Simcenter STAR-CCM+助力中车四方股份公司实现列车风特性设计验证

 

故事摘要
  业务诉求
        随着高速铁路技术的不断发展，列车运行时速呈现逐步上升的趋势。列车高速运行带来气动效应方面的危害也日益显著。当列车高速运行时，尤其是当列车运行与不利的环境因素 (例如横风环境)合时，其带动周围气流运动引发的列车风以及强烈的气压瞬时波动作用在铁路沿线的工作人员以及相关设施上，会对铁路安全造成巨大的隐患。因此，有必要对列车在不同横风环境下运行时周围流场的结构特征进行系统性的研究。
    解决方案
        中车四方股份公司通过采用SimcenterTM STAR-CCM+TM software数值模拟的手段，研究列车处于不同横风风速以及风向角下地面以及车身周围空间的流场分布规律。
    实施效果
        Simcenter STAR-CCM+数值模拟结果与风洞试验结果一致。研究结论为高速列车风致安全性的评估提供了指导，为制定线路道旁人员及设施的安全退避距离提供了理论依据。

企业背景介绍

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 (中车四方股份公司) 简介:

        中车四方股份公司以高速列车系统集成国家工程实验室、国家高速动车组总成工程技术研究中心、国家级技术中心、博士后科研工作站、国家级工业设计中心和国家高速列车产业计量测试中心6个国家级创新平台为依托，集成全国相关优势科技资源和产业资源，构成了涵盖研发、设计、试验等方面具有行业特色的、开放式的自主研发基地。

        中车四方股份公司是中国首列时速200公里、300公里、380公里高速动车组，首列““复兴号””动车组首列城际动车组和首列中国标准地铁列车的诞生地。自主研制的CRH380A型高速动车组创造了486.1公里/小时世界铁路运营试验最高速。研制的复兴号”CR400AF动车组实现时速350公里运营使我国成为世界上高铁商业运营速度最高的国家。

企业亟待解决的业务问题

        试验对仿真的验证: 风洞试验列车采用2+2重联编组，在模型侧边地面附近设置压力孔，通过压力传感器采集压力，使用 Simcenter STARCCMI+建立与试验对应的仿真模型，并对仿真精度进行验证。

        仿真场景的拓展:列车周围处于较大的湍流环境中，其周围的空气流动伴随大量涡结构的不断生成和脱落。列车周围空气流速和压力的变化也是这一周期过程作用的结果。在验证了的Simcenter STAR-CCM+仿真模型基础上，对列车在不同横风风速的工况下流场分布进行了分析对比。

企业应用实践与探索

企业与西门子工业软件的合作历程：

         中车四方股份公司从2013 年开始使用Simcenter STAR-CCM+，积累了丰富的CFD仿真经验并广泛的应用于轨道车辆的设计与研发。

解决方案实际应用情况与探索:

        当列车处于横风环境下运行时，在列车的背风侧出现明显的涡流结构，通过仿真列车在横风条件下运行状态，了解了其车身周围的流场结构，获取了压力、速度波动变大的原因。

        对8+8重联编组进行了不同方向的横风仿真，并与2+2重联编组结果进行了流场、风速、压力分布的对比，分析了引起了压力以及风速的空间分布差异的原因。

实施成效:

        通过Simcenter STAR-CCM+对列车风进行仿真分析，确定了列车在不同工况下产生涡流结构的位置，并对出现的流动分离、涡脱落、压力脉动等问题给出了解释。

实施企业证言与点评:

        “Simcenter STR-CCM+ 能够对列车在不同工况下的列车风分布进行预测，为列车安全运行提供参考数据72

韩运动博士

中车四方股份公司

未来合作展望:

        下一阶段，使用 Simcenter STARCCM+开展流固耦合、风雪、风沙多相流等问题进行仿真分析。