橫風作用下鐵路貨車d型棚布的氣動升力分析

橫風作用下鐵路貨車d型棚布的氣動升力分析

鐵路卡車襯布（簡稱襯布）是鐵路卡車的輔助設備。它用于將防水、危險和其他貨物運到需要翻新的寬體汽車。長期以來,由于鐵路棚車不足,糧食、化肥等大宗貨物運輸多采用敞車苫蓋篷布裝運,貨車篷布在鐵路運輸中對貨物運輸量的增加起到了重要作用。當貨車篷布在大風地區(qū)運行時候,篷布、篷布繩索、篷布繩網(wǎng)受到的氣動力增大,經(jīng)常出現(xiàn)篷布脫落或繩索掛壞運輸設備的現(xiàn)象;同時,在電氣化區(qū)段如果篷布、繩網(wǎng)被掀翻,將直接危及接觸網(wǎng)的安全。目前對大風環(huán)境下客運列車氣動性能研究較多,對貨車篷布氣動性能的研究很少。本文作者對橫風作用下篷布的氣動升力進行了數(shù)值模擬計算,并與實車試驗進行對比,分析了列車在大風地區(qū)運行時,列車運行速度和橫風風速對其氣動升力的影響,總結出篷布所受的氣動升力隨著列車車速和橫風風速的變化規(guī)律。1非結構網(wǎng)格生成技術Fluent6.0是一個具有強大功能的流場數(shù)值計算軟件,采用目前應用最廣又較成熟的有限體積法對方程求解;采用非結構網(wǎng)格生成技術對計算區(qū)域進行離散,并可生成混合網(wǎng)格;其自適應功能非常強,能對網(wǎng)格進行細分或粗化。由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術,Fluent6.0能達到最佳的收斂速度和求解精度。Fluent6.0提供了多種湍流模型,這里我們選取工程上應用較廣的k-ε雙方程模型?？刂品匠叹唧w形式見參考文獻。2計算模型、區(qū)域、邊界條件和網(wǎng)絡計算2.1列車計算結果為了保證數(shù)值計算的準確性和計算機資源的有效利用,本次計算對敞車計算模型作了如下簡化:不考慮車輛轉向架,省略車輛細微結構,如車鉤等裝置;采用四車聯(lián)掛(機車和3節(jié)敞車)。采用三角形的篷布支架,超車幫0.75m,篷布采用D型鐵路篷布(其規(guī)格為15m×5.3m,面積為79.5m2)。列車計算模型如圖1所示,苫蓋篷布敞車模型如圖2所示,篷布計算模型如圖3所示。篷布在貨車運行過程中會受到氣動升力的作用,當貨物出現(xiàn)沉降時,為模擬篷布與貨物之間空氣的流動情況,計算模型中給定篷布距離敞車邊緣距離為0.02m,即篷布與貨物之間流道尺寸為0.02m,具體見圖4。2.2通過改善來流速度以提高模型阻塞比計算區(qū)域的確定應考慮到氣流繞流和流場的充分發(fā)展,因此,計算區(qū)域的寬和高應遠大于車體的截面尺寸。對于計算區(qū)域的高度尺寸而言,列車模型對氣流通道的阻塞,使通道變窄,流速有所增加,相當于改變了來流速度,應該盡量增大計算區(qū)域的高度尺寸,以減少模型阻塞比對計算結果的影響。對于入口方向長度而言,為了便于入口邊界條件的給定,入口截面應當盡量遠離車體,以避免受到列車繞流的影響,并且保證入口速度分布均勻。對于出口方向長度而言,由于空氣的粘性,在列車背風一側有漩渦產(chǎn)生。為了使列車背風側的空氣流動得到充分發(fā)展,應盡可能使出口區(qū)域邊界遠離車體模型,以便于出口邊界條件的給定。經(jīng)過試算比較與分析,計算區(qū)域的長度為400m,寬度為300m,高度為80m,如圖5所示。2.3合成風解壓計算數(shù)學模擬列車外流場的數(shù)值模擬是在有限區(qū)域內(nèi)進行的,因此,在區(qū)域邊界上需給定邊界條件。確定邊界條件要求在數(shù)學上滿足適定性,在物理上具有明顯的意義。本次采用合成風方法進行模擬計算,即通過給定計算區(qū)域入口速度的方法綜合考慮列車運行速度與風速的影響。入口ABCD、ABEF為速度入口條件;出口EFGH、CDGH為壓力出口,靜壓為零;地面(即ADEH面)給定滑移邊界條件,方向與車速方向相反,大小相等,以體現(xiàn)與列車之間的相對運動。流域的頂面與兩側面以及車體表面給定光滑的無滑移的壁面邊界條件。2.4車橋地區(qū)密網(wǎng)格和稀疏網(wǎng)格間的過渡采用非結構化網(wǎng)格對計算區(qū)域進行離散。車體靠近壁面的網(wǎng)格要求較細,而遠離車體部分的網(wǎng)格則采用稀疏網(wǎng)格,密網(wǎng)格和稀疏網(wǎng)格之間以一定的增長因子均勻過渡,這樣既保證精度要求,又減小計算量并加快收斂速度。車體表面單元為三角形網(wǎng)格,考慮到貨物沉降后對篷布氣動力的影響,計算模型中篷布與貨物之間存在間隙,此區(qū)域網(wǎng)格較密,計算模型總網(wǎng)格數(shù)為160萬個左右。計算模型沿車輛縱向的剖面網(wǎng)格圖如圖6所示,篷布網(wǎng)格圖如圖7所示。3計算結果和分析3.1布外表面壓力圖8為列車速度為64km/h,橫風風速為31.5m/s時,篷布外、內(nèi)表面壓力分布圖。從圖8可以看出:篷布內(nèi)、外表面基本上都為負壓,篷布外表面由于空氣流速較快,負壓值較大;而篷布內(nèi)表面由于空氣流速較慢,負壓值較小;在內(nèi)外壓差的作用下,整張篷布受到向上的氣動升力。3.2列車車速對重、速度值的影響選取橫風風速為31.5m/s(11級風),列車速度分別為64,80,90,100,120km/h來研究列車速度對篷布所受氣動升力的影響。表1為橫風風速一定、不同列車車速情況時篷布所受氣動升力計算結果。圖9為根據(jù)表1數(shù)據(jù)得到的篷布升力隨著列車車速變化曲線。從表1和圖9可以看出:當橫風風速一定時,隨著貨車運行速度增加,整張篷布所受向上的氣動升力增大。3.3不同橫風風速對加強重負荷時于選取列車車速為120km/h,橫風風速分別為20.7(8級風)、25.5(10級風)、31.5(11級風)、35.3(12級風)、41.4(13級風)來研究橫風風速對篷布所受氣動升力的影響。表2為列車運行速度一定、不同橫風風速情況時的篷布氣動力計算結果。圖10為根據(jù)表2數(shù)據(jù)得到的篷布升力隨橫風風速變化曲線。從表2和圖10可以看出:當列車車速一定時,隨著橫風風速增大,篷布受到的氣動升力相應增大,篷布所受氣動升力近似與風速的平方成正比。3.4實車試驗結果圖11為實車試驗時無網(wǎng)D型篷布各繩索拉力測點布置圖。表3列出了實車試驗時(貨車速度為64km/h,風速為31.5m/s)無網(wǎng)D型篷布各篷布繩索所受拉力。由文獻可知:1m2干燥篷布(包括涂覆織物)的重量為840g,D型篷布長為15m,寬為5.3m。通過計算可以得到整塊D型篷布的重量為66.78kg,重力加速度取10m/s2。由表3數(shù)據(jù)可得實車試驗時無網(wǎng)D型篷布繩索所受合拉力為24934N,篷布升力值等于試驗所有繩索受到的合拉力與篷布重量之和。試驗與計算結果對比見表4。由表4可知:計算與試驗結果僅相差6.8%,證明文中所用數(shù)值計算方法可行。4風速隨轉速的變化(1)列車速度一定時,篷布所受氣動升力隨橫風風速的增加而