摘 要

现如今动车、高铁、地铁等轨道列车已经在我们的日常生活中非常的普及。与此同时，人们对出行安全与速度的各方面要求也在不断的提高。而优良的轨道机车空气动力学特性，是保证轨道机车安全性，稳定性和舒适性等的基本前提，甚至可以降低轨道机车行驶中的能源消耗并且改善轨道机车的车身的外观。

轨道机车的流线外形等设计对于求得较好的空气动力学性能有着非常重要而又深远的意义，在国际轨道机车市场竞争层面越来越重视机车本体的性能。本论文通过用CFD系列软件来着重分析轨道机车外流场对机车提速等方面的重要作用。CFD相较于传统的物理实验方法，有着节约研究成本、提高研究效率和不受环境干扰的明显优势。同时，计算机辅助可以使历时很短的物理试验以色彩和图像动画等更直观的方式表现出来，便于观察研究。CFD应用于轨道机车设计的研究对新车型的设计和优化有着重要的意义。通过这样的一个计算的过程呢我们可以求得很多很多的基本的物理量，（好比如压力、速度、温度等等）在流场中的不同的地方的分布，以及数值物理量与时间之间的关系。

本课题中,通过Pro.e软件建立起简化后的轨道机车模型。充分利用软件了Workbench确定计算域范围是简单的一个长方体值域。一并采用了ICEM 软件划分网格，同时也使用FLUENT对轨道机车进行运行仿真。利用专门后处理软件对结果进行深度的检测测析。以CRH380高铁车组为对象进行，通过C语言将之转化为计算机语言，设计出一个简单有效的程序，能够快速的得到相应的目标结果，与人工计算进行比较，为以后的地铁车组关于制动距离、能耗等实际情况提供基础数据的来源。得出数值速度的分布图、轨道机车流场仿真图和轨道机车的压力分布图。从对结果的探讨，对高铁车组设计进行估计性的优化。比如采用何种措施减小空气阻力来提高高铁运行速度和节省能源消耗。对CRH380高速列车进行分析，对其系列的性能进行评估与展望。本文要首先了解列车模拟计算的整个步骤，然后一步一步学会软件的操作使用。最后进行不断的参数的数据调整，最后得出一个最佳的结果，譬如高质量的网格划分，以及精确的收敛图。

关键词: 空气动力学 轨道机车 CFD FLUENT 数值的仿真

Application of CFD in Railway Train Design

ABSTRACT

Rail trains, high-speed trains, subways and other rail trains are now very popular in our daily lives. At the same time, people’s requirements for travel safety and speed are constantly increasing. The excellent aerodynamic characteristics of rail locomotives is the basic premise of guaranteeing the safety, stability and comfort of locomotive locomotives. It can even reduce the energy consumption during the running of rail locomotives and improve the appearance of the body of rail locomotives.

The design of the streamline shape of the rail locomotive has very important and far-reaching significance for obtaining better aerodynamic performance. The performance of the locomotive body is more and more emphasized in the international track locomotive market competition level. This paper uses CFD series software to analyze the important role of locomotive external flow field on locomotive speed increase. Compared with traditional physical experiment methods, CFD has the obvious advantages of saving research costs, improving research efficiency, and being free from environmental interference. At the same time, computer aids can make physical experiments that take a very short period of time appear in more intuitive ways, such as color and image animation, to facilitate observation and research. The application of CFD in the design of rail locomotives is of great significance for the design and optimization of new models. Through this calculation process, we can obtain the distribution of many basic physical quantities (such as speed, pressure, temperature, etc.) in different places in the flow field, and the relationship between physical quantities and time.

In this topic, a simplified rail locomotive model is built using Pro.e software. Using the Workbench to determine the scope of the calculation domain is a simple rectangular solid. Use ICEM to divide the grid and use FLUENT to simulate the locomotives. Use special post-processing software to analyze the results. The CRH380 high-speed railcar group was used as the object, and it was converted into a computer language through C language. A simple and effective program was designed to quickly obtain the corresponding target result, which was compared with the manual calculation and used for the subsequent subway trains. Actual conditions such as distance and energy consumption provide the source of basic data. The speed distribution map, flow field simulation map and pressure distribution map are obtained. From the discussion of the results, the design of high-speed trains is optimized. For example, what measures are taken to reduce the air resistance to increase the speed of high-speed rail and save energy consumption. Analyze the CRH380 high-speed train and evaluate its performance. This article should first understand the entire process of train simulation calculations, and then learn how to use the software step by step. Finally, constant adjustments are made to the parameters to obtain the best results, such as high-quality grids and accurate convergence graphs.

Keywords: orbital locomotive;CFD;FLUENT;aerodynamics;numerical simulation

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2轨道机车空气动力学介绍 1

1.3轨道机车空气动力学研究方法的发展 4

1.4论文主要工作 5

第二章 计算流体力学基础 7

2.1CFD数值模拟技术总体上由三个分支组成： 7

2.2.1流体的连续介质模型 7

2.2.2流体的性质 7

2.2.3 流体运动的描述 8

2.2 CFD基本方程 10

2.2.1纳维尔-斯托克斯方程组 10

2.2.2连续方程 12

2.2.3流体力学的动量方程 13

2.2.4流体力学的能量方程 13

2.3计算流体力学常用的数值计算方法比较 13

第三章 高速列车CFD建模及数值模拟 15

3.1引言 15

3.2建模分析 15

3.3利用Gambit建模及网格划分 18

3.3.1建立车体模型 18

3.3.2计算域的确定 20

3.3.2计算区域网格划分 21

3.3.3前处理器的选择 23

3.3.4 划分网格 24

第四章 高速列车CFD计算实例 25

4.1 引言 25

4.2 Fluent软件求解器设置 25

4.2.1模型导入与网格质量检查 25

4.2.2选择求解器类型 26

4.2.3选择湍流计算模型 27

4.2.4定义流体介质 27

4.2.5设置求解控制参数 28

4.3 Fluent求解过程 28

4.4 Fluent计算结果后处理 29

4.4.1列车外流场的压力特性 29

4.4.2列车外流场的速度特性 31

4.5列车的尾流特性 32

4.6 总结 33

第五章 总结与展望 34

5.1总结与展望 34

5.2致谢 34

第一章 绪论

1.1引言

多年来，随着社会和科技生产力的发展进步，利用轨道交通出行已经非常普及，在人们的生活、旅游、运输中得到了广泛使用。同时，轨道交通在整个社会的性能方面要求也在随着大众生活水平的不断提高而提升。而优良的轨道机车空气动力学性能，是保证轨道机车在行驶时兼有动力性、安全性、稳定性、舒适性、环境友好性的基本前提，甚至可以降低轨道机车行驶中的能源消耗量，影响轨道机车车身的外观等。
风洞试验相对于比较传统的其中一种轨道机车空气动力学研究方法。这是通过在风洞中安置轨道机车模型，从而通过气体流动和轨道机车模型之间的相互作用来研究轨道机车的空气动力学特性。然而，这种方法也有一定的局限性，包括支撑模型支架的气流干扰，轨道机车模型和风洞的制造成本过高，制造时间过长，甚至在一定情况下根本无法达成风洞试验硬件设施条件。

近些年来，越来越多的研究机构和实验室开始采用更为经济的Computational Fluid Dynamics软件对机车进行流体分析,中文简称CFD，同时它在轨道机车动力学中的基础运用也是极其广泛。随着计算机的性能和湍流理论的不断提高以及轨道机车计算流体动力学不断改进其理论和方法，使得其更方便于应用。CFD能借助于计算机对轨道机车外流场等进行现实实际情况的计算，从而得出最接近现实的结果数据。我们使用其模拟的虚拟实验环境，然后求取我们需要的物理量，因此这是一种很实用的新的研究方法。其中最重要的就是研究轨道机车空气动力学。为了满足人们的出行需求，必须要提高轨道机车的运行速度，因为轨道机车是载客量最多的地面运输交通设备。必须要先减小空气阻力，否则空气阻力会使得机车运行速度降低。国内外都经常出现的列车脱轨事件，列车“飘”起来的事故，很多人已经把目光投向列车运行安全问题上。要让列车运行的更加安全，必须要研究与之相关的原由。各种相关力都制约着列车的运行状况，必须要一一研究。另外一个必不可少的方面是对外流场的深入研究。

1.2列车空气动力学介绍

空气动力学是用来研究力与力之间的规律。具体来说，就是列车在运动的时候，其与周边的空气进行摩擦，在这两者之间产生了一定的关于力的关系式。这种相对运动显然是有一定规律可循的。列车有自己的受力规律。气体有一定的流动特征。但是列车空气动力学(Railway Train Aerodynamic)不管是在理论还是实际应用都比空气动力学更具体，内容更全，并在多年的发展中已经成为空气动力学中一个很重要的又独立的一个部分，它是以流体力学为基石，并且伴随着航空工业、飞机飞行推进技术的技术水平的提高而形成的一个学科。列车空气动力学的相关力有：

列车运行时其受力可以分为六个分力：阻力，升力，侧向力，横摆气动力矩，纵倾气动力矩和侧倾气动力矩，其中对列车空气动力学性能影响较大的是气动阻力，气动升力。对这两个分力的分析和研究，与列车速度、压力、安全性能等都有很大关系[1]。

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