一种基于限界约束的高速列车升力翼翼型的计算流体动力学选择方法

1.本发明涉及轨道交通装备制造及列车空气动力学领域，具体涉及一种基于限界约束的高速列车升力翼翼型的计算流体动力学选择方法。


背景技术：

2.在分析世界高速列车及我国高速列车发展现状的基础上，下一代高速动车组应该在更高速、更安全、更环保、更经济、更舒适、更友好6个方面具有明显的代际特征，其中，更高速体现在深入优化改善轮轨关系及弓网关系，进一步降低列车运行阻力及全方面的轻量化设计，实现时速达400+km的商业运营，形成谱系化产品；更安全体现在持续提升全生命周期的智能化列车运行安全保障及全方位的预警监测；更环保体现在进一步提高环保性指标，其中运行阻力减少5-10％，能耗减少10-15％，车厢内环境噪声降低3-5db，同时加大高效能、轻量化等领域新材料及结构设计应用，实现轴重减少5-10％；更经济体现在深化智能化技术，提升故障预测与健康管理，实现预期全生命周期成本比现有高速动车组降低10-15％，可用性提升5-10％。
3.随着预期设计运行速度的进一步提升，高速列车运行牵引能耗将持续增大、轮轨磨耗将进一步加剧、车体振动及轮轨动力学问题将更加突出、列车空气动力学效应愈加明显，此过程不可避免的面临牵引供电资源紧张、列车关键走行部件维修周期压缩与使用寿命降低、气动噪声与气动阻力骤增，以及复杂风环境下等工况下的列车行车安全问题。为了在更高速度运行条件下降低列车全寿命周期成本，研究提出了带有升力翼的高速列车概念，突破传统高速列车气动外形设计理念，结合高速列车和飞行器各自优势，以期通过增加列车气动升力，实现高速列车整体节能降耗。
4.20世纪末，日本东北大学最早提出了“气动悬浮列车”设计概念，通过在地面附近布置地效翼，利用地面效应增升，给列车提供升力，同时对气动悬浮列车所用翼型进行了初步设计研究，认为其运载经济效率要高于磁浮列车和高速民航客机，并制作出了气动悬浮列车实验车型，提出了一种添加升力翼的概念设计方案，在车顶和车底侧面布置“仿机翼”，并给出了一些可供选择的翼型。
5.对于翼型的选择及运用方面，现阶段也做过大量研究，从对风洞环境下的naca0015翼型数值仿真研究及试验结果对比中，发现两者的差异主要是由翼型的气流分离位置差异所导致的；在针对naca0015翼型不同迎角下的气动特性数值仿真研究中，发现该翼型在10
°
以上迎角下即出现失速现象；通过风洞试验对二维naca4412翼型在不同迎角、不同飞行高度（升力翼与车顶之间的距离）时的升力和阻力变化规律进行了研究，发现翼型在各迎角下靠近地面都会导致上表面的吸力损失；在针对低雷诺数条件下多种翼型的气动特性的试验研究中，得到了气动特性较优的翼型及不同迎角下的翼型升力变化规律。
6.上述相关研究表明，翼型的气动设计直接关系着高速列车气动特性的优劣，设计出具备良好气动特性的升力翼是升力翼列车技术的关键。截止目前，围绕这一目标，研究提
出了多种设计方案，比如授权公告号为cn113602299b，发明名称为高速列车气动力调控的伸缩翼装置、高速列车及控制方法，授权公告号为cn210133111u，发明名称为高速轨道交通列车侧翼升力控制机构的中国实用新型专利，授权公告号为cn202175052u和cn202175053u公开的一种高速列车车翼装置等。但总体来看并未充分与高速列车的发展实际相结合，尤其表现在升力翼选型方法、结构设计方案、安装布置形式、控制方式及实车应用等方面基本处于空白状态。
7.基于此，在现阶段我国围绕高速智能绿色铁路装备大发展的背景下，研发选择一种适应现阶段铁路限界约束的的增升效果明显、阻力系数小、气动噪声小、安装空间小的高速列车升力翼是目前高速列车提速运行及贯彻节能降耗发展绿色铁路装备亟待解决的问题之一。


技术实现要素：

8.针对中国现阶段高速铁路及标准动车组标准限界，为能够科学地研发选择一种适应现阶段铁路限界约束的的增升效果明显、阻力系数小、气动噪声小、安装空间小的高速列车升力翼，本发明提出一种基于限界约束的高速列车升力翼翼型的计算流体动力学选择方法。
9.为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现：一种基于限界约束的高速列车升力翼翼型的计算流体动力学选择方法，所述方法以布设在高速列车车顶的升力翼为研究对象，以高速铁路限界为约束条件，建立多方案升力翼三维几何模型，采用计算流体动力学计算方法，从流线型外观设计、气动力特性、流场结构等多目标参数综合评价和选择，确定适应下一代时速400+km高速列车升力翼翼型的基本三维结构方案。具体基于限界约束的高速列车升力翼翼型的计算流体动力学选择方法包括以下步骤：1）明确限界内可供升力翼布设的有效安装空间：11）根据铁路建筑限界、桥隧限界条件及具体适用车型车辆限界条件，确定高速列车升力翼装置在限界内车顶上部最大有效安装空间（s1），以及车体两侧有效安装空间（s2）；12）考虑下一代时速400+km高速列车车侧流线型表面设计、车门及车窗位置、风挡及车顶设备等对升力翼两侧布设位置的无序性影响，布设选择限界内车顶上部最大有效安装空间（s1），舍弃车体两侧有效安装空间（s2）；2）建立多方案升力翼数字化三维几何模型：21）确定高速列车升力翼基本翼剖面：参考飞机等飞行器的机翼设计理念与方法，提出适合对于时速400~450km范围运行的轮轨列车的翼剖面备选方案：平凸型、凹凸型和双凸型3种常见翼型，在该速度范围内确定相同气动设计尺度，采用计算流体动力学方法，模拟计算并优先考虑小阻力大升力的翼剖面设计，同时结合可升降升力翼与高速列车车顶面接触空气动力学性能，选用适配车顶局部表面的平凸型翼剖面进行高速列车升力翼的设计研究；22）确定平凸型升力翼数字化三维几何模型：以平凸型翼剖面为雏形，根据高速列车升力翼工作气动环境、尺度空间和多角度姿态特征等，初步选定升力翼弦长、最大厚度、
前缘半径、后缘角为固定参数，主要针对升力翼横向流线型曲面下偏角和纵向前后掠角对升力翼气动性能的主要影响，给出零偏角平凸型（mod1）、带偏角平凸型（mod2）和带掠角平凸型（mod3）3种升力翼设计方案；其中，零偏角平凸型（mod1）升力翼为横向任意位置翼剖面几何参数均一致设计；带偏角平凸型（mod2）升力翼为横向从中间向两侧翼剖面逐渐过渡减薄；带掠角平凸型（mod3）为在所述带偏角平凸型（mod2）的基础上两侧向后同时在水平面内前缘设计存在前掠角，后缘设计存在后掠角；3）建立升力翼流体动力学计算模型：31）设定数学模型：设定计算采用有粘可压缩的navier-stokes方程，湍流模拟采用标准的涡黏性模型，其中所述标准的涡黏性模型将湍流黏性系数和湍流动能与湍流动能耗散率相关联，求解模型采用有限体积法，对流项采用二阶迎风和有界中心格式，离散项采用二阶隐式格式；32）确定带升力翼高速列车计算模型：以中国标准动车组外观构造为雏形，选择包含1节头车、1节中间车及1节尾车组成的1比1的三编组标准模型，其中升力翼按单组设置，布设在头车车顶纵向中心处；33）确定计算域：以带单排升力翼的所述三编组标准模型的列车总长（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；34）计算设置：采用有限体积法进行计算域内非结构化网格划分及求解，其中对于高速列车头车及尾车、流固接触面和升力翼外围等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
；4）多方案带升力翼高速列车气动力特性比较分析：41）气动力比较分析：分别以零偏角平凸型（mod1）、带偏角平凸型（mod2）和带掠角平凸型（mod3）3种不同升力翼设计方案为模拟计算对象，设定计算风速为250、300、350、400、450km/h，升力翼工作迎角为16
°
，升力翼起升高度为400mm，进行气动特性分析，分析计算不同速度等级条件下升力翼所受气动升力f
l
与气动阻力值fd，根据davis公式采用过原点开口向上的抛物线拟合升力翼所受气动升力f
l
与气动阻力fd随速度变化函数；根据拟合曲线判断确定小气动阻力、大气动升力变化趋势的升力翼翼型方案i；42）气动系数比较分析：在此基础上采用统一量纲升力系数c
l
及阻力系数cd分别计算升力翼所受气动升和阻力大小，其中升力系数c
l
计算公式为c
l
=f
l
/(0.5ρa
lv2
)，阻力系数cd计算公式为cd=fd/(0.5ρa
dv2
)，式中：a
l
为升力翼垂向投影面积，所述垂向投影面积计算公式为a
l
=ckcosγ；其中，c为升力翼弦长，k为升力翼在限界内的横向展长，k在限界内的约束条件为k＞k≥1600mm，k为铁路建筑限界内可安装升力翼空间的最大横向尺寸；ad为升力翼纵向投影面积，其中所述升力翼纵向投影面积ad采用三维几何最大轮廓投影计算的方式在数字化三维辅助设计平台上计算；ρ为15℃标准大气压下的空气密度；v为计算风速；经流体动力学计算分析，采用列表方式比对各型升力翼气动力系数，样式为：翼型零偏角平凸型（mod1）带偏角平凸型（mod2）带掠角平凸型（mod3）
升力系数c
l
计算值n1计算值n2计算值n3阻力系数cd计算值n4计算值n5计算值n6根据气动力系数计算表，判断确定小阻力系数、大升力系数的升力翼翼型方案ii；43）升力翼表面气动压力系数比较分析：根据步骤3）所建立升力翼流体动力学计算模型，在同一速度等级条件下，模拟计算的升力翼中线翼剖面轮廓线上每个计算单元节点的静压值p，计算每个所述计算单元节点的压力系数c
p
，其中所述压力系数计算公式为c
p
=(p-p
∞
)/(0.5ρv2)，式中：p为计算单元节点的静压值；p
∞
为模拟远环境静压值，也即为15℃环境温度对应的标准大气压值；ρ为15℃标准大气压下的空气密度；v为计算风速；以升力翼前缘到后缘纵向长度为参考值，将其标度归一化处理，在同一坐标系中依次导入多方案升力翼纵向归一化标度-气动压力系数散点，分别以前缘和后缘点为分界拟合出升力翼上弧线和下弦线对应的气动压力曲线；分别对比分析升力翼翼剖面的上弧线和下弦线受压波动情况，重点以上弧线压力波动变化幅度、频率和峰值差为主要对比指标，分析确定波动变化幅度小、频率小和峰值差小的升力翼翼型方案iii；44）升力翼纵向对称面上流场结构比较分析：根据步骤3）所建立升力翼流体动力学计算模型，在同一速度等级条件下，模拟计算各型升力翼表面和纵向对称面上稳态压力分布及流动迹线，以升力翼上弧面尾部负压强度小、下弧面底部正压强度小、流场干扰效应小、涡量小及影响范围小为对比指标，确定升力翼翼型方案iv；5）确定适配升力翼翼型结构：分别依据步骤41）速度-气动拟合曲线比较分析优选的升力翼翼型方案i，步骤42）气动系数比较分析优选的升力翼翼型方案ii，步骤43）升力翼表面气动压力系数比较分析优选的升力翼翼型方案iii，步骤44）升力翼纵向对称面上流场结构比较分析优选的升力翼翼型方案iv，根据高速列车400~600km/h速度等级范围内升力翼的主要应用指标次序综合分析确定；其中升力翼的主要应用指标重要程度为：气动力＞气动系数＞升力翼表面气动压力系数＞升力翼纵向对称面上流场结构。
10.作为优选地，所述铁路建筑限界、桥隧限界条件为中国高速铁路标准限界范围，所述适用车型车辆限界为依据中国标准动车组横向截面轮廓的空间限界。
11.作为优选地，高速列车升力翼装置在限界横断内车顶上部所述最大有效安装空间（s1）为长方形空间，所述长方形空间关于纵向中心对称，其最大横向尺寸为3400mm。
12.本发明的有益效果为：该基于限界约束的高速列车升力翼翼型的计算流体动力学选择方法能够给现阶段高速列车装配升力翼科学选型提供一个典型参考方案，有效填补该方面的技术空白，能够有效解决针对现有高速列车升力翼选型适用性低、实车试验困难及成本高等问题。
附图说明
13.图1为本发明的一种基于限界约束的高速列车升力翼翼型的计算流体动力学选择方法流程图；图2为本发明的升力翼在适应高速列车车顶上有效安装空间的安装布设示意图；图3为本发明的升力翼在铁路限界内车顶上部有效布置空间选择示意图；图4为本发明的升力翼在铁路限界内车体两侧有效布置空间选择示意图；
图5为本发明的多方案升力翼模型及参数设计示意图；图6为本发明的多方案升力翼模型表面气动压力系数比较分析图。
具体实施方式
14.下面结合附图对本发明作进一步说明：如图1所示，一种基于限界约束的高速列车升力翼翼型的计算流体动力学选择方法，所述方法以布设在高速列车车顶的升力翼为研究对象，以高速铁路限界为约束条件，建立多方案升力翼三维几何模型，采用计算流体动力学计算方法，从流线型外观设计、气动力特性、流场结构等多目标参数综合评价和选择，确定适应下一代时速400+km高速列车升力翼翼型的基本三维结构方案，具体基于限界约束的高速列车升力翼翼型的计算流体动力学选择方法包括以下步骤：1）明确限界内可供升力翼布设的有效安装空间：（参考图2、3、4）11）根据铁路建筑限界、桥隧限界条件及具体适用车型车辆限界条件，确定高速列车升力翼装置在限界内车顶上部最大有效安装空间（s1），以及车体两侧有效安装空间（s2）；12）考虑下一代时速400+km高速列车车侧流线型表面设计、车门及车窗位置、风挡及车顶设备等对升力翼两侧布设位置的无序性影响，所述方法布设选择限界内车顶上部最大有效安装空间（s1），舍弃车体两侧有效安装空间（s2）；2）建立多方案升力翼数字化三维几何模型：（参考图5）21）确定高速列车升力翼基本翼剖面：参考飞机等飞行器的机翼设计理念与方法，提出适合对于时速400~450km范围运行的轮轨列车的翼剖面备选方案：平凸型、凹凸型和双凸型3种常见翼型，在该速度范围内确定相同气动设计尺度，采用计算流体动力学方法，模拟计算并优先考虑小阻力大升力的翼剖面设计，同时结合可升降升力翼与高速列车车顶面接触空气动力学性能，选用适配车顶局部表面的平凸型翼剖面进行高速列车升力翼的设计研究；22）确定平凸型升力翼数字化三维几何模型：以平凸型翼剖面为雏形，根据高速列车升力翼工作气动环境、尺度空间和多角度姿态特征等，初步选定升力翼弦长、最大厚度、前缘半径、后缘角为固定参数，主要针对升力翼横向流线型曲面下偏角和纵向前后掠角对升力翼气动性能的主要影响，给出零偏角平凸型（mod1）、带偏角平凸型（mod2）和带掠角平凸型（mod3）3种升力翼设计方案；其中，零偏角平凸型（mod1）升力翼为横向任意位置翼剖面几何参数均一致设计；带偏角平凸型（mod2）升力翼为横向从中间向两侧翼剖面逐渐过渡减薄；带掠角平凸型（mod3）为在所述带偏角平凸型（mod2）的基础上两侧向后同时在水平面内前缘设计存在前掠角，后缘设计存在后掠角；3）建立升力翼流体动力学计算模型：31）设定数学模型：设定计算采用有粘可压缩的navier-stokes方程，湍流模拟采用标准的涡黏性模型，其中所述标准的涡黏性模型将湍流黏性系数和湍流动能与湍流动能耗散率相关联，求解模型采用有限体积法，对流项采用二阶迎风和有界中心格式，离散项采用二阶隐式格式；32）确定带升力翼高速列车计算模型：以中国标准动车组外观构造为雏形，选择包
含1节头车、1节中间车及1节尾车组成的1比1的三编组标准模型，其中升力翼按单组设置，布设在头车车顶纵向中心处；33）确定计算域：以带单排升力翼的所述三编组标准模型的列车总长（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；34）计算设置：采用有限体积法进行计算域内非结构化网格划分及求解，其中对于高速列车头车及尾车、流固接触面和升力翼外围等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
；4）多方案带升力翼高速列车气动力特性比较分析：41）气动力比较分析：分别以零偏角平凸型（mod1）、带偏角平凸型（mod2）和带掠角平凸型（mod3）3种不同升力翼设计方案为模拟计算对象，设定计算风速为250、300、350、400、450km/h，升力翼工作迎角为16
°
，升力翼起升高度为400mm，进行气动特性分析，分析计算不同速度等级条件下升力翼所受气动升力f
l
与气动阻力值fd，根据davis公式采用过原点开口向上的抛物线拟合升力翼所受气动升力f
l
与气动阻力fd随速度变化函数；根据拟合曲线判断确定小气动阻力、大气动升力变化趋势的升力翼翼型方案i；42）气动系数比较分析：在此基础上采用统一量纲升力系数c
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及阻力系数cd分别计算升力翼所受气动升和阻力大小，其中升力系数c
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计算公式为c
l
=f
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/(0.5ρa
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)，阻力系数cd计算公式为cd=fd/(0.5ρa
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)，式中：a
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为升力翼垂向投影面积，所述垂向投影面积计算公式为a
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=ckcosγ；其中，c为升力翼弦长，k为升力翼在限界内的横向展长，k在限界内的约束条件为k＞k≥1600mm，k为铁路建筑限界内可安装升力翼空间的最大横向尺寸；ad为升力翼纵向投影面积，其中所述升力翼纵向投影面积ad采用三维几何最大轮廓投影计算的方式在数字化三维辅助设计平台上计算；ρ为15℃标准大气压下的空气密度；v为计算风速；经流体动力学计算分析，采用列表方式比对各型升力翼气动力系数，样式为：翼型零偏角平凸型（mod1）带偏角平凸型（mod2）带掠角平凸型（mod3）升力系数c
l
计算值n1计算值n2计算值n3阻力系数cd计算值n4计算值n5计算值n6根据气动力系数计算表，判断确定小阻力系数、大升力系数的升力翼翼型方案ii；43）升力翼表面气动压力系数比较分析（参考图6）：根据步骤3）所建立升力翼流体动力学计算模型，在同一速度等级条件下，模拟计算的升力翼中线翼剖面轮廓线上每个计算单元节点的静压值p，计算每个所述计算单元节点的压力系数c
p
，其中所述压力系数计算公式为c
p
=(p-p
∞
)/(0.5ρv2)，式中：p为计算单元节点的静压值；p
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为模拟远环境静压值，也即为15℃环境温度对应的标准大气压值；ρ为15℃标准大气压下的空气密度；v为计算风速；以升力翼前缘到后缘纵向长度为参考值，将其标度归一化处理，在同一坐标系中依次导入多方案升力翼纵向归一化标度-气动压力系数散点，分别以前缘和后缘点为分界拟合出升力翼上弧线和下弦线对应的气动压力曲线；分别对比分析升力翼翼剖面的上弧线和下弦线受压波动情况，重点以上弧线压力波动变化幅度、频率和峰值差为主要对比指标，
分析确定波动变化幅度小、频率小和峰值差小的升力翼翼型方案iii；44）升力翼纵向对称面上流场结构比较分析：根据步骤3）所建立升力翼流体动力学计算模型，在同一速度等级条件下，模拟计算各型升力翼表面和纵向对称面上稳态压力分布及流动迹线，以升力翼上弧面尾部负压强度小、下弧面底部正压强度小、流场干扰效应小、涡量小及影响范围小为对比指标，确定升力翼翼型方案iv；5）确定适配升力翼翼型结构：分别依据步骤41）速度-气动拟合曲线比较分析优选的升力翼翼型方案i，步骤42）气动系数比较分析优选的升力翼翼型方案ii，步骤43）升力翼表面气动压力系数比较分析优选的升力翼翼型方案iii，步骤44）升力翼纵向对称面上流场结构比较分析优选的升力翼翼型方案iv，根据高速列车400~600km/h速度等级范围内升力翼的主要应用指标次序综合分析确定；其中升力翼的主要应用指标重要程度为：气动力＞气动系数＞升力翼表面气动压力系数＞升力翼纵向对称面上流场结构。
15.如图2、3、4所示，所述铁路建筑限界、桥隧限界条件为中国高速铁路标准限界范围，所述适用车型车辆限界为依据中国标准动车组横向截面轮廓的空间限界，高速列车升力翼装置在限界横断内车顶上部所述最大有效安装空间（s1）为长方形空间，所述长方形空间关于纵向中心对称，其最大横向尺寸为3400mm。
16.针对利用本方法选定升力翼方案的计算特性说明：与零偏角平凸型（mod1）升力翼和带掠角平凸型（mod3）升力翼相比，带偏角平凸型（mod2）升力翼气动设计在整体增升效果、减阻特性、流场效应及与车顶流线型契合度等方面具备较好的综合优势，运行升力系数为1.15，其中在时速450km工作时，贡献气动升力达19.08kn，而气动阻力仅占升力的32.7％。
17.其中需要说明的是，本文献中提到的“左”、“右”、“前”、“后”、“内”、“外”、“上”、“下”等指示方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作。因此不能理解为对技术方案的限制，所述连接关系可以指直接连接关系，也可以指间接连接关系。
18.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围，这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种基于限界约束的高速列车升力翼翼型的计算流体动力学选择方法，其特征在于：所述方法以布设在高速列车车顶的升力翼为研究对象，以高速铁路限界为约束条件，建立多方案升力翼三维几何模型，采用计算流体动力学计算方法，从流线型外观设计、气动力特性、流场结构等多目标参数综合评价和选择，确定适应下一代时速400+km高速列车升力翼翼型的基本三维结构方案，具体基于限界约束的高速列车升力翼翼型的计算流体动力学选择方法包括以下步骤：1）明确限界内可供升力翼布设的有效安装空间：11）根据铁路建筑限界、桥隧限界条件及具体适用车型车辆限界条件，确定高速列车升力翼装置在限界内车顶上部最大有效安装空间（s1），以及车体两侧有效安装空间（s2）；12）考虑下一代时速400+km高速列车车侧流线型表面设计、车门及车窗位置、风挡及车顶设备等对升力翼两侧布设位置的无序性影响，所述方法的升力翼布设选择限界内车顶上部最大有效安装空间（s1），舍弃车体两侧有效安装空间（s2）；2）建立多方案升力翼数字化三维几何模型：21）确定高速列车升力翼基本翼剖面：参考飞机等飞行器的机翼设计理念与方法，提出适合对于时速400~450km范围运行的轮轨列车的翼剖面备选方案：平凸型、凹凸型和双凸型3种常见翼型，在该速度范围内确定相同气动设计尺度，采用计算流体动力学方法，模拟计算并优先考虑小阻力大升力的翼剖面设计，同时结合可升降升力翼与高速列车车顶面接触空气动力学性能，选用适配车顶局部表面的平凸型翼剖面进行高速列车升力翼的设计研究；22）确定平凸型升力翼数字化三维几何模型：以平凸型翼剖面为雏形，根据高速列车升力翼工作气动环境、尺度空间和多角度姿态特征等，初步选定升力翼弦长、最大厚度、前缘半径、后缘角为固定参数，主要针对升力翼横向流线型曲面下偏角和纵向前后掠角对升力翼气动性能的主要影响，给出零偏角平凸型（mod1）、带偏角平凸型（mod2）和带掠角平凸型（mod3）3种升力翼设计方案；其中，零偏角平凸型（mod1）升力翼为横向任意位置翼剖面几何参数均一致设计；带偏角平凸型（mod2）升力翼为横向从中间向两侧翼剖面逐渐过渡减薄；带掠角平凸型（mod3）为在所述带偏角平凸型（mod2）的基础上两侧向后同时在水平面内前缘设计存在前掠角，后缘设计存在后掠角；3）建立升力翼流体动力学计算模型：31）设定数学模型：设定计算采用有粘可压缩的navier-stokes方程，湍流模拟采用标准的涡黏性模型，其中所述标准的涡黏性模型将湍流黏性系数和湍流动能与湍流动能耗散率相关联，求解模型采用有限体积法，对流项采用二阶迎风和有界中心格式，离散项采用二阶隐式格式；32）确定带升力翼高速列车计算模型：以中国标准动车组外观构造为雏形，选择包含1节头车、1节中间车及1节尾车组成的1比1的三编组标准模型，其中升力翼按单组设置，布设在头车车顶纵向中心处；33）确定计算域：以带单排升力翼的所述三编组标准模型的列车总长（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；34）计算设置：采用有限体积法进行计算域内非结构化网格划分及求解，其中对于高速列车头车及尾车、流固接触面和升力翼外围等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
；4）多方案带升力翼高速列车气动力特性比较分析：41）气动力比较分析：分别以零偏角平凸型（mod1）、带偏角平凸型（mod2）和带掠角平凸型（mod3）3种不同升力翼设计方案为模拟计算对象，设定计算风速为250、300、350、400、450km/h，升力翼工作迎角为16
°
，升力翼起升高度为400mm，进行气动特性分析，分析计算不同速度等级条件下升力翼所受气动升力f
l
与气动阻力值f
d
，根据davis公式采用过原点开口向上的抛物线拟合升力翼所受气动升力f
l
与气动阻力f
d
随速度变化函数；根据拟合曲线判断确定小气动阻力、大气动升力变化趋势的升力翼翼型方案i；42）气动系数比较分析：在此基础上采用统一量纲升力系数c
l
及阻力系数c
d
分别计算升力翼所受气动升和阻力大小，其中升力系数c
l
计算公式为c
l
=f
l
/(0.5ρa
lv2
)，阻力系数c
d
计算公式为c
d
=f
d
/(0.5ρa
dv2
)，式中：a
l
为升力翼垂向投影面积，所述垂向投影面积计算公式为a
l
=ckcosγ；其中，c为升力翼弦长，k为升力翼在限界内的横向展长，k在限界内的约束条件为k＞k≥1600mm，k为铁路建筑限界内可安装升力翼空间的最大横向尺寸；a
d
为升力翼纵向投影面积，其中所述升力翼纵向投影面积a
d
采用三维几何最大轮廓投影计算的方式在数字化三维辅助设计平台上计算；ρ为15℃标准大气压下的空气密度；v为计算风速；经流体动力学计算分析，采用列表方式比对各型升力翼气动力系数，样式为：翼型零偏角平凸型（mod1）带偏角平凸型（mod2）带掠角平凸型（mod3）升力系数c
l
计算值n1计算值n2计算值n3阻力系数c
d
计算值n4计算值n5计算值n6根据气动力系数计算表，判断确定小阻力系数、大升力系数的升力翼翼型方案ii；43）升力翼表面气动压力系数比较分析：根据步骤3）所建立升力翼流体动力学计算模型，在同一速度等级条件下，模拟计算的升力翼中线翼剖面轮廓线上每个计算单元节点的静压值p，计算每个所述计算单元节点的压力系数c
p
，其中所述压力系数计算公式为c
p
=(p-p
∞
)/(0.5ρv2)，式中：p为计算单元节点的静压值；p
∞
为模拟远环境静压值，也即为15℃环境温度对应的标准大气压值；ρ为15℃标准大气压下的空气密度；v为计算风速；以升力翼前缘到后缘纵向长度为参考值，将其标度归一化处理，在同一坐标系中依次导入多方案升力翼纵向归一化标度-气动压力系数散点，分别以前缘和后缘点为分界拟合出升力翼上弧线和下弦线对应的气动压力曲线；分别对比分析升力翼翼剖面的上弧线和下弦线受压波动情况，重点以上弧线压力波动变化幅度、频率和峰值差为主要对比指标，分析确定波动变化幅度小、频率小和峰值差小的升力翼翼型方案iii；44）升力翼纵向对称面上流场结构比较分析：根据步骤3）所建立升力翼流体动力学计算模型，在同一速度等级条件下，模拟计算各型升力翼表面和纵向对称面上稳态压力分布及流动迹线，以升力翼上弧面尾部负压强度小、下弧面底部正压强度小、流场干扰效应小、涡量小及影响范围小为对比指标，确定升力翼翼型方案iv；5）确定适配升力翼翼型结构：
分别依据步骤41）速度-气动拟合曲线比较分析优选的升力翼翼型方案i，步骤42）气动系数比较分析优选的升力翼翼型方案ii，步骤43）升力翼表面气动压力系数比较分析优选的升力翼翼型方案iii，步骤44）升力翼纵向对称面上流场结构比较分析优选的升力翼翼型方案iv，根据高速列车400~600km/h速度等级范围内升力翼的主要应用指标次序综合分析确定；其中升力翼的主要应用指标重要程度为：气动力＞气动系数＞升力翼表面气动压力系数＞升力翼纵向对称面上流场结构。2.根据权利要求1所述的一种基于限界约束的高速列车升力翼翼型的计算流体动力学选择方法，其特征在于：所述铁路建筑限界、桥隧限界条件为中国高速铁路标准限界范围，所述适用车型车辆限界为依据中国标准动车组横向截面轮廓的空间限界。3.根据权利要求1所述的一种基于限界约束的高速列车升力翼翼型的计算流体动力学选择方法，其特征在于：高速列车升力翼装置在限界横断内车顶上部所述最大有效安装空间（s1）为长方形空间，所述长方形空间关于纵向中心对称，其最大横向尺寸为3400mm。

技术总结
本发明公开了一种基于限界约束的高速列车升力翼翼型的计算流体动力学选择方法，以布设在高速列车车顶的升力翼为研究对象，以高速铁路限界为约束条件，建立多方案升力翼三维几何模型，采用计算流体动力学计算方法，从流线型外观设计、气动力特性、流场结构等多目标参数综合评价和选择，确定适应下一代时速400+km高速列车升力翼翼型的基本三维结构方案。该基于限界约束的高速列车升力翼翼型的计算流体动力学选择方法能够给现阶段高速列车装配升力翼的科学选型提供一个典型参考方案，填补了行业该方面的技术空白，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。难及试验成本高等问题。难及试验成本高等问题。


技术研发人员：谢红太 王红
受保护的技术使用者：兰州交通大学
技术研发日：2023.06.10
技术公布日：2023/8/31