摘 要：為研究CRH3動(dòng)車組氣動(dòng)特性和預(yù)防車體局部結(jié)構(gòu)疲勞，保障列車運(yùn)行安全，文章應(yīng)用FFC（Fluent for CATIA）軟件，對(duì)CRH3動(dòng)車組頭車周圍壓力場(chǎng)及車體表面壓力進(jìn)行流體仿真分析。結(jié)果表明：頭車車體各部位表面壓力的壓力梯度隨車體幾何曲率的增加而增加，車鼻處壓力最大；排障器、車頂及車后棱角結(jié)構(gòu)倒圓角后，最大正壓力由4 220 N/m 2 減至4 150 N/m 2 ；不同車速下，車體表面的壓力值隨車速的提高而增大，最大壓力絕對(duì)值與車速的平方成正比關(guān)系。棱角結(jié)構(gòu)光順，有效改善了車體周圍流場(chǎng)及車體表面壓力分布，減小了車鼻處壓力水平；高速度是可能導(dǎo)致車鼻等處局部結(jié)構(gòu)疲勞的要素。

關(guān)鍵詞：FFC；動(dòng)車；壓力場(chǎng)；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TH12；TP399 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：楊敏（1973-），男，碩士，副教授，主要研究方向：載運(yùn)工具、計(jì)算機(jī)軟件及應(yīng)用。

Gansu Science and Technology Information CATIA（Computer Aided Three-dimensional In?teractive Application）是世界上主流的三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）/計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）/計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）一體化軟件[1]，功能強(qiáng)大，其結(jié)構(gòu)分析（Generative Structural Analysis）模塊、DMU運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模塊和FFC（Fluent for CATIA）流體插件，能夠分別直接進(jìn)行有限元、運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)仿真、流體動(dòng)力學(xué)和傳熱分析。動(dòng)車組高速運(yùn)行時(shí)可能因振動(dòng)因素出現(xiàn)車體局部結(jié)構(gòu)疲勞[2]，氣動(dòng)壓力可能加速該疲勞，需要進(jìn)行氣固耦合[3]分析。文章分析氣動(dòng)壓力，為研究動(dòng)車組氣動(dòng)特性、列車安全運(yùn)行提供參考，旨在FFC環(huán)境下構(gòu)建數(shù)值風(fēng)洞[4]、對(duì)CRH3動(dòng)車組頭車[5]周圍壓力場(chǎng)進(jìn)行流體仿真分析[6]?？傮w思路是，先用CATIA建立CRH3頭車三維模型，再用其一體化插件FFC建立流體工程，依次進(jìn)行流體提取、網(wǎng)格劃分、模擬計(jì)算，最后獲取壓力云圖，并對(duì)車體表面氣動(dòng)壓力進(jìn)行相關(guān)分析。

1 幾何建模

1.1 車模

應(yīng)用CATIA軟件零件設(shè)計(jì)模塊，對(duì)CRH3動(dòng)車組頭車進(jìn)行三維建模。為方便研究，省略車底轉(zhuǎn)向架、車頂受電弓等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。模型的長(zhǎng)、寬、高接近真車，分別是26.014 m、3.176 m、4.580 m，如圖1。

1.2 計(jì)算域

綜合相關(guān)文獻(xiàn)資料及試算經(jīng)驗(yàn)[7]，車前取3倍車長(zhǎng)，車后取6倍車長(zhǎng)，寬取6倍車寬，高取5倍車高，故計(jì)算域?yàn)?60 m×19 m×23 m，如圖2。由于選定的流場(chǎng)計(jì)算域足夠大，故可認(rèn)為外圍邊界對(duì)CRH3頭車周圍流場(chǎng)的影響甚小。

應(yīng)用CATIA軟件零件設(shè)計(jì)模塊，對(duì)長(zhǎng)方體計(jì)算域建模，通過盒體使該長(zhǎng)方體中空（去除前后兩個(gè)面）。用裝配設(shè)計(jì)模塊，將CRH3頭車模型通過接觸約束與鋼軌裝配，該裝配體再通過接觸約束定位于計(jì)算域中空長(zhǎng)方體“內(nèi)壁”的適當(dāng)位置。

2 仿真分析

列車空氣動(dòng)力學(xué)[8-9]研究方法主要有模型模擬試驗(yàn)（風(fēng)洞、動(dòng)模型）、數(shù)值模擬計(jì)算[10]（CFD）、實(shí)車路試3種[11]，文章采用CFD方法。為便于快速計(jì)算，且不失其主要物理特征，建模時(shí)已合理簡(jiǎn)化列車細(xì)小結(jié)構(gòu)。該仿真分析必須跟理論分析及實(shí)車實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)照。

2.1 FFC性能

無縫集成于CATIA的FFC（Fluent for CATIA）流動(dòng)分析插件，其控制方程為Navier—Stokes方程[12]；FFC能在單機(jī)Win10系統(tǒng)下完成車體三維流場(chǎng)的模擬，其快速計(jì)算能力在列車三維流場(chǎng)計(jì)算中具有很大優(yōu)勢(shì)，不但大大提高了計(jì)算效率，節(jié)約了計(jì)算成本，而且建模、分析的一體化可使數(shù)值模擬操作過程便捷、直觀。

2.2 仿真計(jì)算

FFC分析包括：流體提取、網(wǎng)格劃分、流體模擬、后處理等。

（1）流體流量提取

接1.2裝配體環(huán)境，選[開始]-[分析與模擬]--[Fluent for CATIA V5]，切換至流體分析環(huán)境。在分析管理器（Analysis Manager）目錄樹中進(jìn)行幾何定義（Geometry Definition），選幾何體對(duì)稱（Geometry Symmetry）前復(fù)選框并在模型中選中對(duì)稱平面，幾何定義內(nèi)選項(xiàng)為實(shí)體模型（solid model），進(jìn)口inlet、出口outlet分別選前、后出口薄壁截面1face、1face；則流體被提取，如圖3；再為流體指定材料Air。

（2）網(wǎng)格劃分

目錄樹中，通過滑動(dòng)速度與精度欄調(diào)整網(wǎng)格大?。▎卧獢?shù)）。該例中，因模型尺寸較大，受計(jì)算機(jī)容量（以免內(nèi)存不足）因素的限制，F(xiàn)FC在默認(rèn)的中等網(wǎng)格條件下收斂條件相對(duì)較高，網(wǎng)格級(jí)別為調(diào)粗（Coarse），采用四面體網(wǎng)格，暫不進(jìn)行車體區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化[13]及邊界層網(wǎng)格設(shè)置。模擬計(jì)算之初，F(xiàn)FC也可自動(dòng)生成用于CFD模擬的網(wǎng)格。

（3）物理定義

動(dòng)車組模擬運(yùn)行中，空氣按穩(wěn)態(tài)湍流（Turbu?lent），湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型[14]；穩(wěn)態(tài)流動(dòng)中空氣按不可壓縮流體處理。在目錄樹的物理模型定義（Physics Model Definition）對(duì)話框中設(shè)置。

（4）流體模擬

通過工具按鈕，分別設(shè)定進(jìn)、出口條件即可運(yùn)行工程計(jì)算[15-18]。文章構(gòu)建的數(shù)值風(fēng)洞中，入口邊界條件Inlet Boundary（FluidInlet.1_1）.2為速度（Ve?locity），即反向車速83.3 m/s （300k m/h）；出口邊界條件Outlet Boundary（FluidOutlet.1_1）.3為靜壓（Gauge Pressure），即0 N/m 2 。

（5）計(jì)算結(jié)果

計(jì)算完成后，選壓力節(jié)點(diǎn)值（Pressure nodal val?ues）項(xiàng)，則生成車體縱向?qū)ΨQ面上的壓力云圖，如圖4。值得一說的是，對(duì)模型局部結(jié)構(gòu)（排障器、車頂及車后棱角結(jié)構(gòu)）改變后FFC流體工程計(jì)算自動(dòng)進(jìn)行，勿需重建工程，這提高了Fluent流體仿真的效率。

可見，CRH3動(dòng)車組以300 km/h運(yùn)行中，迎面的靜止氣流被排開，頭部氣流被壓形成正壓區(qū)（壓力梯度較大）從而也對(duì)車體表面產(chǎn)生壓力，頭車各部位的壓力梯度最大處所均位于曲率變化較明顯的地方，同時(shí)曲率變化不明顯的位置壓力梯度較小；車鼻處紅色顯示的為壓力中心區(qū)，正壓力最大，最大值為4 220 N/m 2 。

2.3 車體結(jié)構(gòu)倒圓角后的壓力云圖

在車模的頭部已流線型化的基礎(chǔ)上，對(duì)車頂、排障器等結(jié)構(gòu)倒圓角，再查看壓力云圖，則系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行該流體工程計(jì)算，結(jié)果如圖5。可見，倒圓角后的壓力分布更優(yōu)，車鼻處壓力最大，最大正壓力由4 220 N/m 2 減至4 150 N/m 2 ，說明車體棱角結(jié)構(gòu)光順也有助于減小車鼻處表面壓力[19]。

2.4 不同速度下CRH3頭車車鼻處最大正壓力分析

取 CRH3 車速 150～300 km/h（間隔 50 km/h）。以各車速（83.3 m/s、69.4 m/s、55.6 m/s、41.7 m/s）為入口（出口取靜壓），分別計(jì)算，可得各自壓力云圖，如圖6（截取車鼻及數(shù)據(jù)區(qū)）。

由圖6可見，CRH3頭車車鼻附近相同位置的壓力值，車速為 300 km/h 的 P 300 明顯大于車速為250km/h 的壓力值P 250 ；同理，P 250 >P 200 >P 150 ；故，P 300 >P 250 >P 200 >P 150 。

由圖6可得頭車壓力云圖中車鼻處最大值與車速的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見表1。

由表1可見不同車速的車鼻處最大正壓力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，車速為 300 km/h 的最大正壓力與車速為250 km/h的最大正壓力之比為 1.416，對(duì)應(yīng)車速平方比為1.440，兩者近似相等（等于 1.4）；類似地，1.544 與1.563、1.771 與 1.777，三對(duì)數(shù)據(jù)都分別近似相等。所以，CRH3頭車車體表面最大正壓力與車速的平方成正比關(guān)系[20]。即若P 1 /P 2 =（v 1 /v 2 ） 2 、P 2 /P 3 =（v 2 /v 3 ） 2 、P 3 /P 4 =（v 3 /v 4 ） 2 ，則有 P 1 /v 1 2 = P 2 /v 2 2 = P 3 /v 3 2 = P 4 /v 4 2 。同理可得CRH3頭車車體表面最大負(fù)壓力與車速的平方也成正比關(guān)系。

3 結(jié)語

文章應(yīng)用FFC軟件，首先對(duì)車速為300 km/h的CRH3動(dòng)車組頭車周圍壓力場(chǎng)及車體表面壓力分布進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。通過分析得知，頭車各部位的壓力梯度最大位置均在其幾何曲率變化較明顯的地方，表面壓力的壓力梯度隨車體幾何曲率的增加而增加，曲率的變化越平緩，壓力梯度也越小；車鼻處正壓力最大，最大值為4 220 N/m 2 ；其次，對(duì)排障器、車頂及車后棱角結(jié)構(gòu)倒圓角后進(jìn)行模擬計(jì)算，相比倒圓角前，車鼻處最大正壓力減小，最大值為4150N/m 2 ；同時(shí)，在流線型車頭幾何基礎(chǔ)上，車體棱角結(jié)構(gòu)倒圓角，可有效改善車體周圍流場(chǎng)及車體表面壓力分布；再次，對(duì)150 km/h、200 km/h 、250 km/h、300 km/h這4種車速下的CRH3動(dòng)車組頭車車體表面壓力分別進(jìn)行模擬計(jì)算，研究不同車速下頭車周圍壓力場(chǎng)及車體表面壓力分布，得知CRH3頭車車體表面最大正壓力絕對(duì)值與車速的平方成正比，表面壓力值隨車速的提高而增大，高速度是可能導(dǎo)致車鼻等處局部結(jié)構(gòu)疲勞的要素。

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FFC Simulation Analysis of Pressure Field in CRH3 Head Train

YANG Min

（School of Civil and Transportation Engineering，Qinghai Minzu University，Xining Qinghai 810007，China）

Abstract：：To study the aerodynamic characteristics of CRH3 high-speed trains，prevent local structural fatigue of the vehicle body， ensure the safety of train operation，the fluid simulation analysis of the pressure field around the head of CRH3 high-speed train and the surface pressure of the vehicle body was carried out by using FFC（Fluent for CATIA）software. The results indicate that the pressure gradient of the surface pressure on various parts of the head car body increases with the increase of the geometric curvature of the body， the maximum pressure is at the nose of the train; after rounding the corners of the obstacle catcher， roof， and rear edge structure，the maximum posi?tive pressure has decreased from 4 220 N/m 2 to 4 150 N/m 2 .Under different speed， the pressure value on the surface of the vehicle body increases with the increase of vehicle speed， the absolute value of maximum pressure is directly proportional to the square of the vehicle speed. Conclusion：The angular smooth structure can effectively improve the flow field around the car body and the pressure distribution on the body surface， and reduce the pressure level at the nose. High speed is a factor that may cause local structural fatigue in areas such as the nose of the car.

Key words：：Fluent for CATIA; motor train; pressure field; numerical simulation