CN110321588B - 基于数值模拟的轨道车辆空气阻力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于数值模拟的轨道车辆空气阻力计算方法，包括：建立数值模拟所需的模型并划分网格；仿真模拟，根据轨道车辆空气压差阻力与空气摩擦阻力，修正车辆空气阻力系数；根据修正的车辆空气阻力系数，构建车辆空气阻力快速计算公式并对其进行验证。本发明针对常用的轨道车辆模型在典型工况下运动所受空气阻力数值进行数值模拟计算，增加中间车压差阻力、尾车压差阻力和整车空气摩擦阻力部分的计算,对车辆空气阻力系数进行修正。完善了现有空气阻力计算公式中的缺陷，提高了空气阻力计算公式的准确性，使得空气阻力计算公式适用于轨道车辆这类长细比较大的交通工具。

Description

基于数值模拟的轨道车辆空气阻力计算方法

技术领域

本发明属于车辆空气阻力计算技术领域，尤其涉及一种基于数值模拟的轨道车辆空气阻力计算方法。

背景技术

牵引能耗的高低与轨道车辆所受的阻力密切相关。车辆在行驶时，所要克服的阻力之一为空气阻力。随着车辆行驶速度的增加，空气阻力也逐渐成为最主要的行车阻力。合适的车辆空气阻力计算方法对分析轨道车辆的行驶状况和整车性能，以及轨道车辆的后期改进十分重要。而现有的空气阻力计算方法中，风洞试验及惰行试验具有一定的局限性，通常在车型开发完成后，对已有车辆车型进行试验，不能对车辆车型的前期开发过程中动力匹配进行指导；且现有空气阻力计算公式误差较大，一般适用于汽车等长细小型的交通工具，空气阻力计算只与空气密度、迎风面积、运行速度和车头造型相关，没有体现车辆长度等重要因素，故无法直接计算出轨道车辆空气阻力。

因此，现有的风洞试验以及惰行试验不适用于轨道车辆空气阻力的计算，有必要针对轨道车辆，考虑车辆长度、车型等因素的影响，设计一种轨道车辆空气阻力计算方法。

发明内容

本发明在上述现有空气阻力计算方式不足的基础上针对轨道车辆提供了基于数值模拟的轨道车辆空气阻力计算方法，修正车辆空气阻力系数，完善了现有空气阻力计算公式中的缺陷，提高了空气阻力计算公式的准确性，为实现轨道车辆空气阻力准确快速计算提供解决方案。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于数值模拟的轨道车辆空气阻力计算方法，包括以下步骤：

(S1)建立数值模拟所需的试验模型并划分网格；

(S2)仿真模拟，根据轨道车辆空气压差阻力与空气摩擦阻力，修正车辆空气阻力系数；

(S3)根据修正的车辆空气阻力系数，构建车辆空气阻力快速计算公式并对其进行验证。

优选的，步骤(S1)建立数值模拟所需的模型并划分网格的方法为：

建立轨道车辆三维模型及其周围流场空间的三维模型；

设置边界区域并划分网格；

边界条件界定：流场空间入口设置为速度入口边界条件，出口设置为压力出口边界条件，流场空间壁面和地面以及轨道车辆壁面采用wal l边界条件，湍流模型采用标准k-ε模型。

优选的，划分网格的方法为：

对轨道车辆模型与周围流场空间模型构成的整体模型划分网格，车头与车尾处流场区域采用四面体网格并加密处理，其他区域采用六面体网格且由车辆附近到远场区域网格逐渐由密变疏。

优选的，步骤(S2)修正车辆空气阻力系数的方法为：

将车辆空气阻力系数C分解为整车空气压差阻力系数C_p与整车空气摩擦阻力系数C_f的和；

将整车空气压差阻力系数C_p分解为头车压差阻力系数C_p1、中间车压差阻力系数C_p2以及尾车压差阻力系数C_p3；

设定车型，改变车辆总长度L进行数值模拟，分别对车辆头车、中间车和尾车进行空气阻力的仿真，确定车辆空气摩擦阻力、头车空气阻力系数以及头车、中间车和尾车的压差阻力仿真值；

数据拟合处理，分别求取头车压差阻力系数C_p1、中间车压差阻力系数C_p2、尾车压差阻力系数C_p3以及空气摩擦阻力系数C_f的值；

根据头车压差阻力系数C_p1、中间车压差阻力系数C_p2、尾车压差阻力系数C_p3，确定整车空气压差阻力系数C_p，进而确定车辆空气阻力系数C。

优选的，求取头车压差阻力系数C_p1的方法为：

根据头车空气阻力系数C₁，确定头车压差阻力系数C_p1：以头车压差阻力仿真值作为数据输入，采用APSO改进粒子群优化算法作为拟合方法，以方差作为优化目标，迭代计算，拟合头车压差阻力系数C_p1与头车空气阻力系数C₁的关系。

优选的，求取中间车压差阻力系数C_p2的方法为：

根据头车压差阻力系数C_p1，确定中间车压差阻力系数C_p2：以中间车压差阻力仿真值作为数据输入，采用APSO改进粒子群优化算法作为拟合方法，以方差作为优化目标，迭代计算，拟合中间车单节车厢平均压差阻力系数

与头车压差阻力系数C_p1的关系，n表示车辆节数。

优选的，求取尾车压差阻力系数C_p3的方法为：

根据头车压差阻力系数C_p1，确定尾车压差阻力系数C_p3：以尾车压差阻力仿真值作为数据输入，采用APSO改进粒子群优化算法作为拟合方法，以方差作为优化目标，迭代计算，拟合尾车压差阻力系数C_p3与头车压差阻力系数C_p1的关系。

优选的，求取空气摩擦阻力系数C_f的值的方法为：

根据车辆总长度L与车辆动力直径d的比值L/d，确定空气摩擦阻力系数C_f：以车辆空气摩擦阻力仿真值作为数据输入，采用APSO改进粒子群优化算法作为拟合方法，以方差作为优化目标，迭代计算，拟合空气摩擦阻力系数C_f与比值L/d的关系。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明提供了一种基于数值模拟的轨道车辆空气阻力快速计算方法，针对常用的轨道车辆模型在典型工况下运动所受空气阻力数值进行数值模拟计算，在仿真过程中规律性得改变车辆模型长度等相关参数，将所得到的大量仿真结果汇总，并采用APSO粒子群优化法对参数与车辆模型所受风阻之间的关系进行拟合，形成新型车辆空气阻力快速计算公式。

(1)与现有方法相比，本发明增加中间车压差阻力、尾车压差阻力和整车空气摩擦阻力部分的计算,对车辆空气阻力系数进行修正。完善了现有空气阻力计算公式中的缺陷，提高了空气阻力计算公式的准确性，使得空气阻力计算公式适用于轨道车辆这类长细比较大的交通工具。借助此方法在轨道车辆前期开发过程中可预先计算空气阻力能耗，以优化车辆空气动力性能，对车辆牵引匹配选型提供支持，以达到节能减排的目的。同时，设置有车辆头型图库，当车辆车头空气阻力系数未知时，可一键操作，在车辆头型图库中选择形状相近的车头模型，获取车头空气阻力系数信息，结合车辆空气阻力快速计算公式，得到计算结果。

附图说明

图1为本发明的轨道车辆空气阻力计算方法的流程图；

图2为轨道车辆空气阻力构成图；

图3为本发明的压差阻力系数拟合关系图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。

本发明针对轨道车辆的空气阻力计算，提供了一种基于数值模拟的轨道车辆空气阻力计算方法，参考图1、图2、图3所示，包括以下步骤：

(S1)建立数值模拟所需的试验模型并划分网格：即

①建立轨道车辆三维模型及其周围流场空间的三维模型；

具体的，本实施例中使用三维绘图软件构建所需的A、B两种车型的实验模型。城轨A型车车头宽3m，高3.8m；城轨B型车车头车宽2.8m，高3.8m。考虑车厢之间连接处的设计尺寸，选择两车厢间连接处长度为800mm、连接处风挡在长度和高度上分别比车厢横截面小600mm和300mm，从而获得轨道车辆多车厢三维模型。完成对车辆模型的构建后，需要对车辆周围流场空间进行构建，计算域来流区域长度取1.5倍车长，尾流区域长度取3倍车长，左右宽为20倍的车宽，高为10倍的车高，区域内以空气填充。

②设置边界区域并划分网格：对轨道车辆模型与周围流场空间模型构成的整体模型划分网格，车头与车尾处流场区域采用四面体网格并加密处理，其他区域采用六面体网格且由车辆附近到远场区域网格逐渐由密变疏。

具体为：车辆及周围流场空间模型构建完成后，设置边界区域，将模型输入网格划分软件CFD中，对整体模型进行网格划分，由于车头和车尾处流场变量梯度很大，因此对车头迎风区和车尾尾流区也局部加密。为了准确地模拟车体周围流场的变化，对曲面变化较大的车头/车尾处流场区域采用四面体网格且进行加密处理，车头壁面网格尺寸为0.01m。车辆附近到计算区域远场空间，流场变化逐渐减小，因此在计算域内车辆附近到远场采用网格逐渐由密变疏、均匀过渡的网格密度控制方法，这样在保证计算精度的前提下，又能大幅度的减少网格数，降低计算难度提高计算效率。

③边界条件界定：流场空间入口设置为速度入口边界条件，出口设置为压力出口边界条件，流场空间壁面和地面以及轨道车辆壁面采用wall边界条件，气体材料设置为可压空气，湍流模型采用标准k-ε模型。

具体的：

入口边界条件：本实施例中对于不可压缩流动，入口边界采用速度入口，入口处可以定义速度、湍流强度和湍流尺度。车辆在无横风状态下稳定运行，只考虑车辆运行方向的空气流速，速度大小和车辆实际运行的速度大小相同，其中,湍流强度

湍流尺度L_t＝0.07×H,Re为雷诺数，H为车辆轨面以上高度。

出口边界条件：出口边界定义为压力出口，压力出口边界可以自定义湍流强度和湍流尺度及其静压。湍流强度和湍流尺度的计算和速度入口一样，出口边界距离车尾较远，尾流的影响很小，压力值趋于大气压，所以静压为0。压力出口边界布置在远离障碍物的地方，防止计算过程中出现回流影响计算的稳定性和精度。

无滑移固定壁面边界：车辆表面设置为无滑移固定壁面，即车体表面的空气流速均为0，根据边界层理论，在固体壁面处法向压力梯度为零。由于车辆明线稳态运行时，不考虑车辆外部流场与车辆内部的传热问题，因此车辆壁面设置成绝热壁面。

(S2)仿真模拟，根据轨道车辆空气压差阻力与空气摩擦阻力，修正车辆空气阻力系数；

仿真实验开始后，车辆静止不动，以相对速度从边界面释放气流，使之流经车辆车体。仿真实验采用控制变量法，每组实验中只改变一个独立变量的值，来探究被改变的量与受力之间的关系。为方便空气阻力的计算和阻力计算公式的比较，参考空气阻力计算公式的基本形式，考虑表面摩擦阻力和压差阻力、以及车辆总长度、车型的影响，对基本空气阻力计算公式中的常系数C修正。

①将车辆空气阻力系数C分解为整车空气压差阻力系数C_p与整车空气摩擦阻力系数C_f的和，即C＝C_p+C_f＝P₁C₁+P₂L/d，C₁表示头车空气阻力系数，L为车辆总长度，d车辆动力直径，因此，只要确定P₁、P₂变量，即可实现对车辆空气阻力系数C的修正，进而可确定出车辆空气阻力计算公式。

②图3所示，将整车空气压差阻力系数C_p分解为头车压差阻力系数C_p1、中间车压差阻力系数C_p2以及尾车压差阻力系数C_p3。

③固定车头造型，改变车辆总长度L进行数值模拟，分别对车辆头车、中间车和尾车进行空气阻力的仿真，确定车辆空气摩擦阻力、头车空气阻力系数以及头车、中间车和尾车的压差阻力仿真值。

本实施例中在软件仿真实验中以城轨A型车和城轨B型车为实例，仿真中设置风速为70km/h。为获得空气阻力系数与车长之间的关系，固定车头造型，改变整列车辆车体总长度进行数值模拟。分别仿真计算出每一个不同长度的车体模型各部位受到的空气阻力，例如头车空气阻力系数C₁、头车空气压差阻力F_p1、中间车空气压差阻力F_p2、尾车空气压差阻力F_p3和空气摩擦阻力F_f等，各阻力系数间拟合关系如图3所示。城轨A型车和城轨B型车模型在迎风面积S、动力直径d和车速v各自保持不变的情况下，均从2节车厢模型增加到16节车厢模型，共开展了30组不同的仿真实验。

④数据拟合处理，分别求取头车压差阻力系数C_p1、中间车压差阻力系数C_p2、尾车压差阻力系数C_p3以及空气摩擦阻力系数C_f的值：

具体的：

根据头车空气阻力系数C₁，确定头车压差阻力系数C_p1：以头车压差阻力仿真值作为数据输入，采用APSO改进粒子群优化算法作为拟合方法，以方差作为优化目标，经过10⁴次迭代计算，拟合头车压差阻力系数C_p1与头车空气阻力系数C₁的关系。

根据头车压差阻力系数C_p1，确定中间车压差阻力系数C_p2：以中间车压差阻力仿真值作为数据输入，采用APSO改进粒子群优化算法作为拟合方法，以方差作为优化目标，经过10⁴次迭代计算，拟合中间车单节车厢平均压差阻力系数

与头车压差阻力系数C_p1的关系，n表示车辆节数。

根据头车压差阻力系数C_p1，确定尾车压差阻力系数C_p3：以尾车压差阻力仿真值作为数据输入，采用APSO改进粒子群优化算法作为拟合方法，以方差作为优化目标，经过10⁴次迭代计算，拟合尾车压差阻力系数C_p3与头车压差阻力系数C_p1的关系。

根据车辆总长度L与车辆动力直径d的比值L/d，确定空气摩擦阻力系数C_f：以车辆空气摩擦阻力仿真值作为数据输入，采用APSO改进粒子群优化算法作为拟合方法，以方差作为优化目标，经过10⁴次迭代计算，拟合空气摩擦阻力系数C_f与比值L/d的关系。

⑤根据头车压差阻力系数C_p1、中间车压差阻力系数C_p2、尾车压差阻力系数C_p3，确定整车空气压差阻力系数C_p，进而确定车辆空气阻力系数C。

(S3)根据修正的车辆空气阻力系数C，构建车辆空气阻力快速计算公式并对其进行验证。

通过上述大量仿真实验和公式拟合，已获得车辆头车压差阻力系数C_p1、中间车压差阻力系数C_p2、尾车压差阻力系数C_p3和整车空气摩擦阻力系数C_f的计算公式。将系数C_p1、C_p2、C_p3、C_f的表达式代入所提出的空气阻力系数修正公式中，即可得到空气阻力快速计算公式。

为验证空气阻力快速计算公式，选择城轨A型车和城轨B型车的车头，城轨A型车和城轨B型车模型在迎风面积S、动力直径d和车速v各自保持不变的情况下，城轨A型车模型总长度L从48.2m逐渐增加到367.4m，城轨B型车模型总长度L从42.2m逐渐增加到319.4m，比较通过公式计算得到的空气阻力系数C和通过仿真软件得到的风阻系数C'。

通过对30组对比实验的相对误差值分析：29组对比试验的相对误差值在10％以内，30组对比实验的平均相对误差值是3.5％。考虑仿真软件的仿真精度影响，空气阻力快速计算公式能够比较精确计算出不同车辆总长度下的空气阻力系数。因此，只要提供车辆车头的空气阻力系数C₁、车辆节数n、车辆的总长度L和动力直径d便可快速计算出车辆的空气阻力系数C，进而确定车辆运行时空气阻力。同时，本实施例中还设置有车辆头型图库，当车辆车头空气阻力系数C₁未知时，可一键操作，在车辆头型图库中选择形状相近的车头模型，获取车头空气阻力系数信息，结合车辆空气阻力快速计算公式，得到计算结果。本发明所提出的空气阻力快速公式简化了车辆运行时空气阻力的计算，便于在实际工程中推广应用。

综上可知，本发明针对常用的轨道车辆运动所受空气阻力数值进行数值模拟计算。在仿真过程中规律性得改变车辆模型长度等相关参数，将所得到的大量仿真结果汇总，并采用APSO粒子群优化法对参数与车辆模型所受风阻之间的关系进行拟合，形成新型车辆空气阻力快速计算公式。当车头空气阻力系数已知时，直接将车头空气阻力系数及其他参数代入计算，直接得到结果。与现有方法相比，本发明增加中间车压差阻力、尾车压差阻力和整车空气摩擦阻力部分的计算。完善了现有空气阻力计算公式中的缺陷，提高了空气阻力计算公式的准确性，使得空气阻力计算公式适用于轨道车辆这类长细比较大的交通工具。借助此方法在轨道车辆前期开发过程中可预先计算空气阻力，以优化车辆空气动力性能，对车辆牵引匹配选型提供支持，以达到节能减排的目的。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于数值模拟的轨道车辆空气阻力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

(S1)建立数值模拟所需的试验模型并划分网格；

(S2)仿真模拟，根据轨道车辆空气压差阻力与空气摩擦阻力，修正车辆空气阻力系数；

(S3)根据修正的车辆空气阻力系数，构建车辆空气阻力快速计算公式并对其进行验证；

其中，步骤(S1)建立数值模拟所需的试验模型并划分网格的方法为：

建立轨道车辆三维模型及其周围流场空间的三维模型；

设置边界区域并划分网格；

边界条件界定：流场空间入口设置为速度入口边界条件，出口设置为压力出口边界条件，流场空间壁面和地面以及轨道车辆壁面采用wall边界条件，湍流模型采用标准k-ε模型；

划分网格的方法为：

对轨道车辆模型与周围流场空间模型构成的整体模型划分网格，车头与车尾处流场区域采用四面体网格并加密处理，其他区域采用六面体网格且由车辆附近到远场区域网格逐渐由密变疏；

步骤(S2)修正车辆空气阻力系数的方法为：

将车辆空气阻力系数C分解为整车空气压差阻力系数C_p与整车空气摩擦阻力系数C_f的和；

将整车空气压差阻力系数C_p分解为头车压差阻力系数C_p1、中间车压差阻力系数C_p2以及尾车压差阻力系数C_p3；

设定车型，改变车辆总长度L进行数值模拟，分别对车辆头车、中间车和尾车进行空气阻力的仿真，确定车辆空气摩擦阻力、头车空气阻力系数以及头车、中间车和尾车的压差阻力仿真值；

数据拟合处理，分别求取头车压差阻力系数C_p1、中间车压差阻力系数C_p2、尾车压差阻力系数C_p3以及空气摩擦阻力系数C_f的值；

根据头车压差阻力系数C_p1、中间车压差阻力系数C_p2、尾车压差阻力系数C_p3，确定整车空气压差阻力系数C_p，进而确定车辆空气阻力系数C；

其中，求取头车压差阻力系数C_p1的方法为：

根据头车空气阻力系数C₁，确定头车压差阻力系数C_p1：以头车压差阻力仿真值作为数据输入，采用APSO改进粒子群优化算法作为拟合方法，以方差作为优化目标，迭代计算，拟合头车压差阻力系数C_p1与头车空气阻力系数C₁的关系；

求取中间车压差阻力系数C_p2的方法为：

根据头车压差阻力系数C_p1，确定中间车压差阻力系数C_p2：以中间车压差阻力仿真值作为数据输入，采用APSO改进粒子群优化算法作为拟合方法，以方差作为优化目标，迭代计算，拟合中间车单节车厢平均压差阻力系数

与头车压差阻力系数C_p1的关系，n表示车辆节数；

求取尾车压差阻力系数C_p3的方法为：

根据头车压差阻力系数C_p1，确定尾车压差阻力系数C_p3：以尾车压差阻力仿真值作为数据输入，采用APSO改进粒子群优化算法作为拟合方法，以方差作为优化目标，迭代计算，拟合尾车压差阻力系数C_p3与头车压差阻力系数C_p1的关系；

求取空气摩擦阻力系数C_f的值的方法为：

根据车辆总长度L与车辆动力直径d的比值L/d，确定空气摩擦阻力系数C_f：以车辆空气摩擦阻力仿真值作为数据输入，采用APSO改进粒子群优化算法作为拟合方法，以方差作为优化目标，迭代计算，拟合空气摩擦阻力系数C_f与比值L/d的关系。

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