1 高速鐵路設(shè)計(jì)中CAE分析技術(shù)的應(yīng)用

　　在列車時(shí)速低于200 km的鐵路設(shè)計(jì)中，輪軌激勵(lì)及其引起的振動(dòng)是列車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮的主要問(wèn)題，故在該階段主要使用的CAE分析技術(shù)是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度仿真分析，一般剛體動(dòng)力學(xué)仿真分析及與電器電路有關(guān)的電磁場(chǎng)仿真分析，很少涉及空氣動(dòng)力學(xué)仿真分析，只有在計(jì)算空氣阻力時(shí)涉及流體力學(xué)的一些理論與基本方法，基本不需要CFD技術(shù).但是，在列車時(shí)速超過(guò)200 km，尤其是接近350 km或者更高時(shí)，不僅列車的主要阻力來(lái)源于空氣，高速氣流產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力也成為列車振動(dòng)的主要外載，空氣噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)輪軌噪聲成為主要噪聲源.在低速列車中，受電弓處產(chǎn)生的空氣噪聲強(qiáng)度與輪軌噪聲基本相當(dāng)，而在高速列車中，受電弓處產(chǎn)生的空氣噪聲可以讓輪軌噪聲忽略不計(jì).使用理論方法分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)具有很大困難，高速風(fēng)洞的欠缺使試驗(yàn)測(cè)試手段受到制約.因而，在高速鐵路的設(shè)計(jì)分析中，CFD技術(shù)成為目前解決與空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)課題的重要手段.從圖1可以清楚看到CAE分析技術(shù)在低速鐵路和高速鐵路設(shè)計(jì)分析中各學(xué)科的比例.

　　圖1 CAE分析技術(shù)在低速和高速鐵路設(shè)計(jì)分析中各學(xué)科的比例

　　2 高速列車CFD分析的3大任務(wù)

　　在高速列車設(shè)計(jì)和分析中，進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)分析的數(shù)值方法須完成3個(gè)比較重要的任務(wù)：(1)高速列車行駛時(shí)的空氣阻力;(2)各種行車工況下的脈動(dòng)壓力;(3)由脈動(dòng)壓力產(chǎn)生的空氣噪聲.

　　(1)使用一般的CFD計(jì)算分析軟件就可以較為準(zhǔn)確地獲得高速行駛時(shí)空氣阻力的計(jì)算結(jié)果.目前較為常用的CFD軟件有FLUENT和STAR.CD等.車速在350 km/h時(shí)，雷諾數(shù)較小，空氣仍然可以看作不可壓縮，此時(shí)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)或者瞬態(tài)計(jì)算分析便可得到列車阻力與車速的關(guān)系.主要困難在于，為了降低空氣阻力、提高穩(wěn)定性，目前對(duì)車頭進(jìn)行流線型側(cè)翼添加導(dǎo)流槽設(shè)計(jì)，給流體分析帶來(lái)網(wǎng)格剖分的難度，一般使用高密度網(wǎng)格可以比較好地解決該問(wèn)題.

　　(2)在高速列車會(huì)車時(shí)，氣動(dòng)作用力發(fā)生很大變化.兩列車相對(duì)運(yùn)行會(huì)車時(shí)的氣動(dòng)作用影響隨車速的2次方函數(shù)遞增.因此隨著列車運(yùn)行速度的提高，會(huì)車時(shí)產(chǎn)生的氣動(dòng)壓力波對(duì)列車側(cè)壁和側(cè)窗強(qiáng)度的影響、對(duì)車內(nèi)乘客舒適度的影響以及對(duì)列車運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的影響急劇增加，廣深線準(zhǔn)高速列車運(yùn)行初期因會(huì)車導(dǎo)致的破窗事故就多次發(fā)生.

　　在計(jì)算分析時(shí)，不可壓縮與可壓縮的判別非常重要.從理論上講，200 km時(shí)速的列車會(huì)車時(shí)，相對(duì)速度已經(jīng)達(dá)到400 km/h，雷諾數(shù)較大，應(yīng)當(dāng)考慮空氣的可壓縮性，但研究表明，此時(shí)空氣的可壓縮性對(duì)氣動(dòng)壓力波影響較小，見(jiàn)圖2.列車以350 km時(shí)速交會(huì)時(shí)，相對(duì)速度達(dá)700 km/h，必須考慮空氣的可壓縮性，見(jiàn)圖3.從圖2和3可以看出，低速會(huì)車時(shí)負(fù)壓最大為800 Pa左右，而高速會(huì)車時(shí)負(fù)壓已經(jīng)接近2 500 Pa.

　　圖2低速可壓縮與不可壓縮產(chǎn)生的壓力對(duì)比

　　圖3高速會(huì)車時(shí)的壓力曲線

　　(3)高速列車噪聲的氣動(dòng)聲學(xué)數(shù)值分析是高速列車流體分析的重要內(nèi)容.高速列車噪聲一般產(chǎn)生在艙門(mén)、擋雪板、轉(zhuǎn)向架、雨刷和集電部等5個(gè)部分.集電部的噪聲源強(qiáng)度可以達(dá)到120 db左右，在進(jìn)行空氣阻力和會(huì)車壓力波分析時(shí)，由于以上5個(gè)部分結(jié)構(gòu)部件相比車體細(xì)小且復(fù)雜，所以不能考慮進(jìn)去，尤其是集電部有眾多電子及絕緣部件必須進(jìn)行單獨(dú)的流體分析。在集電部噪聲源分析技術(shù)方面，日本和法國(guó)等國(guó)家積累的經(jīng)驗(yàn)相當(dāng)豐富，圖4是日本依據(jù)CAE分析技術(shù)改進(jìn)后的幾代集電部形態(tài)，可以大大降低噪聲.

　　圖4 日本依據(jù)CAE分析技術(shù)改進(jìn)的幾代集電部形態(tài)

　　3 高速列車空氣動(dòng)力學(xué)CAE分析技術(shù)的方向

　　(1)借鑒航空器，尤其是飛機(jī)設(shè)計(jì)中的空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值分析技術(shù)和手段，建立對(duì)高雷諾數(shù)流體的數(shù)值模擬方法.

　　(2)高速列車在會(huì)車時(shí)，有明線車、隧道會(huì)車，等速及不等速會(huì)車，以及直線會(huì)車、彎道會(huì)車等各種復(fù)雜工況，這些數(shù)值分析都需要發(fā)展動(dòng)網(wǎng)格和滑移網(wǎng)格技術(shù).雖然已經(jīng)有研究者在各種分析平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了這些技術(shù)的應(yīng)用，但是求解規(guī)模和效率受到很大限制.

　　(3)開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高速列車空氣動(dòng)力學(xué)分析模塊，建立中國(guó)高速列車專用的數(shù)值風(fēng)洞，具有國(guó)際戰(zhàn)略意義.中國(guó)不僅要在自己的土地上建設(shè)世界上跑得最快的火車，而且要擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并成為技術(shù)輸出大國(guó).建立高速列車數(shù)值風(fēng)洞，意義深遠(yuǎn).