CN110348061A - 一种高速受电弓的双向流固耦合三维数值模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速受电弓的双向流固耦合三维数值模拟方法，首先构建高速受电弓流体域和固体域的几何模型；再根据步骤1构建的模型对受电弓流体域和固体域分别进行网格划分；然后设定流体域和固体域的材料参数、初始条件和边界条件；添加受电弓流固耦合数据交换面，进行高速受电弓的双向流固耦合数值分析；最后根据步骤4动力学分析结果得到受电弓位移云图和应力云图，以及流体力学分析结果得到受电弓各部件气动力时程曲线。本发明以双向流固耦合理论模型作为基础，考虑受电弓在气动力作用下运行姿态的变化，通过数值模拟实现高速气流作用下受电弓的气动特性计算及受力变形研究，能够更为客观地反应受电弓气动特性的本质。

Description

一种高速受电弓的双向流固耦合三维数值模拟方法
技术领域
本发明涉及高速铁路受电弓空气动力学技术领域，具体为一种高速受电弓的双向流固耦合三维数值模拟方法。
背景技术
随着高速列车运营速度的不断提升，高速气流扰动对弓网受流的影响非常明显；高速气流不仅对减阻降噪有直接的负面影响；同时其产生的气动升力和气动横向力会引发结构的流致振动，使得弓网的垂向振动、纵向冲击、横向摆动和弓网耦合振动越发明显；弓网的离线更加频繁，受流质量严重恶化，从而影响弓网系统的受流质量以及高速列车运行的安全性。
高速受电弓的流固耦合关系是指高速受电弓在运行时与受电弓周围的空气、运行环境之间的相互耦合作用关系。受电弓的运行速度和姿态影响空气的流动，空气的流动同样影响受电弓的运行速度和姿态，从而使空气和受电弓组成一个耦合的大系统。近年来，随着列车的高速化发展，特别是运行速度提高进入高铁时代后，空气、受电弓和运行环境之间的耦合作用明显加强，关于流固耦合动力学问题的研究越来越受到国内外学者的重视。Belloli M等(Belloli M,Pizzigoni B,Ripamonti F,et al.Fluid–structureinteraction between trains and noise-reduction barriers:numerical andexperimental analysis[J].WIT Transactions on the Built Environment,2009,105:49-60.)采用单项流固耦合方法研究了列车通过对屏蔽门的压力作用，并在风洞中完成了不同横风风速和风偏角的屏蔽门压力测量，该计算结果还与线路试验数据进行了比较。李田等(李田,张继业,张卫华.横风下高速列车流固耦合动力学联合仿真[J].振动工程学报,2012,25(2):138-145.)基于车辆-轨道耦合动力学和空气动力学建立了高速列车流固耦合动力学行为的联合仿真计算方法。比较了离线仿真和联合仿真计算方法下列车气动力与姿态、安全性指标的差异。研究结果表明：列车-气流耦合效应对头车气动力和姿态的影响显著，头车安全性指标有所恶化，表明考虑流固耦合效应的必要性。本发明基于流固耦合理论，充分考虑高速受电弓运行时的受力状态，考虑流体、固体之间的相互作用影响，相比纯流场分析，受电弓双向流固耦合流场分析更接近实际的物理情况。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够真实反映高速受电弓的气动力特性的基于ANSYS Workbench对高速受电弓进行双向流固耦合三维数值模拟的方法。技术方案如下：
一种高速受电弓的双向流固耦合三维数值模拟方法，包括以下步骤：
步骤1：构建高速受电弓流体域和固体域的计算模型和几何模型；
步骤2：根据所述计算模型和几何模型对受电弓流体域和固体域分别进行网格划分；
步骤3：设定流体域和固体域的材料参数、初始条件和边界条件；
步骤4：添加受电弓流固耦合数据交换面，进行高速受电弓的双向流固耦合数值分析；
步骤5：根据步骤4动力学分析结果得到受电弓位移云图和应力云图，以及流体力学分析结果得到受电弓各部件气动力时程曲线。
进一步的，所述步骤1的具体包括：
高速受电弓流体域的流体控制方程如下：
连续性方程
动量守恒方程
湍动能方程
湍动能耗散率方程
式中：ρ为空气密度；v为速度；p为压力；vx、vy、vz为x,y,z方向上的速度分量；k为湍流动能；ε为湍流动能耗散率；G为湍流动能生成项；μ为空气粘性系数；C1，C2为经验常数；σk、σε分别是与湍流动能和耗散率对应的Prandtl数；
高速受电弓固体域的固体控制方程如下：
流体诱发固体振动、位移的控制方程为
式中：Ms为固体质量矩阵；Cs为阻尼矩阵；Ks为刚度矩阵；rs为固体位移；τs为固体受到的应力；下标s为固体的特性；
高速受电弓流固耦合方程如下：
式中：τf为流体受到的应力；τs为固体受到的应力；rf为流体位移，rs为固体位移；下标f为流体的特性；下标s为固体的特性；
输入受电弓的实际尺寸，通过三维建模软件建立受电弓几何模型；进行受电弓双向流固耦合计算，得到受电弓流体域计算模型和受电弓固体域计算模型。
更进一步的，所述受电弓双向流固耦合计算包括：在每个时间步内分别在流体域模型设定仿真参数并通过Fluent求解器得到流体域结果；在固体域模型设定仿真参数并通过Ansys求解器得到固体域结果；并在流体域结果和固体域结果中双向交换流场压力数据和结构变形数据，直至满足收敛或迭代次数的要求。
更进一步的，所述建立受电弓三维模型时，对受电弓模型进行简化处理，省略受电弓底架非光滑曲面结构，省略拉杆和平衡杆。
更进一步的，所述网格划分包括：所述流体域采中用非结构四面体网格对流场进行划分，所述固体域中采用三角形网格对弓头、上框架、下臂杆进行划分。
更进一步的，所述步骤4具体为：在流体域中通过添加动网格设置SystemCoupling流固耦合面用于传递流场压力信息，通过Diffusion-Based Smoothing网格光顺技术实现动网格更新；在固体域中为滑板、上框架、下臂杆固体部件耦合面添加FluidSolid Interface约束；并通过System Coupling耦合求解器将Fluent和TransientStructure求解计算结果进行Data Transfer数据交换，在Analysis Setting设置面板中设置End Time和Step Size的值；设置各求解器的求解先后顺序。
更进一步的，所述步骤5中还包括在流场分析模块中将考虑流固耦合的受电弓各部件气动力时程曲线与未考虑流固耦合的受电弓各部件气动力时程曲线进行对比分析。
本发明的有益效果是：
(1)本发明基于流固耦合理论，充分考虑高速受电弓运行时的受力状态，考虑流体、固体之间的相互作用影响，相比纯流场分析，受电弓双向流固耦合流场分析更接近实际的物理情况；
(2)本发明采用双向流固耦合方法对高速受电弓气动力进行模拟分析，相较于单项流固耦合方法，该方法能够同时考虑流场对固体变形的影响和固体变形对流场的影响，在每一步迭代计算传递流体荷载和固体位移数据，计算结果更加精确。
附图说明
图1为本发明中高速受电弓三维实体计算模型结构示意图。
图2为本发明中受电弓双向流固耦合计算流程图。
图3为本发明中流体域受电弓计算区域图。
图4为本发明中固体域受电弓计算模型图。
图5为本发明中受电弓结构的网格划分。
图6为本发明中受电弓流场的网格划分。
图7为本发明实施例得到的受电弓结构的应力分布图。
图8为本发明实施例得到的受电弓结构的总体变形图。
图9为本发明实施例得到的受电弓各部件阻力时程曲线。
图10为本发明实施例得到的受电弓各部件升力时程曲线。
图中：1-滑板，2-弓头支架，3-上框架，4-拉杆，5-下臂杆，6-底架。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
一种高速受电弓的双向流固耦合三维数值模拟方法，包括以下步骤：
步骤1：构建高速受电弓流体域和固体域的计算模型及几何模型；
高速列车运行速度为350km/h时，对应的马赫数小于0.3，可忽略空气压缩性的影响；因此，采用三维不可压缩的非定常Navier-Stokes(N-S)方程进行计算，采用基于k-ω两方程湍流模型求解N-S方程，方程的离散采用有限体积法；雷诺平均NS方程(RANS)是流场平均变量的控制方程，其假定湍流中的流场变量由一个时均量和一个脉动量组成。并引入Boussinesq假设，即认为湍流雷诺应力与应变成正比后，湍流计算就归结为对雷诺应力与应变之间的比例系数的计算，从而无需计算各尺度的湍流脉动，只计算出平均运动，从而降低计算工作量，缩短计算时间，保证了双向流固耦合计算的顺利进行。
流体控制方程：
连续性方程
动量守恒方程
湍动能方程
湍动能耗散率方程
式中：ρ为空气密度；v为速度；p为压力；vx、vy、vz为x,y,z方向上的速度分量；k为湍流动能；ε为湍流动能耗散率；G为湍流动能生成项；μ为空气粘性系数；C1，C2为经验常数；σk、σε分别是与湍流动能和耗散率对应的Prandtl数。
固体控制方程：
流体诱发固体振动、位移的控制方程为
式中：Ms为固体质量矩阵；Cs为阻尼矩阵；Ks为刚度矩阵；rs为固体位移；τs为固体受到的应力；下标s为固体的特性；
高速受电弓流固耦合方程如下：
式中：τf为流体受到的应力；τs为固体受到的应力；rf为流体位移，rs为固体位移；下标f为流体的特性；下标s为固体的特性；
输入受电弓的实际尺寸，根据Solidworks三维建模软件手动建立一个受电弓三维模型，整个高速受电弓包含底架、下臂杆、拉杆、上臂杆、平衡杆和弓头组件等，以step格式文件保存。构建的模型如图1所示，采用真实受电弓1:1大小的模型，受电弓由滑板、弓头支架、上框架、下臂杆、底架、拉杆等部件组成。为满足流固耦合计算收敛及计算时间的需求对受电弓模型进行了必要的简化处理，省略了受电弓底架非光滑曲面结构，拉杆和平衡杆相对受电弓整体框架的尺寸相对较小，在整个高速受电弓的气动升力和阻力的所占比例不高，也将其简化删除。流体域中空气流场计算区域的选取遵循避免区域边界对受电弓周围流场结构的影响，保证流场符合实际运行情况。计算区域大小为速度方向长度取35m，垂直速度方向为16mx8m的矩形面。本实施例中选取受电弓模型的高度为特征长度H＝1.32m，速度来流方法长度取12H，速度出口方向选取14H，左右两侧的长度取6H，上下两侧的长度取12H。
受电弓双向流固耦合计算流程如图2所示，在每个时间步内分别在流体域模型设定仿真参数并通过Fluent求解器得到流体域结果，在固体域模型设定仿真参数并通过Ansys求解器得到结构域结果。并在流体域结果和固体域结果中双向交换流场压力数据和结构变形数据，直至满足收敛或迭代次数的要求。
受电弓流体域计算区域如图3所示，流场前速度入口面为长、宽12H*6H的矩形面，流场下壁面为长26H、宽12H的矩形面；流场后压力出口面为长、宽12H*6H的矩形面；流场对称面包括顶面和两侧面三个长26H、宽12H的矩形面。
受电弓固体域计算模型如图4所示，包括前滑板、后滑板、上框架、下臂杆四个受电弓部件。
步骤2：根据步骤1构建的模型对受电弓流体域和固体域分别进行网格划分；
受电弓结构的网格划分如图5所示，结构域中采用三角形网格对弓头、上框架、下臂杆进行网格划分，网格大小为0.01m。右键单击模型树节点Mesh，选择弹出菜单项InsetSizing。设置Element Size为10mm，设置Behavior为Hard，其他参数保持默认设置。右键单击模型树节点Mesh，单击弹出菜单项Generate Mesh生成网格。
受电弓流场的网格划分如图6所示，将三维模型导入Icem中，进行网格划分；点击Mesh、Global Mesh Parameters定义全局网格参数；其中Scale Factor定义为1，MaxElement定义为0.8m；选择非结构四面体网格进行网格划分，Mesh Method下拉列表中选择Robust(Octree)；点击Model、Part Mesh Step定义受电弓表面网格尺寸；Max Size为0.01m；其余参数保持默认设置，单击Compute按钮生成网格。整个流体计算域网格数为146万。
步骤3：设定流体域和固体域的材料参数、初始条件和边界条件；
仿真计算中流体域求解器为压力基求解器；模拟方法为雷诺时均模拟方法、湍流模型为κ-ε两方程模型、物料性质为空气；边界条件设置为受电弓表面及底面为无滑移的臂面，速度入口面为速度入口边界，压力出口面为压力出口边界，对称面的边界条件为对称边界条件，假设受电弓在运行过程中开口大小变化忽略不计，对受电弓各部件设置固定约束。
固体域中弓头和上框架的材料采用铝合金材料，下臂杆的材料采用碳素结构钢材料，受电弓部件材料参数如表所示。
步骤4：添加受电弓流固耦合数据交换面，进行高速受电弓的双向流固耦合数值分析；
流体域中通过添加动网格设置System Coupling流固耦合面用于传递流场压力信息，通过Diffusion-Based Smoothing网格光顺技术实现动网格更新。固体域中为滑板、上框架、下臂杆固体部件耦合面添加Fluid Solid Interface约束。并通过System Coupling耦合求解器将Fluent和Transient Structure求解计算结果进行Data Transfer数据交换，在Analysis Setting设置面板中设置End Time为0.2，并设置Step Size为0.01s。点击Co-Sim.Sequence单元格，在弹出的编辑面板中设置各求解器的求解先后顺序，设置Fluent为1，Transient为2。
步骤5：根据步骤4中的求解结果得到结构分析模块受电弓变形应力云图和位移云图以及流场分析模块受电弓各部件气动力时程曲线；
图7、8为受电弓结构的应力分布图和整体变形图。图7中直观显示了受电弓前滑板、后滑板、上框架、下臂杆四个部件的应力变形情况，得到受电弓所受应力数值变化范围、最大应力点位置及应力分布变化规律。图8直观显示了受电弓前滑板、后滑板、上框架、下臂杆四个部件的受力变形情况。得到受电弓变形位移的数值变化范围、最大变形位移点位置及位移分布变化规律。
图9、10为受电弓各部件阻力和升力时程曲线。横轴表示仿真计算时间，纵轴为受电弓各部件阻力和升力大小。实线表示考虑双向流固耦合作用下得到的受电弓各部件阻、升力时程曲线，虚线表示离线仿真下纯流场分析得到的受电弓各部件阻、升力时程曲线。图9、10给出了流固耦合作用和纯流场分析下受电弓各部件气动特性的变化情况对比。图中直观显示了受电弓各部件气动阻力和气动升力随时间的变化大小和波动程度。
本发明采用双向流固耦合方法对受电弓进行瞬态动力学分析，首先建立高速受电弓流体域和固体域的几何模型并给定约束和边界条件。然后建立数值模型，采用有限差分法、有限体积法、有限元法等数值计算方法技术进行耦合计算，研究其在考虑流固耦合作用下的气动特性及受力变形特点。本发明的计算方法以完备的理论模型和数值模型作为基础，充分考虑高速受电弓运行时的受力状态，考虑流体、固体之间的相互影响，相比纯流场分析，更接近实际的物理情况。

Claims (7)

1.一种高速受电弓的双向流固耦合三维数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：构建高速受电弓流体域和固体域的计算模型和几何模型；
步骤2：根据所述计算模型和几何模型对受电弓流体域和固体域分别进行网格划分；
步骤3：设定流体域和固体域的材料参数、初始条件和边界条件；
步骤4：添加受电弓流固耦合数据交换面，进行高速受电弓的双向流固耦合数值分析；
步骤5：根据步骤4动力学分析结果得到受电弓位移云图和应力云图，根据流体力学分析结果得到受电弓各部件气动力时程曲线。
2.根据权利要求1所述的高速受电弓的双向流固耦合三维数值模拟方法，其特征在于，所述步骤1的具体包括：
高速受电弓流体域的流体控制方程如下：
连续性方程
动量守恒方程
湍动能方程
湍动能耗散率方程
式中：ρ为空气密度；v为速度；p为压力；vx、vy、vz为x,y,z方向上的速度分量；k为湍流动能；ε为湍流动能耗散率；G为湍流动能生成项；μ为空气粘性系数；C1，C2为经验常数；σk、σε分别是与湍流动能和耗散率对应的Prandtl数；
高速受电弓固体域的固体控制方程如下：
流体诱发固体振动、位移的控制方程为
式中：Ms为固体质量矩阵；Cs为阻尼矩阵；Ks为刚度矩阵；rs为固体位移；τs为固体受到的应力；下标s为固体的特性；
高速受电弓流固耦合方程如下：
式中：τf为流体受到的应力；τs为固体受到的应力；rf为流体位移；下标f为流体的特性；下标s为固体的特性；
输入受电弓的实际尺寸，通过三维建模软件建立受电弓几何模型；进行受电弓双向流固耦合计算，得到受电弓流体域计算模型和受电弓固体域计算模型。
3.根据权利要求2所述的高速受电弓的双向流固耦合三维数值模拟方法，其特征在于，所述受电弓双向流固耦合计算包括：在每个时间步内分别在流体域模型设定仿真参数并通过Fluent求解器得到流体域结果；在固体域模型设定仿真参数并通过Ansys求解器得到固体域结果；并在流体域结果和固体域结果中双向交换流场压力数据和结构变形数据，直至满足收敛或迭代次数的要求。
4.根据权利要求2所述的高速受电弓的双向流固耦合三维数值模拟方法，其特征在于，所述建立受电弓三维模型时，对受电弓模型进行简化处理，省略受电弓底架非光滑曲面结构，省略拉杆和平衡杆。
5.根据权利要求1所述的高速受电弓的双向流固耦合三维数值模拟方法，其特征在于，所述网格划分包括：所述流体域采中用非结构四面体网格对流场进行划分，所述固体域中采用三角形网格对弓头、上框架、下臂杆进行划分。
6.根据权利要求1所述的高速受电弓的双向流固耦合三维数值模拟方法，其特征在于，所述步骤4具体为：在流体域中通过添加动网格设置System Coupling流固耦合面用于传递流场压力信息，通过Diffusion-Based Smoothing网格光顺技术实现动网格更新；在固体域中为滑板、上框架、下臂杆固体部件耦合面添加Fluid Solid Interface约束；并通过System Coupling耦合求解器将Fluent和Transient Structure求解计算结果进行DataTransfer数据交换，在Analysis Setting设置面板中设置End Time和Step Size的值；设置各求解器的求解先后顺序。
7.根据权利要求1所述的高速受电弓的双向流固耦合三维数值模拟方法，其特征在于，所述步骤5中还包括在流场分析模块中将考虑流固耦合的受电弓各部件气动力时程曲线与未考虑流固耦合的受电弓各部件气动力时程曲线进行对比分析。
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