了倾覆力矩的大小。从倾覆力矩随各参数的变化可以看出,高度H1增加过程中,车体所受倾覆力矩总体呈现波动中上升趋势,H1从1 000 mm 增加到2 400 mm,倾覆力矩上升了13.54%。随着侧壁上倾角α不断增大,列车受到的倾覆力矩呈现下降趋势,α从1°增长到5°,倾覆力矩下降了8.31%。在实际使用中如果α值过大,则会影响车辆使用空间,当α=3.0°时,车体倾覆力矩取得一个相对较小的值。随着侧壁下倾角β增大,列车的倾覆力矩整体呈上升趋势,β从0°增大到8°过程中,倾覆力矩上升了7.61%,β为3.5°时倾覆力矩取得一个较小值。顶部折角边长L1的增大,车体倾覆力矩下降,L1从100 mm 增大到900 mm,车体倾覆力矩下降了39.38%。底部折角角度θ的增大,车体受到倾覆力矩整体为先升后降趋势,在θ=45°处,倾覆力矩值下降幅度较大。随着L2的增大,倾覆力矩整体为上升趋势,L2=100 mm处与L2=900 mm处倾覆力矩相比上升了19.81%。

倾覆力矩随侧壁上倾角α变化的规律与顶部折角边长L1变化一致,原因是两者的变化都可以引导气流更顺畅的越过车顶,从而减小侧面受到的气流冲击。倾覆力矩随侧壁下倾角β的变化规律与底部折角边长L2变化规律一致,因为两者的变化都会引起气流向列车下方运动,列车下方空间有限,气流无法更好地经过车体,作用在列车的横向冲击无法有效减小;另一方面,从侧面流向车身下方可能导致升力增加,加大倾覆危险。内倾角位置高度H1变化综合了上述2种效应,在H1增大过程中会同时影响气流向上与向下流动的比例,但是当H1处于一个合适中间值时,倾覆力矩较小。

从倾覆力矩结果可以看出顶部折角γ与底部折角θ的变化并非单调增长,而且倾覆力矩受其影响较大,存在进一步优化的可能性。

将每个部分得到的优化结果组合得到优化样本,这里称折角模型,见图6(a)。将优化前后气动性能进行比较,结果见图6(b)。

图6 优化前后气动性能对比

由图6(b)可以看出,折角模型的横向气动性能校矩形模型有了很大的改善。其横向力下降28.28%,负升力变为正升力,绝对值下降42.85%,倾覆力矩值下降45.91%。

3 列车断面优化

通过对折角模型的分析,上折角γ以及底部折角θ表现出明显的非单调变化趋势。因此在列车断面的优化设计中,可以着重针对这2个过渡部位进行优化。

以列车横断面形状为优化对象,利用10个点将列车左侧横断面轮廓线分为9段,将1、2、4、5、6、7、10,7个点设置为固定点来固定车体横断面形状的总体框架;通过调整上下2个过渡部位,点3(x1,y1)、8(x2,y2)、9(x3,y3)的位置对车体横风气动性进行改进(其初值见表2),优化断面见图7。

图7 目标优化断面

使用Star-ccm+中Optimate优化模块的Sherpa算法来进行寻优处理。Sherpa算法在优化过程中使用多种优化方法进行组合寻优,能更全面的发挥各优化方法的长处,提高优化的效率和结果。

整个优化过程可分为3个部分,首先是在较大设计空间内对横断面形状进行优化,尺寸变化增量为0.05 m,得到优化值;缩小参数变化范围和收缩步长,进行第一次局部优化,尺寸变化增量为0.025 m,得到第一次局部优化的值;再根据第一次选优得到参数,做第二次局部优化,且缩小参数设计空间和收缩步长,得到最终优化结果,见表2。利用这种递进选优的方式,一方面可以得到较精确的计算结果,另一方面可以节省计算量。

表2 优化过程参数与结果 m

优化前后车体气动参数对比见图8。优化过程中车体横向力上升,但升力和倾覆力矩均下降,横向力在整个优化过程中增长了24.28%,升力和倾覆力矩分别下降了75.99%和27.19%,见图8(a)。在实际的运行中,由于横风作用,列车车体会发生一定角度倾斜。根据规定,横风条件下列车允许出现的最大倾斜角度2.5°。将计算模型绕1点倾斜2.5°,进一步计算分析结果见图8(b)。从图8(b)中可以看出,倾斜导致列车气动参数发生一定改变,但优化后的车体截面横风气动性能仍更优。相比原车模型,优化后模型的倾覆力矩下降了11.22%。

图8 优化前后气动性能对比

4 结论

(1)倾覆力矩随侧壁上倾角及顶部折角边长增大呈减小趋势;随侧壁下倾角及底部折角边长增大呈上升趋势;随内倾角位置高度H1增加整体呈现变大趋势,但在中间位置存在波动;随顶部折角与底部折角变化呈非单调增长。

(2)由矩形截面优化得到的折角模型,横向力下降28.28%,负升力变为正升力,升力大小下降42.85%,倾覆力矩减45.91%。

(3)优化后的列车外形参数x1、x2、x3、y1、y2、y3取值分别为1.525、1.335、1.075、0.12、3.075、3.3 m。与原始列车断面相比,优化后的断面横向力增长24.28%,升力和倾覆力矩分别下降75.99%和27.19%。倾斜车体状态下,优化模型横风性能依然更好,倾覆力矩较原车下降11.22%。