基于OpenFOAM的高速列車多相流計算模型的開發(fā)和應(yīng)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(fù)雜，列車運行所面臨的問題也越來越多。列車在強側(cè)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(cè)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(jié)果與FLUENT的計算結(jié)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(jié)果的影響，如邊界條件、離散格式、網(wǎng)格質(zhì)量、高效的曳力模型(GidaspowSchillerNaumann)，顆粒相的摩擦應(yīng)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(cè)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(jié)果表明，在橫風天氣下，高速列車升力和阻力都隨側(cè)風風速的增大而增大，側(cè)向力和升力急劇增大，有可能導(dǎo)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(cè)向力和側(cè)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(cè)向力的增大比升力減小的幅值要大，起主導(dǎo)作用，因而在降雪工況下，降雪不僅會影響軌道的通行品質(zhì)，也會導(dǎo)致列車更易傾覆，尤其是在暴風雪天氣下，更應(yīng)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