基于OpenFOAM的高速列車多相流計算模型的開發(fā)和應用.pdf

1、隨著我國高速鐵路的發(fā)展，列車的運行速度不斷提高，鐵路沿線的地理環(huán)境越來越復雜，列車運行所面臨的問題也越來越多。列車在強側風、暴風雪等極端惡劣天氣條件下行駛時，列車的氣動特性與明線相比變化較大，存在脫軌、傾覆等危害列車安全的問題。為使高速列車在各種工況下安全運行，很有必要研究列車在極端惡劣氣候天氣下運行的氣動特性變化規(guī)律，及其對列車傾覆臨界速度的影響。
　　 本文基于開源的CFD工具OpenFOAM，建立了基于歐拉雙流體方法的多相

2、流計算模型，實現(xiàn)了側風條件下的單相空氣流動和降雪條件下的多相流動的數(shù)值模擬。對空氣相和顆粒相分別求解了不可壓N-S方程、濃度方程、標準κ-ε湍流兩方程。單相流動的數(shù)值計算結果與FLUENT的計算結果進行比較，驗證了OpenFOAM作為CFD平臺的有效性。同時，探討了OpenFOAM平臺中重要的計算參數(shù)對計算結果的影響，如邊界條件、離散格式、網(wǎng)格質量、高效的曳力模型(GidaspowSchillerNaumann)，顆粒相的摩擦應力模型(

3、Schaeffer)，以及不同的湍流模型等，有效地提高了數(shù)值模擬的計算效率和計算精度。
　　 經(jīng)過驗證的OpenFOAM雙流體計算模型被用于研究高速列車在強側風和暴風雪天氣條件下的氣動特性。計算了不同天氣條件下列車周圍流場的壓力、速度等的分布情況，研究了惡劣天氣狀況下列車氣動力的變化規(guī)律。研究結果表明，在橫風天氣下，高速列車升力和阻力都隨側風風速的增大而增大，側向力和升力急劇增大，有可能導致列車失穩(wěn)甚至傾覆。暴風雪天氣下，列車受

4、到的升力減小，側向力和側滾力矩都相較無降雪工況有顯著增加，其原因是密度大的雪粒，在下落過程中對列車產(chǎn)生了一定的作用力。列車側向力的增大比升力減小的幅值要大，起主導作用，因而在降雪工況下，降雪不僅會影響軌道的通行品質，也會導致列車更易傾覆，尤其是在暴風雪天氣下，更應引起足夠重視。
　　 為了研究列車氣動性能的改變對列車安全運行的影響，本文采用了列車的傾覆力矩模型，通過列車的力矩平衡原理，給出了列車的力矩平衡方程，求解該方程即可得出