Fluent 合成风法高速列车横风静态气动特性仿真

本案例利用Fluent 合成风法对高速列车横风影响下的静态气动特性展开仿真，主要是对比了几种不同边界条件的影响，确定更为合理的边界条件，为后续的横风计算提供参考。对横风32m/s（风向角90°）、行驶速度为300km/s的复兴号展开仿真，该案例所用模型为假设模型，仅作计算设置参考。通过此案例后续可以对不同横风角度、不同模型、不同行驶速度等工况展开类似仿真计算。

1 合成风法说明

当给定边界条件时，对于侧风的设置如下：假设动车组列车的行驶速度为v，列车运行方向为向左运行，此时风作用于列车的空气流动的速度为−v。给定一个确定的侧风速度w，侧风向下作用，风向角度为a。由于作用于列车运行方向反向的空气流动速度与作用在列车侧壁上的侧风速度共同作用，产成了合速度u。在计算过程中，设置合速度u为入口边界速度矢量。

2 workbench 设置

本案例计算模型简单，且为瞬态计算，仅需选择Fluent（带网格划分模块即可），相关的workbench设置如下图：

 

3 SCDM 设置

3.1 导入几何

本案例对比了常见的两种建模方式，与三种不同的边界。

 

建模方式一

 

 

   建模方式二

可以发现，主要区别在于列车的角度，建模方式一列车平行于x轴。建模方式二列车与x轴有夹角。

4 Fluent meshing 设置

采用了Fluent meshing进行前处理，采用多面体的方法对体网格进行划分。具体的划分结果如下图所示：

 

 

5 FLUENT 设置

5.1 General设置与网格导入

由于本文只探讨稳态计算结果，此处的设置比较简单。

 

5.2 边界条件设置

地面设置为free-slip，几何图中未标注的其他边界为对称面。

本文主要探讨速度入口的区别对结果的影响，因相关文献对于该建模方式一仿真边界条件的描述十分模糊，此处针对该建模方式展开了两种不同的速度输入方法。

1）速度入口一为列车行驶速度、速度入口二为横风速度。具体设置如下：

 

 

2）速度入口一和速度入口二皆采用速度矢量分解。具体设置如下：

 

 

3）建模方式二采用的速度入口边界条件如下

 

5.3 初始化设置

三种方式的初始化方式一致，相关初始化设置如下图。

 

5.4 计算设置

此处进行的计算设置如下：

 

6 后处理结果

6.1 后处理云图结果

此处对三种计算结果进行了对比，第二种和第三种计算结果基本一致，第一种结果相差太大，因此不再阐述。由第二种和第三种的结果可知头车最大正压区出现在头车的车鼻偏向了迎风侧的方向。这主要是因为在侧风的作用下，来自列车运行方向的气流对列车的影响较弱，列车表面气流的主要来源从无风时的列车前方空气流动变成侧风导致的空气流动。

第二种计算结果：

 

 

第三种计算结果：

 

 

 

来源：CFD仿真库