列車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)特性對(duì)能效和燃油消耗具有重大影響。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）仿真（PowerFLOW）可幫助工程師設(shè)計(jì)空氣阻力更低的列車(chē)，并在風(fēng)洞測(cè)試之前盡早完成空氣動(dòng)力學(xué)分析。

鐵路工程行業(yè)是最早認(rèn)識(shí)到空氣動(dòng)力學(xué)和阻力重要性的行業(yè)之一。在上世紀(jì)30年代，標(biāo)志性的“流線(xiàn)型”機(jī)車(chē)如美國(guó)的先鋒者微風(fēng)號(hào)，英國(guó)的野鴨號(hào)，還有德國(guó)的飛行的漢堡人號(hào)憑借流線(xiàn)型設(shè)計(jì)顯著減小了阻力，使時(shí)速遠(yuǎn)超100英里每小時(shí)。后來(lái)，日本新干線(xiàn)和法國(guó)TGV的成功使流線(xiàn)型的“子彈頭列車(chē)”成為名揚(yáng)四海的設(shè)計(jì)，并激發(fā)了世界范圍內(nèi)時(shí)至今日不斷發(fā)展的高鐵復(fù)興運(yùn)動(dòng)。

對(duì)于高速客運(yùn)列車(chē)而言，空氣阻力的影響顯而易見(jiàn)，空氣動(dòng)力學(xué)阻力與速度的平方成正比，其在高速情況下完全超越了其他阻力來(lái)源，但這一阻力也會(huì)影響低速列車(chē)甚至是貨運(yùn)列車(chē)的性能和效率。

流體仿真如何為軌道交通行業(yè)助力？

仿真是使用數(shù)值方法對(duì)系統(tǒng)的物理行為進(jìn)行建模分析的手段。仿真方法適用于多種物理場(chǎng)專(zhuān)業(yè)學(xué)科。在軌道交通行業(yè)，結(jié)構(gòu)仿真和多體仿真以對(duì)軌道車(chē)輛的強(qiáng)度和動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行建模分析而著稱(chēng)，但流體動(dòng)力學(xué)仿真（CFD）對(duì)鐵路工程界而言也是一門(mén)非常重要的專(zhuān)業(yè)學(xué)科。針對(duì)液體和氣體在固體周?chē)涂斩磧?nèi)的流動(dòng)現(xiàn)象，可利用CFD進(jìn)行建模分析。流體流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的行為，如湍流渦旋、邊界層、尾跡和射流，需要以工程設(shè)計(jì)層面所需的準(zhǔn)確度來(lái)應(yīng)對(duì)各類(lèi)行為。用于捕捉這種復(fù)雜行為的仿真技術(shù)包括雷諾平均的納維-斯托克斯方法（RANS）和格子玻爾茲曼法（LBM）。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）仿真可幫助軌道交通行業(yè)在設(shè)計(jì)流程中分析和優(yōu)化機(jī)車(chē)與列車(chē)阻力，早在原型和風(fēng)洞測(cè)試之前便可完成仿真分析。提高能效有助于列車(chē)運(yùn)營(yíng)商降低燃料成本并達(dá)到排放目標(biāo)。此外，CFD還可用于分析鐵路設(shè)計(jì)的許多其他領(lǐng)域，涵蓋從降低風(fēng)噪到優(yōu)化空調(diào)的各種應(yīng)用。本篇博文將講解軌道交通行業(yè)的用戶(hù)如何采用SIMULIA PowerFLOW為CFD仿真提供不竭的動(dòng)力，以支持創(chuàng)新型設(shè)計(jì)，并在不斷變化的交通領(lǐng)域保持競(jìng)爭(zhēng)力。

用于軌道交通CFD仿真的SIMULIA PowerFLOW

本文中的示例是使用SIMULIA PowerFLOW工具中的中的格子玻爾茲曼方法計(jì)算得出的。

功能強(qiáng)大的SIMULIA PowerFLOW經(jīng)過(guò)了數(shù)十年的發(fā)展，用于仿真高度復(fù)雜的車(chē)輛（包括完整列車(chē)編組）的空氣動(dòng)力學(xué)、空氣熱力學(xué)和氣動(dòng)聲學(xué)現(xiàn)象等高保真流體行為。其具有高度自動(dòng)化、可擴(kuò)展到數(shù)千個(gè)計(jì)算核心、可以處理復(fù)雜不完美幾何形狀且不需要手動(dòng)生成體積網(wǎng)格等優(yōu)勢(shì)。PowerFLOW支持GPU加速甚至還可處理極其龐大的軌道車(chē)輛等相關(guān)問(wèn)題。

在列車(chē)設(shè)計(jì)中應(yīng)用仿真的優(yōu)勢(shì)

防患未然勝過(guò)亡羊補(bǔ)牢。在原型構(gòu)建完畢并且軌道測(cè)試開(kāi)始時(shí)，整個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)投入了大量資源，并且設(shè)計(jì)中存在許多依存關(guān)系。如果在這個(gè)階段發(fā)現(xiàn)了空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，可能需要重新設(shè)計(jì)列車(chē)的重要結(jié)構(gòu)組件，這會(huì)造成項(xiàng)目延誤并顯著增加成本。仿真可支持工程師采取左移方法將設(shè)計(jì)性能分析環(huán)節(jié)提前（在時(shí)間軸上向左移動(dòng)），減少了最終測(cè)試設(shè)計(jì)的返工風(fēng)險(xiǎn)，避免了后期設(shè)計(jì)變更和成本扶搖直上的問(wèn)題。

此外，仿真還可以揭示通過(guò)傳統(tǒng)方法難以理解的各類(lèi)現(xiàn)象成因。SIMULIA PowerFLOW提供清晰、高分辨率的3D可視化，使空氣流動(dòng)、熱分布和噪聲傳播可見(jiàn)，便于工程師理解問(wèn)題的根源并制定行之有效的解決方案。自動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DoE）和優(yōu)化可以快速探索眾多不同的場(chǎng)景，包括難以在試驗(yàn)中進(jìn)行測(cè)試的場(chǎng)景，并找到最優(yōu)解，在各類(lèi)工況條件下實(shí)現(xiàn)效率最大化。

克服列車(chē)風(fēng)阻

列車(chē)上存在許多潛在的阻力源，不僅在編組前部，還有后部、車(chē)廂或貨車(chē)之間的間隙、列車(chē)底部、電動(dòng)列車(chē)的受電弓以及貨運(yùn)列車(chē)上的貨物等處。貨運(yùn)列車(chē)可能長(zhǎng)達(dá)一英里，并搭載數(shù)百個(gè)集裝箱。每個(gè)集裝箱都會(huì)在其后方形成湍流渦旋，聚沙成塔為整體阻力帶來(lái)顯著影響。

軌道車(chē)輛制造商可以使用SIMULIA PowerFLOW來(lái)優(yōu)化機(jī)車(chē)和貨車(chē)的流線(xiàn)型設(shè)計(jì)，而鐵路公司也可以使用它來(lái)優(yōu)化不同運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景下的性能并節(jié)省燃料。仿真能夠幫助貨運(yùn)運(yùn)營(yíng)商統(tǒng)籌集裝箱及其它們之間的空間，額外采取空氣動(dòng)力學(xué)整改措施以減小阻力。市場(chǎng)上已有卡車(chē)等運(yùn)輸行業(yè)正在使用PowerFLOW來(lái)改善車(chē)輛的空氣動(dòng)力學(xué)特性，這意味著軌道交通行業(yè)也需要改善車(chē)輛阻力以保持其競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

列車(chē)噪聲

當(dāng)全球第一條高鐵專(zhuān)線(xiàn)開(kāi)通運(yùn)營(yíng)時(shí)，附近居民時(shí)常抱怨聽(tīng)到類(lèi)似槍聲的噪聲。工程師們意識(shí)到，列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)，車(chē)頭會(huì)將空氣壓縮成激波。必須重新設(shè)計(jì)機(jī)車(chē)以改變其空氣動(dòng)力學(xué)特性，隧道入口則采用遮罩和穿孔板裝置加以防護(hù)，起到類(lèi)似消音器的作用。氣動(dòng)噪聲是列車(chē)上的主要噪聲來(lái)源之一。

噪聲可能在任何導(dǎo)致湍流的列車(chē)部位產(chǎn)生，也會(huì)在列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)尾跡與橋梁、架空電氣化設(shè)施等道旁結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)產(chǎn)生。仿真分析可識(shí)別這些噪聲源，并幫助設(shè)計(jì)人員通過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)改進(jìn)或隔音手段來(lái)減輕噪聲影響。SIMULIA PowerFLOW具有與空氣動(dòng)力學(xué)緊密耦合的空氣聲學(xué)仿真能力。用戶(hù)可以在列車(chē)周?chē)娜我獠蓸狱c(diǎn)計(jì)算噪聲水平，甚至可以仿真列車(chē)自身的噪聲，以精準(zhǔn)了解乘客的體驗(yàn)。

列車(chē)熱管理與環(huán)境控制

車(chē)廂頂空調(diào)風(fēng)口氣流仿真

發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、變壓器和制動(dòng)器都能產(chǎn)生大量熱量，在各類(lèi)氣候條件下，無(wú)論是在運(yùn)行時(shí)還是停車(chē)時(shí)，都需要配以高效的散熱措施。仿真能夠助力設(shè)計(jì)重型機(jī)械的風(fēng)扇和冷卻系統(tǒng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的空氣流動(dòng)和熱分布進(jìn)行建模。此外，SIMULIA PowerFLOW也能對(duì)風(fēng)扇和通風(fēng)口處的噪聲進(jìn)行建模。仿真能夠降低設(shè)備熱失效的風(fēng)險(xiǎn)，并支持工程師根據(jù)目標(biāo)最大限度地優(yōu)化成本和重量，高效設(shè)計(jì)適合應(yīng)用場(chǎng)景的冷卻系統(tǒng)。工程師甚至還可以仿真冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇的噪聲，并采取降噪措施。

此外，SIMULIA PowerFLOW還可用于設(shè)計(jì)軌道車(chē)輛駕駛室和乘客空間內(nèi)的供暖、通風(fēng)和空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)。在這類(lèi)場(chǎng)景中，重點(diǎn)設(shè)計(jì)需求包括處理空氣的均勻分布、駕駛室的通風(fēng)以及乘客感知到的噪聲。

結(jié)論

空氣動(dòng)力學(xué)是軌道車(chē)輛開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵要素，因?yàn)榧词乖谳^低運(yùn)行速度下，阻力對(duì)能效率和燃油消耗也造成有重大影響。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）仿真可支持工程師設(shè)計(jì)空氣阻力更低的列車(chē)，并在風(fēng)洞測(cè)試之前盡早完成空氣動(dòng)力學(xué)分析。

此外，CFD仿真還可用于分析和優(yōu)化列車(chē)的噪聲，以改善乘客體驗(yàn)并提高當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)對(duì)項(xiàng)目的接受度。耦合型CFD-熱仿真還可用于設(shè)計(jì)機(jī)車(chē)的熱管理系統(tǒng)，并確保暖通空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)為乘客提供安全、舒適的環(huán)境。

SIMULIA PowerFLOW為軌道車(chē)輛開(kāi)發(fā)提供了全方位的CFD仿真能力。使用PowerFLOW將CFD仿真完美整合到設(shè)計(jì)工作流程中能夠加速機(jī)車(chē)的開(kāi)發(fā)，改善燃油效率、合理設(shè)計(jì)冷卻和暖通空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)等KPI，并降低項(xiàng)目后期返工等拉高設(shè)計(jì)成本的風(fēng)險(xiǎn)。