一种多列车编组的车致隧道气动效应的三维数值模拟方法技术

本发明专利技术涉及流体数值模拟建模领域，具体为一种多列车编组的车致隧道气动效应的三维数值模拟方法，包括以下具体步骤：S1、建立全尺寸多编组列车及铁路隧道的三维几何模型；S2、设置计算域并网格划分，分别建立包括隧道结构的背景计算域和包括多编组列车的前景计算域，并对各部命名；S3、将隧道及列车计算网格模型分别导入基于有限体积法的fluent中；S4、进行高速列车车致脉动风压数值仿真计算；S5、将仿真结果与实验数据对比。本发明专利技术提供的方法在保证计算精度的同时，降低了多列车编组数值模拟对计算机性能的要求，有益于优化铁路结构设计。有益于优化铁路结构设计。有益于优化铁路结构设计。

【技术实现步骤摘要】
一种多列车编组的车致隧道气动效应的三维数值模拟方法


[0001]本专利技术涉及流体数值模拟建模领域，具体为一种多列车编组的车致隧道气动效应的三维数值模拟方法。

技术介绍

[0002]高速铁路列车空气动力现象与列车速度和运行环境密切相关，列车在空气中高速运行，使列车周围空气产生强烈的扰动，扰动的空气会对列车周围环境产生一定的负面影响。目前复兴号中国标准动车组实现时速350km/h的商业运营，智能型动车组实现时速350km/h自动驾驶，铁路大功率机车、重载车辆以及通信信号等装备水平大幅提升，推动时速400km/h级及以上高速铁路关键技术成为进一步发展的趋势，相应地高速列车空气动力学问题变得更加重要。
[0003]为减小计算域，降低网格生成数量，提高计算效率，现有的数值风洞试验技术多将长列车编组的高速列车简化为3节高速列车研究列车引起的空气动力问题，但对某些情况是不适用的，尤其对于高速列车引起的隧道空气动力问题，隧道压力波受列车长度的影响较大，传统简化数值模拟方法得到的数值结果存在一定的误差。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的是针对
技术介绍
中存在的问题，提出一种能解决现有技术中由于计算域大以及网格数量多而导致计算效率较低问题的多列车编组的车致隧道气动效应的三维数值模拟方法。
[0005]本专利技术的技术方案：一种多列车编组的车致隧道气动效应的三维数值模拟方法，包括以下具体步骤：
[0006]S1、使用三维建模软件建立全尺寸多编组列车及铁路隧道的三维几何模型；
[0007]S2、设置计算域并网格划分，计算模型的尺寸与实际尺寸相同，分别建立包括隧道结构的背景计算域和包括多编组列车的前景计算域，并对各部命名；其中，隧道结构的背景计算域包括隧道结构内部空气域及进出口外侧的部分空气域；多编组列车的前景计算域包括多编组列车及其周围的空气域；
[0008]S3、将隧道及列车计算网格模型分别导入基于有限体积法的fluent中，检查网格质量，设定求解模型、边界条件及移动网格方式，并布置相关测点，定义各项残差及测点动态压力监视器；
[0009]S4、调整计算时间步长、时间步数和迭代次数，进行高速列车车致脉动风压数值仿真计算；
[0010]S5、将仿真结果与实验数据对比验证数值方法的准确性，
[0011]若误差在设定范围内，则认定模型正确，
[0012]若误差不在设定范围内，则返回S2，重新调整网格计算。
[0013]优选的，在S2中将列车及其周边空气域以及隧道内部空气域网格加密，将远离部
分的空气域网格密度粗化处理。
[0014]优选的，S2中计算域离散化的网格类型时，车体表面第一层网格厚度设为0.001m，增长率设为1.1。
[0015]优选的，S3中分别导入的隧道及列车计算网格模型部分重叠，其列头与隧道入口的相对位置为60m。
[0016]优选的，S3中查看网格质量的方法为，检查是否存在负体积网格；
[0017]若存在，则执行S2，重新调整网格；
[0018]若不存在，则继续执行S4。
[0019]优选的，S3中采用非定常、粘性、可压缩N
‑
S方程和SSTκ
‑
ω湍流模型模拟高速列车进入隧道的过程，出入口处的计算域边界分别设为压力出口边界和压力远场边界，列车、地面和隧道壁面均设为无滑移壁面条件，采用压力
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速度耦合方案求解；其中，扩散项使用二阶中心差分格式；对流项采用二阶迎离散格式；瞬态方程采用一阶隐式格式。
[0020]优选的，S3中采用重叠网格法完成列车移动形式的设置，将前景计算域设置为Mesh Motion形式，并在列车移动的方向进行速度设置；
[0021]设置前景计算域外边界为overset类型以实现数据交换，并进行计算初始化，以使得前景与背景网格重叠化。
[0022]优选的，S4中计算的时间步长应满足单个时间步长内列车运行的距离不应超过隧道长度方向的网格长度用于捕捉压力峰值，即满足CFL数应小于1的要求；
[0023]其中，CFL数的表达式为：
[0024]Δx表示隧道沿列车运行方向的网格尺寸；Δt表示时间步长；U表示列车速度。
[0025]优选的，S5中分析隧道内的测点风压曲线并与试验数据进行对比，若仿真程曲线与实测曲线的形式相同且最大风压值误差小于5％，则认定模型正确。
[0026]与现有技术相比，本专利技术的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
[0027]本专利技术提供的多列车编组的车致隧道气动效应的三维数值模拟方法作简单，易于掌握，计算域离散化的网格类型可以根据模型几何特性灵活选择；本专利技术提供的技术方案中分别建立隧道结构的静态“背景”计算域和多编组列车的动态“前景”计算域，可以有效降低建模的难度，同时多种类型的列车与隧道模型可以随机组合，将“背景”计算域与“前景”计算域采用非完全重合的组合方式，在保证计算精度的同时，可以大大降低网格生成的数量，提高计算效率，提高工作效率，实现了一种模型多次使用的目的，值得推广。
附图说明
[0028]图1为本专利技术提出的一种实施例的流程图。
[0029]图2为实验例中根据计算域总体布局及边界条件建立的三维几何模型图。
[0030]图3为实验例中列车与隧道初始相对位置的结构示意图。
[0031]图4为实验例中横断面网格示意图。
[0032]图5为实验例中纵断面网格示意图。
[0033]图6为实验例中实测结果与仿真结果对比图。
具体实施方式
[0034]实施例一
[0035]如图1所示，本专利技术提出的一种多列车编组的车致隧道气动效应的三维数值模拟方法，包括包括以下具体步骤：
[0036]S1、使用三维建模软件建立全尺寸多编组列车及铁路隧道的三维几何模型；其中，三维建模软件选用SolidWorks；在进行多编组列车及铁路隧道的三维几何模型建立时，忽略列车表面受电弓、车轮及转向架等突出物，仅考虑其主要外形轮廓；忽略隧道内的轨道结构及其他附属结构，仅考虑隧道的主要内部几何形状；
[0037]S2、设置计算域并网格划分，计算模型的尺寸与实际尺寸相同，分别建立包括隧道结构的背景计算域和包括多编组列车的前景计算域，并对各部命名；
[0038]为降低网格数量并提高计算效率，将列车及其周边空气域以及隧道内部空气域网格加密，将远离部分的空气域网格密度粗化处理；
[0039]其中，隧道结构的背景计算域包括隧道结构内部空气域及进出口外侧的部分空气域，模拟列车进、出隧道的过渡过程，其在计算过程中为静态；多编组列车的前景计算域包括多编组列车及其周围的空气域，其在计算过程中为动态；
[0040]进一步的，计算域离散化的网格类型时，车体表面第一层网格厚度设为0.001m，增长率设为1.1；
[0041]S3、将隧道及列车计算网格模型分别导入基于有限体积法的fluent中，检查本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多列车编组的车致隧道气动效应的三维数值模拟方法，其特征在于，包括以下具体步骤：S1、使用三维建模软件建立全尺寸多编组列车及铁路隧道的三维几何模型；S2、设置计算域并网格划分，计算模型的尺寸与实际尺寸相同，分别建立包括隧道结构的背景计算域和包括多编组列车的前景计算域；其中，隧道结构的背景计算域包括隧道结构内部空气域及进出口外侧的部分空气域；多编组列车的前景计算域包括多编组列车及其周围的空气域；S3、将隧道及列车计算网格模型分别导入基于有限体积法的fluent中，检查网格质量，设定求解模型、边界条件及移动网格方式，并布置相关测点，定义各项残差及测点动态压力监视器；S4、调整计算时间步长、时间步数和迭代次数，进行高速列车车致脉动风压数值仿真计算；S5、将仿真结果与实验数据对比验证数值方法的准确性，若误差在设定范围内，则认定模型正确，若误差不在设定范围内，则返回S2，重新调整网格计算。2.根据权利要求1所述的一种多列车编组的车致隧道气动效应的三维数值模拟方法，其特征在于，在S2中将列车及其周边空气域以及隧道内部空气域网格加密，将远离部分的空气域网格密度粗化处理。3.根据权利要求1所述的一种多列车编组的车致隧道气动效应的三维数值模拟方法，其特征在于，S2中计算域离散化的网格类型时，车体表面第一层网格厚度设为0.001m，增长率设为1.1。4.根据权利要求1所述的一种多列车编组的车致隧道气动效应的三维数值模拟方法，其特征在于，S3中分别导入的隧道及列车计算网格模型部分重叠，其列头与隧道入口的相对位置为60m。5.根据权利要求1所述的一种多列车编组的车致隧道气动效应的三维数值模拟方法，其特征在于，S3中查看网格质量的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：李小珍，邱晓为，郑净，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：