CN109992890B - 高速列车-龙卷风的耦合模型及耦合计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速列车‑龙卷风的耦合模型及耦合计算方法，该模型包括矩形计算域以及高速列车模型；矩形计算域顶部面和四周面设为压力入口；矩形计算域的中心构建有龙卷风发生装置，龙卷风发生装置的出流区域的顶部设为压力出口；矩形计算域的底部和龙卷风发生装置的出流区域外部设为非滑移壁面；龙卷风发生装置的下部开设有供高速列车模型通过的径向通孔，且沿矩形计算域的长度方向的下部中心线上设置有供高速列车模型通过的移动区域。本发明构建了真实的列车模型，考虑到了列车外形的重要性，并通过实现了高速列车与龙卷风之间的绝对运动；能实时监测列车通过龙卷风过程中气动力的变化。

Description

高速列车-龙卷风的耦合模型及耦合计算方法
技术领域
本发明涉及高速列车领域，尤其涉及一种高速列车-龙卷风的耦合模型及耦合计算方法。
背景技术
如何数值模拟高速列车通过龙卷风的过程，一直是一个难题。其困难在于，普遍的龙卷风数值生成方法是通过模拟实验室龙卷风发生装置产生龙卷风风场，而导流板是龙卷风发生装置特别重要的部分，能够影响龙卷风的切向速度，从而改变整个龙卷风风场的强度。首先，导流板的位置对于高速列车通过龙卷风发生装置有着直接影响。大多数实验室龙卷风发生装置是将导流板置于底部，而列车与龙卷风之间存在绝对运动，导流板阻碍了列车通过龙卷风。其次，导流板本身会对列车附近流场产生干扰，产生壁面效应，类似于列车进入隧道瞬间。
目前研究龙卷风与列车之间相互作用的方法主要有两种，第一种为理论模型，通过研究龙卷风风场特性建立起理论模型，从而能够推导出风场内任意一点的压力和风速，再利用列车与龙卷风之间相对运动的关系，计算出高速列车在龙卷风影响下的气动力，但是这种方法存在缺陷：在理论模型中，列车和龙卷风风场的构建较为理想化，尤其是没有考虑到列车的外形，而在实际过程中，尤其是恶劣风(含龙卷风等)环境下，列车外形对气动力和列车附近流场影响特别大。
第二种方法为实验方法：该方法只适用于导流板置于顶端的龙卷风发生装置(ISU型龙卷风发生装置)，该实验方法实现了列车通过龙卷风，并且避免了导流板装置对列车流场的影响，但是也存在以下缺陷：
(1)由于列车模型运动的平面是ISU型龙卷风发生装置底部平面，而不是列车动模型常用的轨道，因此在该实验方法中并没有采用列车动模型常规的弹射装置作为动力装置，而是让列车从一定高度下的半圆形滑道开始自由运动，列车运动速度会受到滑道面上摩擦阻力的影响，从而让列车速度越来越小，最终导致实验结果测量不准；
(2)实验方法中，无法测量列车在龙卷风作用下气动力，只能测得阻力和列车表面压力，而龙卷风对高速列车阻力影响较小。
目前来说研究龙卷风与列车之间相互作用的方法较少，且多是基于实验或理论方法，尚没有利用数值模拟方法研究高速列车与龙卷风之间相互作用的关系。
发明内容
本发明提供了一种高速列车-龙卷风的耦合模型及耦合计算方法，用以解决现有的龙卷风与列车之间相互作用的方法测量结果不准确以及未考虑列车外形的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种高速列车-龙卷风的耦合模型，包括矩形计算域以及高速列车模型；
矩形计算域顶部面和四周面设为压力入口(Pressure-inlet)；
矩形计算域的中心构建有龙卷风发生装置，龙卷风发生装置的出流区域(convergent region)的顶部设为压力出口(Pressure-out)；
矩形计算域的底部和龙卷风发生装置的出流区域外部设为非滑移壁面；(non-slip walls)；
龙卷风发生装置的下部开设有供高速列车模型通过的径向通孔，且沿矩形计算域的长度方向的下部中心线上设置有供高速列车模型通过的移动区域。
优选地，龙卷风发生装置，包括：入流区域、出流区域和导流板，出流区域和入流区域均为圆筒型，出流区域设置在入流区域的上部且出流区域的圆筒直径小于入流区域的圆筒直径，入流区域的外部沿圆周呈收敛型设置有多个导流板；
将龙卷风发生装置的出流区域设置为负压，负压驱动空气沿导流板之间的间隙流入龙卷风发生装置的入流区域内，在入流区域内形成龙卷风，并从龙卷风发生装置的出流区域的顶部离开。
优选地，导流板与圆筒的切线的夹角为大于0°且小于90°范围内的任意值；导流板的长度大于5m，导流板的高度为≥10m；入流区域的直径与出流区域的直径的比值为4:0.2～3.5。
优选地，导流板与圆筒的切线的夹角为15°。
优选地，矩形计算域的高度为≥10m；矩形计算域的长度为≥250m；矩形计算域的宽度为≥60m，龙卷风发生装置的下部的径向通孔的截面尺寸为：宽7.5～9米，高5.5～6.5米。
优选地，压力出口的压力值为≤-1000Pa；压力入口的压力值为大气压力值。
本发明还提供一种高速列车-龙卷风的耦合计算方法，包括以下步骤：
构建如上述的高速列车-龙卷风的耦合模型，设置高速列车-龙卷风的耦合模型的压力和尺寸参数；
导入网格，将高速列车-龙卷风的耦合模型分为：包含列车的滑移网格区域，以及包含龙卷风发生装置且不包含列车的静止网格区域；进行网格离散；
将经网格离散后的耦合模型导入流体力学仿真软件，设置列车的平移速度，进行流体力学仿真；
得到各时间点对应的输出参数，输出参数包括：切向速度、轴向速度和径向速度，以及列车表面的压力。
优选地，根据输出参数，计算得到列车侧向力和列车升力，列车侧向力和列车升力的计算公式为：
Figure BDA0002015714350000031
其中，
Figure BDA0002015714350000032
分别是与列车表面垂直和相切的矢量，p是压力，τ是压力张量，Σ是面积，
Figure BDA0002015714350000033
为积分所得的力。
优选地，根据输出参数，计算得到列车的倾覆力，列车的倾覆力的计算公式为：
Figure BDA0002015714350000034
其中，
Figure BDA0002015714350000035
分别是与列车表面垂直和相切的矢量，
Figure BDA0002015714350000036
是对应的力臂，p是压力，τ是压力张量，Σ是面积，
Figure BDA0002015714350000037
为力矩。
优选地，根据输出参数，计算得到列车的倾覆力倾覆力矩系数，列车的倾覆力矩系数的计算公式为：
Figure BDA0002015714350000038
其中，Mx为力矩
Figure BDA0002015714350000039
在x方向的分量(即列车行驶方向)，ρ是空气密度，v是列车行驶速度，s0为列车横截面积，ht为列车高度。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明的高速列车-龙卷风的耦合模型，能模拟列车匀速通过龙卷风风场的场景，从而模拟列车在龙卷风作用下的气动力，便于采用数值方法研究高速列车与龙卷风之间相互作用的关系。
2、本发明的高速列车-龙卷风的耦合计算方法，不仅能够得到不同高度下的切向速度和径向速度的分布，而且可以通过设置不同的龙卷风参数，得到任意范围和强度的龙卷风风场，同时也能监测到风场内任意一点的速度和压力变化(压力和风速是衡量龙卷风风场特性的重要指标)；本发明中，构建了真实的列车模型，考虑到了列车外形的重要性，并通过滑移算法实现了高速列车与龙卷风之间的绝对运动；能实时监测列车通过龙卷风过程中气动力的变化。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的龙卷风发生装置的结构示意图；
图2是图1的俯视示意图；
图3是本发明优选实施例的龙卷风发生装置以及列车位置示意图；
图4是本发明优选实施例的龙卷风发生装置的俯视结构示意图；
图5是本发明优选实施例的高速列车-龙卷风的耦合模型的结构示意图；
图6是图5的另一角度示意图。
图中各标号表示：
1、压力入口；2、压力出口；3、非滑移壁面；4、径向通孔；5、列车；6、移动区域；7、矩形计算域；8、导流板；9、龙卷风发生装置；91、入流区域；92、出流区域。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参见图1、图2、图3、图4和图5，本发明的高速列车-龙卷风的耦合模型，包括矩形计算域以及高速列车模型；矩形计算域顶部面和四周面设为压力入口(Pressure-inlet)；矩形计算域的中心构建有龙卷风发生装置，龙卷风发生装置的出流区域(convergentregion)的顶部设为压力出口(Pressure-out)；矩形计算域的底部和龙卷风发生装置的出流区域外部设为非滑移壁面；(non-slip walls)；龙卷风发生装置的下部开设有供高速列车模型通过的径向通孔，且沿矩形计算域的长度方向的下部中心线上设置有供高速列车模型通过的移动区域。
采用上述结构，能模拟列车匀速通过龙卷风风场的场景，从而模拟列车在龙卷风作用下的气动力，便于采用数值方法研究高速列车与龙卷风之间相互作用的关系。
本实施例中，龙卷风发生装置包括：入流区域、出流区域和导流板，出流区域和入流区域均为圆筒型，出流区域设置在入流区域的上部且出流区域的圆筒直径小于入流区域的圆筒直径，入流区域的外部沿圆周呈收敛型设置有多个导流板。仿真或者工作时，将龙卷风发生装置的出流区域(顶端)设置为负压，由于龙卷风发生器装置内外压差影响(外部为正常大气压)，负压驱动空气沿导流板之间的间隙流入龙卷风发生装置的入流区域内，导流板使得空气在入流区域中逆时针旋转并在流入区域中形成龙卷风状涡流，并从龙卷风发生装置的出流区域的顶部离开。
实施时，导流板与圆筒的切线的夹角为大于0°且小于90°范围内的任意值(参见图4，本实施例中，夹角为15°)；导流板的长度大于5m(本实施例中为15m)，导流板的高度为≥10m(本实施例中为40m)；入流区域的直径与出流区域的直径的比值为4:0.2～3.5。本实施例中，参见图5，入流区域的直径为40m，出流区域的直径为20m。
实施时，矩形计算域的高度为≥10m(本实施例中为20m)；矩形计算域的长度为≥250m(本实施例中为400m)；矩形计算域的宽度为≥60m(本实施例中为60m)。龙卷风发生装置的下部的径向通孔的截面尺寸为：宽7.5～9米，高5.5～6.5米。该径向通孔的延升方向上如果有导流板，将相应的导流板部分切除，如果不切掉导流板的底部，列车无法穿过龙卷风发生装置，因此需要切除部分导流板，从而让列车可以穿过龙卷风发生装置。而导流板如果切掉太多，一定会影响龙卷风风场本身的结构，如果导流板切除太少，导流板过于靠近列车附件，会对列车附件的流场产生影响(类似列车进入隧道的瞬间，列车表面压力会产生改变，从而影响列车的力和力矩产)。
实施时，压力出口的压力值为≤-1000Pa(本实施例中为-2000Pa)；压力入口的压力值为大气压力值。用负压控制龙卷风强度的一个参数，不同强度龙卷风所对应的压力负值不同，一般来说≤-1000Pa,能产生足够大强度的龙卷风。
本实施例还提供一种高速列车-龙卷风的耦合计算方法，包括以下步骤：
构建如上述图5至图6的高速列车-龙卷风的耦合模型，设置高速列车-龙卷风的耦合模型的压力和尺寸参数；如：利用犀牛等软件将列车模型和龙卷风发生装置构建好。
导入网格，将高速列车-龙卷风的耦合模型分为：包含列车的滑移网格区域(moving domain)，以及包含龙卷风发生装置且不包含列车的静止网格区域(stationarydomain)；具体可采用ponitwise等专用网格软件实现。
进行网格离散。对于滑移网格区域：构建长方体包裹高速列车，列车和长方体之间进行网格离散，列车表面非结构化网格和结构化网格均可，然后设置附面层增长，将包含列车的滑块表面设置为交换面(interface)。对于静止网格区域：构建不包含车的静止网格区域(含龙卷风发生装置)，结构化和非结构化均可。
将经网格离散后的耦合模型导入流体力学仿真软件(Fluent等)，滑移网格区域设置为moving-mesh(动网格)，给与一定的平移速度，从而实现列车的移动；进行流体力学仿真；
得到各时间点对应的输出参数，输出参数包括：切向速度、轴向速度和径向速度，以及列车表面的压力。通过在流体计算软件设置，能够实时监测到列车的各个力和力矩的变化趋势。
然后，根据输出参数，计算得到列车侧向力和列车升力，列车侧向力和列车升力的计算公式为：
Figure BDA0002015714350000051
其中，
Figure BDA0002015714350000052
分别是与列车表面垂直和相切的矢量，p是压力，τ是压力张量，Σ是面积，
Figure BDA0002015714350000061
为积分所得的力。
优选地，根据输出参数，计算得到列车的倾覆力，列车的倾覆力的计算公式为：
Figure BDA0002015714350000062
其中，
Figure BDA0002015714350000063
分别是与列车表面垂直和相切的矢量，
Figure BDA0002015714350000064
是对应的力臂，p是压力，τ是压力张量，Σ是面积，
Figure BDA0002015714350000065
为力矩。
优选地，根据输出参数，计算得到列车的倾覆力倾覆力矩系数，列车的倾覆力矩系数的计算公式为：
Figure BDA0002015714350000066
其中，Mx为力矩
Figure BDA0002015714350000067
在x方向的分量(即列车行驶方向)，ρ是空气密度，v是列车行驶速度，s0为列车横截面积，ht为列车高度。
在仿真中，对于输入参数，龙卷风强度和入流区域的高度和直径、出流区域的直径、导流板的角度以及龙卷风发生装置顶部的pressure-out设置值有关，龙卷风风场范围和入流区域的直径有关；需根据龙卷风的强度和大小，设置好相应的龙卷风发生装置参数，再进行网格离散，最后在流体计算软件中导入龙卷风的静止区域网格；将龙卷风发生装置的静止区域导入流体计算软件后，将计算域的四周的pressure-inlet设置为0Pa，即为大气压，龙卷风发生装置的顶部pressure-out设置为对应值(不同的龙卷风强度对应不同的压力值)。设置不同的龙卷风参数，得到任意范围和强度的龙卷风风场，同时也能监测到风场内任意一点的速度和压力变化。
综上可知，本发明有如下优点：
在实验室龙卷风发生装置中，受到了技术条件的限制，龙卷风风场的风速往往只有几米/秒到十几米/每秒，并不能达到出自然龙卷风风的风速大小，本发明建立了龙卷风数值生成方法，不仅能够得到不同高度下的切向速度和径向速度的分布，而且可以通过设置不同的龙卷风参数，得到任意范围和强度的龙卷风风场，同时也能监测到风场内任意一点的速度和压力变化(压力和风速是衡量龙卷风风场特性的重要指标)。
气动力是衡量列车行驶安全的重要标准，用实验方法无法测量列车通过龙卷风的气动力，仅只能测得列车表面压力和阻力(而龙卷风对列车阻力影响较小)，而本发明可以实时监测列车通过龙卷风过程中气动力的变化。
高速列车气动性能与列车外形有着密切的关系其外形的流线型程度直接影响列车的空气的动力学性能，并且高速列车的气动力性能与列车行驶安全紧密相关，尤其是龙卷风等恶劣风环境下的列车气动力显得更加重要，理论模型中并未考虑列车的实际外形，但在本发明中，构建了真实的列车模型，考虑到了列车外形的重要性，并通过滑移算法实现了高速列车与龙卷风之间的绝对运动。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高速列车-龙卷风的耦合模型，其特征在于，包括矩形计算域以及高速列车模型；
所述矩形计算域顶部面和四周面设为压力入口；
所述矩形计算域的中心构建有龙卷风发生装置，所述龙卷风发生装置，包括：入流区域、出流区域和导流板，所述出流区域和入流区域均为圆筒型，出流区域设置在入流区域的上部且出流区域的圆筒直径小于入流区域的圆筒直径，所述入流区域的外部沿圆周呈收敛型设置有多个导流板；
所述龙卷风发生装置的出流区域的顶部设为压力出口；将龙卷风发生装置的出流区域设置为负压，所述负压驱动空气沿导流板之间的间隙流入龙卷风发生装置的入流区域内，在入流区域内形成龙卷风，并从龙卷风发生装置的出流区域的顶部离开；
矩形计算域的底部和龙卷风发生装置的出流区域外部设为非滑移壁面；
所述龙卷风发生装置的下部开设有供高速列车模型通过的径向通孔，且沿所述矩形计算域的长度方向的下部中心线上设置有供高速列车模型通过的移动区域。
2.根据权利要求1所述的高速列车-龙卷风的耦合模型，其特征在于，所述导流板与圆筒的切线的夹角为大于0°且小于90°范围内的任意值；所述导流板的长度大于5m，导流板的高度为≥10m；所述入流区域的直径与出流区域的直径的比值为4:0.2～3.5。
3.根据权利要求2所述的高速列车-龙卷风的耦合模型，其特征在于，所述导流板与圆筒的切线的夹角为15°。
4.根据权利要求1所述的高速列车-龙卷风的耦合模型，其特征在于，所述矩形计算域的高度为≥10m；所述矩形计算域的长度为≥250m；所述矩形计算域的宽度为≥60m，所述龙卷风发生装置的下部的径向通孔的截面尺寸为：宽7.5～9米，高5.5～6.5米。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的高速列车-龙卷风的耦合模型，其特征在于，所述压力出口的压力值为≤-1000Pa；所述压力入口的压力值为大气压力值。
6.一种高速列车-龙卷风的耦合计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建如权利要求1至5中任一项所述的高速列车-龙卷风的耦合模型，设置所述高速列车-龙卷风的耦合模型的压力和尺寸参数；
导入网格，将所述高速列车-龙卷风的耦合模型分为：包含列车的滑移网格区域，以及包含龙卷风发生装置且不包含列车的静止网格区域；进行网格离散，包括：对于滑移网格区域：构建长方体包裹高速列车，列车和长方体之间进行网格离散，设置附面层增长，将包含列车的滑块表面设置为交换面；对于静止网格区域：构建不包含车的静止网格区域；
将所述经网格离散后的所述耦合模型导入流体力学仿真软件，设置列车的平移速度，进行流体力学仿真；
得到各时间点对应的输出参数，所述输出参数包括：切向速度、轴向速度和径向速度，以及列车表面的压力。
7.根据权利要求6所述的高速列车-龙卷风的耦合计算方法，其特征在于，根据所述输出参数，计算得到列车侧向力和列车升力，所述列车侧向力和列车升力的计算公式为：
Figure FDA0003888172660000021
其中，
Figure FDA0003888172660000022
分别是与列车表面垂直和相切的矢量，p是压力，τ是压力张量，Σ是面积，
Figure FDA0003888172660000023
为积分所得的力。
8.根据权利要求6所述的高速列车-龙卷风的耦合计算方法，其特征在于，根据所述输出参数，计算得到列车的倾覆力，所述列车的倾覆力的计算公式为：
Figure FDA0003888172660000024
其中，
Figure FDA0003888172660000025
分别是与列车表面垂直和相切的矢量，
Figure FDA0003888172660000026
是对应的力臂，p是压力，τ是压力张量，dΣ是面积微元，
Figure FDA0003888172660000027
为力矩。
9.根据权利要求8所述的高速列车-龙卷风的耦合计算方法，其特征在于，根据所述输出参数，计算得到列车的倾覆力矩系数，所述列车的倾覆力矩系数的计算公式为：
Figure FDA0003888172660000028
其中，Mx为力矩
Figure FDA0003888172660000029
在x方向的分量，即列车行驶方向，ρ是空气密度，v是列车行驶速度，s0为列车横截面积，ht为列车高度。
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