高速列车近尾流区涡旋结构的湍流特性分析.pdfVIP

第38卷 ，第 2期 中 国 铁 道 科 学 VoL38 No．2 2017年 3月 CHINA RAILWAY SCIENCE March，2017 文苹编号 ：1001-4632 【2017)02—0083—06 高速列车近尾流区涡旋结构的湍流特性分析 潘永琛 ，姚建伟 ，梁 策 ，李昌烽。 (1．中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081； 2．中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心，北京 100081； 3．江苏大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江 212013) 摘 要：为降低高速列车的气动阻力和气动噪声提供理论支撑，以CRH380A型高速列车为原型，建立比 例尺为 1：30的高速列车空气动力学模型，应用分离涡模拟方法对其周围流场进行数值计算。在对数值模拟方 法合理性验证的基础上，结合湍动能和雷诺应力的变化规律，对高速列车近尾流区涡旋结构的湍流特性进行分 析。结果表明：在尾车鼻端附近，近尾流区涡旋结构 中的湍流涡旋具有可观的湍动能，并随着向下游发展而逐 渐耗散，与此同时涡旋结构中所携带的能量沿展向方向移动；在尾车鼻端附近，受车体侧表面分离形成的剪切 流动的影响，近尾流区涡旋结构中的湍流涡旋在较高的垂向位置上能够使流向和展向的脉动速度之间保持很好 的相关性，而离尾车稍远的湍流涡旋则会在较低的垂向位置产生相对较大的雷诺应力；雷诺应力在垂向上的变 化规律受到分别来 自车体底部和车体顶部的分离剪切流动的影响，并且尾车鼻端附近的湍流涡旋在受到由车体 底部分离形成的剪切流动的作用时，能使流向与垂向的脉动速度之间保持相对较好的相关性 ，即相应的雷诺应 力较大。 关键词：高速列车；湍流尾流；涡旋结构 ；湍流特性 ；数值模拟 ；湍动能 ；雷诺应力 中图分类号：U271．91；0357．5 文献标识码：A doi：10．3969／i．issn．1001—4632．2017．02．13 高速列车的尾流是非常复杂的湍流流动，尤其 况，并讨论相关的气动特性，鲜有从湍流动力学的 在其近尾流区域 内产生并密集分布着湍流涡旋结 角度对近尾流区涡旋结构的湍流特性进行分析。 构，这使得高速列车尾车部位成为气动阻力和气动 本文针对高速列车近尾流区的涡旋结构，通过 噪声 问题 的主要来源之一_1]。 分析湍流动力学中较重要的物理统计量 (包括湍动 针对高速列车的尾流，很多学者进行了大量研 能和雷诺应力)，讨论其湍流流动特性，以期丰富 究。Baker等E4-63针对高速列车的湍流边界层参数 以往试验和数值研究中对高速列车湍流尾流的认 (边界层厚度和形状因子等)和流场特性 (包括尾 识，为减阻降噪等研究提供潜在可行的解决思路。 流区)进行了详细的试验研究以及相关的讨论分 析。Muld等[73应用本征正交分解重构高速列车缩 1 数值模拟方法 尺模型的尾流流场，借此讨论其流动结构。Yao 等[8]结合瞬态的压力、速度和涡量分布云图，对高 1．1 高速列车简化模型及计算域 速列车的湍流尾流进行分析，并讨论了尾车的气动 以CRH380A型高速动车组为原型，建立 比例 特性参数 (如升力系数等)。Hemida等-g]研究讨论 尺为 1：30的高速列车空气动力学模型，其由头车 了尾流区的瞬态流动，认为相比于车体表面边界层， 和尾车以及 2节车厢构成。建立高速列车空气动力 近尾流区复杂的三维湍流具有更大的湍流结构，对 学模型时经过简化，除了按一般方法处理，即不考 近尾流区的空气流动情况发挥着重要的影响作用。 虑受电弓部件、车厢间的连接间隔以及车窗和车门 以上试验和数值研究大多是分析高速列车尾流区的