摘要：本文以高速列車車頭和單組車身模型為研究對象，使用安世亞太自主研發的通用流體仿真軟件PERA SIM Fluid進行建模和仿真，研究其明線運行時的氣動特性，并與成熟商用CFD軟件對比，驗證了PERA SIM Fluid的高精度和可靠性。

關鍵詞：高速列車；氣動特性；PERA SIM Fluid

0 引 言

列車氣動阻力與列車速度二次方成正比，隨著列車運行速度的提高，氣動阻力在總阻力中的占比增加，當列車時速超過250公里時，氣動阻力占總阻力的75%~80%，同時氣動阻力特性關系到列車節能環保能力，還是選擇合理配置牽引動力裝置的基本參數之一。

氣動阻力由壓差阻力和摩擦阻力組成，摩擦阻力是指列車運行時黏性切應力沿列車運動反方向形成的合力；壓差阻力是指列車表面壓力沿列車運行反方向形成的合力。

列車相關阻力的計算，一直以來人們都沿用“戴維斯公式”：

式中：R為總阻力；V為相對靜止空氣的速度；A為滾動機械阻力；B1為其他機械阻力；B2為空氣動量阻力；最后一項為列車所受外部氣動阻力，系數C的計算公式為：

式中：ρ為空氣密度；S為列車迎風面積；Cd為阻力系數。

通過數值模擬方法可以計算出列車所受的空氣阻力Fd，基于上述參數可得阻力系數的計算公式：

本文采用安世亞太自主研發的通用流體仿真軟件PERA SIM Fluid對列車單組車廂的氣動性能進行了仿真分析。

1. 高度列車氣動阻力仿真模型的建立

1.1 幾何模型處理

本文選取的列車模型包含車體和轉向架系統，有大量微小的復雜結構，PERA SIM Fluid具有豐富了幾何模型處理功能，可以自動識別特征，進行快速修復，包括縫合、去特征、交叉、補洞、創建/合并/分割線面、壓印、拉伸面等，還可以建立模型的內外流場空間。

列車截面寬3.53m，高3.98m，總長約31.47m，采用實體建模功能建立長方體風洞，并將入口、出口、底面、車體、轉向架表面分組。

圖1  列車幾何模型

圖2  風洞模型及邊界

1.2 網格劃分

PERA SIM Fluid提供了兩種網格劃分方法：一種是基于拓撲的網格劃分，一種是包面網格劃分?？紤]到列車模型的復雜性，存在很多交叉、重疊、無用的小孔，選用包面網格技術，進行封閉表面的抽取。

全局網格尺寸最大值為2m，最小值為0.005m，車身表面網格最大值為0.05m，曲率法向角為20°，車體和底面生成3層邊界層，第一層網格高度為0.001m；包面網格間隙填充容差0.01m，小于該容差值自動作為閉合處理；采用接觸捕捉功能自動識別距離相近或相交的面，并加密該位置的網格。

圖3  網格參數設置

在車身附近和尾跡區采用密度盒進行網格加密，生成多面體加邊界層網格約634萬。

圖4 整體網格

圖5 轉向架區域表面網格和體網格

1.3 材料及邊界條件設置

列車運行馬赫數較小，采用不可壓縮流動假設，密度為常數1.177 kg/m3，粘度值為1.854e-5 Pa*s。

圖6 材料屬性定義

各邊界條件的定義：

入口風速83.3 m/s，出口相對壓力0Pa，頂面和兩側面為滑移壁面，車身、轉向架壁面和地面為無滑移壁面。

圖7 邊界條件設置界面

1.4 物理模型及求解器設置

湍流模型使用SST k-ω模型；壓力速度耦合算法選擇SIMPLE，對流項空間離散格式選擇MUSCLPLUS格式；收斂的殘差標準默認10e-3；采用標準初始化方法，初始速度和壓力均為0；創建阻力和阻力系數監測。

圖8 湍流模型設置界面

圖9 求解器設置界面

2.計算結果分析

計算迭代500步之后趨于穩定。

圖10 收斂曲線

將PERA SIM Fluid計算結果與成熟商用CFD軟件計算結果對比，兩款軟件計算的流場分布趨勢基本一致，總阻力偏差約為2.78%。

表1 計算結果對比

PERA SIM Fluid提供了豐富的后處理工具，可以創建切面/切片、等值面、云圖、矢量圖、流線圖、曲線、圖表、動畫等圖形對象，還具有場變量積分運算功能。

流線：

截面速度場對比：

表面壓力場對比：

3.結論

本文基于PERA SIM Fluid通用流體分析軟件，分析了高速列車的氣動特性，實現了幾何模型處理、網格劃分、材料參數設置、模型和邊界條件設置、求解設置、計算以及結果后處理的完整分析流程，驗證了PERA SIM Fluid強大的前后處理功能以及求解器穩健快速的收斂特性，并與成熟的商用CFD軟件計算結果對比，流場結果分布基本一致，氣動阻力的相對偏差小于3%，計算精度高。

作者：沈陽安世亞太科技有限公司 王鑫鑫