申请/专利权人：兰州交通大学

申请日：2023-06-13

公开（公告）日：2024-04-23

公开（公告）号：CN116882311B

主分类号：G06F30/28

分类号：G06F30/28;G06F30/23;G06F113/08;G06F119/14

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.23#授权;2023.10.31#实质审查的生效;2023.10.13#公开

摘要：本发明公开了高速列车升力翼常态化工作迎角的计算流体动力学确定方法，以布设在下一代时速400+km高速列车车顶的升力翼为研究对象，其中所述升力翼为上凸下平的翼剖面结构；以高速铁路限界为约束条件，基于计算流体动力学计算方法，从不同迎角对应的升力翼气动力特性和升阻特性构建多指标数学模型进行评价和分析，确定限界条件内适应该速度等级范围的高速列车升力翼常态化工作迎角。该高速列车升力翼常态化工作迎角的计算流体动力学确定方法能够给现阶段高速列车装配升力翼的科学选型及安装布局提供一个典型参考方案，同时能够有效解决针对现有高速列车升力翼选型适用性低、实车上线试验困难及试验成本高等问题。

主权项：1.高速列车升力翼常态化工作迎角的计算流体动力学确定方法，其特征在于：所述方法以布设在下一代时速400+km高速列车车顶的升力翼为研究对象，其中所述升力翼为上凸下平的翼剖面结构；以高速铁路限界为约束条件，基于计算流体动力学计算方法，从不同迎角对应的升力翼气动力特性和升阻特性构建多指标数学模型进行评价和分析，确定限界条件内适应速度等级范围的高速列车升力翼常态化工作迎角；具体高速列车升力翼常态化工作迎角的计算流体动力学确定方法包括以下步骤：1）建立高速列车升力翼多工况流体动力学计算模型：11）几何模型：明确计算动车组模型和满足限界条件内的升力翼模型；111）确定动车组几何模型：以中国标准动车组外观构造为依据，选择1比1标准8辆编组的动车组几何模型；112）确定升力翼几何模型：升力翼为上凸下平的翼剖面结构，其中所述升力翼中部最大翼剖面弦长为1200mm，最大厚度为300mm；所述升力翼横向截面上部从中间向左右两侧翼剖面逐渐过渡减薄，所述升力翼横向左右两侧对称设计，垂向投影面内呈矩形，所述矩形横向长为1800mm，迎角为0度放置时垂向投影面内所述矩形的宽度尺寸等于所述升力翼中部最大翼剖面弦长；113）确定带高速列车升力翼的单对象装配模型：明确具体选定高速列车在计算速度等级条件下纵向对称面内，外轮廓线上所受空气压力分布情况，分区判断并选取高速列车车顶上部纵向流场结构较为稳定的区段范围S；在所述区段范围内，选择高速列车头车车顶上部稳定区段范围S1安装单组升力翼为研究对象；12）流体动力学有限元计算模型：121）设定数学模型：设定计算采用有粘可压缩的Navier-Stokes方程，湍流模拟采用k-ω湍流模型，采用有限体积的离散化方法，离散项采用二阶隐式格式，对流项采用二阶迎风和有界中心格式；122）确定计算域：以带单排升力翼的所述标准8辆编组的动车组几何模型的列车总长L为参考对象，创建长为4倍列车总长L，宽为2倍列车总长L，高为1倍列车总长L的长方体外流场计算域；所述带单排升力翼高速列车计算模型位于所述长方体外流场计算域对称边界中部，其中高速列车头车鼻尖距离外流场前侧面距离为1倍列车总长L，尾车鼻尖距离外流场后侧面距离为2倍列车总长L，所述带单排升力翼高速列车计算模型车体底面距离外流场下底面为0.4m；123）计算设置：网格划分采用非结构化网格，其中对于高速列车头车及尾车、流固接触面和升力翼外围流场变化突出的区域，采用全局和局部网格相配合叠加的处理模式，计算湍流强度设为0.5%，残差取值范围为10-6~10-4；2）升力翼最大升阻差分析计算：21）计算工况选择：以步骤1）所确定的带单组升力翼的高速列车的升力翼不同迎角γ为研究对象，设定计算风速为450kmh，升力翼起升高度为0.4m；在所述迎角γ属于0°~30°范围内，以≤5°为变化梯度进行升力翼气动特性分析；22）计算多工况条件下升力翼所受气动力：根据步骤21）的计算结果，在同一坐标系中依次导入多工况升力翼迎角γ-所受气动升力FL与气动阻力FD变化散点；在此基础上利用二次多项式曲线拟合分别构造气动升力FL与气动阻力FD关于迎角γ的一般关系式，即为：气动升力FL关于迎角γ的一般关系式：FL=-awγ2+bwγ+cw1气动阻力FD关于迎角γ的一般关系式：FD=-amγ2+bmγ+cm2式（1）和式（2）中，aw、bw、cw、am、bm、cm均大于0，为与运行速度、迎角及起升高度有关的系数；其中采用所述二次多项式拟合的气动升力FL与气动阻力FD关于迎角γ的一般关系式精确程度采用R2值进行误差判断，需满足R2≥0.96，不满足此条件则调整步骤1）所述的高速列车升力翼多工况流体动力学计算模型的相关设置参数，或采用更高次多项式函数进行拟合计算，直至满足条件：23）构造最大升阻差函数模型：构造升力翼最大升阻差函数为：∆Fγ=FL-FD=-aw-amγ2+bw-bmγ+cw-cm3，求解∆Fγ′=0时对应的迎角γ0值，即为满足最大升阻差对应的迎角值；3）升力翼升阻特性分析计算：31）构建阻力系数关于迎角的函数模型：在步骤2）的基础上构造升力翼升力系数CL、阻力系数CD与迎角γ的一般关系式为：升力翼升力系数CL迎角γ的一般关系式：CL=-awlγ2+bwlγ+cwlckcosγ4升力翼阻力系数CD迎角γ的一般关系式：CD=-amdγ2+bmdγ+cmdADγ5式（4）和式（5）中，awl、bwl、cwl、amd、bmd、cmd均大于0，为与运行速度、空气参数、升力及迎角有关的系数；ADγ为升力翼纵向投影面积，为与迎角γ相关的函数式，其中，c为升力翼弦长，k为升力翼在限界内的横向展长；32）根据式（4）和式（5）在所述迎角γ属于0°~30°范围内，取≤5°的变化梯度进行升力翼升力系数CL和升力翼阻力系数CD的计算；33）构建升力翼升力系数和阻力系数的函数模型：在笛卡尔直角坐标系中分别以步骤32）所计算的不同迎角γ所对应的升力翼升力系数CL为纵坐标，以升力翼阻力系数CD为横坐标，采用二次多项式曲线进行拟合高速列车升力翼升力系数和阻力系数近似满足一种抛物线关系函数关系，表示为： C D =k 1 C 2 L +k 2 C L +C D06式（6）中，CD0为零升阻力系数，即升力系数为0时对应的阻力系数；k1，k2为系数；34）根据步骤33）所确定的高速列车升力翼升力系数和阻力系数的函数关系式的基础上，引入升阻比K，定义为升力翼的升力系数CL与阻力系数CL之比，即： K=CLCD735）确定升力翼最大气动效率：在步骤33）所建模的笛卡尔直角坐标系中，过原点0,0作升阻特性曲线的切线，切点KmaxCLM,CDM为最大升阻比，所述最大升阻比KmaxCLM,CDM满足： C LM k1C2LM+k2CLM+CD0=1C′DCLM=12k1CLM+k28联合求解升力翼最大气动效率时对应的CLM与CDM的值；在步骤33）所建模的笛卡尔直角坐标系中，根据所计算的升力翼最大气动效率时对应的CLM与CDM的值，采用插值法求解对应迎角γ1值，即为满足最大气动效率对应的迎角值；4）确定高速列车升力翼常态化工作迎角：41）根据步骤2）最大升阻差函数模型得到的满足最大升阻差对应的迎角值γ0，步骤3）升力翼升阻特性模型得到的满足最大气动效率时对应的迎角值γ1，判断二者误差条件：│γ1-γ0│γ1≤0.0625942）满足步骤41）中式（9）所示的误差条件时，取步骤3）升力翼升阻特性模型得到的满足最大气动效率时对应的迎角值γ1为高速列车升力翼常态化工作迎角；不满足式（9）所示的误差条件时，重新调整相关计算模型精度或函数模型构造方法，循环计算。

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百度查询： 兰州交通大学 高速列车升力翼常态化工作迎角的计算流体动力学确定方法

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