ICS 45.060.01 S 30 TB 中华人民共和国铁道行业标准 TB/T 3503.4--2018 铁路应用 空气动力学 第4部分：列车空气动力学性能 数值仿真规范 Railway applications-Aerodynamics- Part 4 : Requirements for train aerodynamic simulation 2018-04-12发布 2018-11-01实施 国家铁路局 发布 TB/T 3503.4-2018 目 次 II 1 范围 2 规范性引用文件 术语、定义及缩略语 4 基本要求 S 不同工况数值仿真要求 TB/T 3503.4-2018 前言 TB/T3503《铁路应用 空气动力学》分为四个部分： 一第1部分：符号与单位； 一第2部分：隧道空气动力学效应； 一第3部分：隧道空气动力学要求和试验方法； 一第4部分：列车空气动力学性能数值仿真规范。 本部分为TB/T3503的第4部分。 本标准按照GB/T1.1--2009给出的规则起草。 本标准由中国铁道科学研究院标准计量研究所归口。 本标准起草单位：中南大学、中车青岛四方机车车辆股份有限公司、中车长春轨道客车股份有限 公司。 本标准主要起草人：田红旗、刘堂红、杨志刚、丁叁叁、陈大伟、余以正。 TB/T 3503.4--2018 铁路应用 空气动力学 第4部分：列车空气动力学性能数值仿真规范 1范圃 TB/T3503的本部分规定了列车空气动力学性能数值仿真的术语、定义及缩略语、基本要求和6类 不同工况数值仿真要求。 本部分适用于动车组、机车，客车货车和自轮运转设备的空气动力学性能数值仿真。 2规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文 件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB/T16638.1一2008.空气动力学概念、量和符号第1部分：空气动力学常用术语 3术语、定义及缩略语 3.1术语和定义 GB/T16638.1+-2008界定的以及下列术语和定义适用于本文件。 3. 1. 1 特征高度characteristicheight 车项与地面之间的距离，用符号h表示。 注：例如当模型位于路堤上时，特征高度为路堤（包括道床和钢轨）高度与列车高度之和。 3.2.缩略语 下列缩略语适用于本文件。 CFD：计算流体动力学CorputationalFluidDynamics） CFL condition：CFL条件(Courant-Friedrichs-Lewy condition) DES：分离涡模拟（DetachedEddySimulation） DNS：直接数值模拟（DireetNumerigalSimulation） LBM：格子波尔兹曼方法（LatticeBoltzmannMethod） LES：大涡模拟（LargeEddySimulation） RANS：雷诺平均纳维叶-斯托克斯方程（Reynoldg-AveragedNavier-Stokes） RSM：雷诺应力模型（ReynoldsStressModel） S-A：一种单方程模型（Spalart-Allmaras） k-8：一种两方程模型（k-epsilon） k-w：种两方程模型（k-omega） 4基本要求 4.1概述 列车空气动力学性能数值仿真可分为6类工况：明线单车工况、明线交会工况、隧道单车工况、隧 道交会工况、大风环境下单车工况、大风环境下交会工况。 1 TB/T3503.42018 4.2基准检验 为验证CFD方法的准确性，数值仿真应选择相应典型工况进行试验验证。 明线单车工况、大风环境下单车工况的试验数据可来自实车试验、风洞试验或动模型试验；其他工 况的试验数据可来自实车试验或动模型试验。基准检验至少从表1中选择一种参数进行对比。 表1基准检验对比参数 工况 明线单车 隧道单车 大风环境下单车 明线交会 隧道交会 大风环境下交会 车辆气动力 车辆气动力 （风洞、动模型） （风洞、动模型） 车体表面压力 车体表面、隧 车体表面、隧 车体表面压力 车体表面压力 参数 车体表面压力 道壁面压力变化 变化 变化 道壁面压力变化 （风洞、动模型、 （风洞、动模型、 实车） 实车） 数值计算结果与试验结果的最大允许相对误差为±10%。 当采用不同的CFD软件（包括相同软件的升级版）时，基准检验应重新进行。 4.3模型要求 模型既可是全尺寸也可是缩比模型。如果计算结果需与风洞或动模型试验数据对比，计算模型宜 与试验一致。为保证几何相似性，列车和线路模型均应以相同的比例缩放。 应充分考虑线路特征如路基、轨道、隧道等，构建对应的计算模型。计算隧道工况时（单车过隧道、 隧道内交会）列车编组长度对计算结果的影响较大，宜采用实际编组模型计算，否则应考虑编组长度对 计算结果的影响；计算明线列车风时列车编组总长度不应小于120m或按实际编组长度；其他工况宜 采用至少包含头车、1节中间车和尾车的列车模型。 车辆模型应准确模拟真实车辆，模型的简化不应导致不符合实际的流动。光滑曲面上应划分足够 细的网格，以避免由于多边形逼近引起的人工流动分离，确保流动相似。车体侧面、车顶和底部应保留 其基本外形轮廊特征；受电弓可忽略，如果由于特殊原因需要考虑受电弓，应谨慎处理受电弓区域的雷 诺数效应；即使实际车体外形有轻微的不对称（例如地板下区域或车顶区域），也推荐构建对称模型，以 利于误差分析。应提供车辆模型的简化说明。 线路模型应反映真实线路的特征尺度。 4.4计算区域 计算区域选取的依据是应保证计算区域的边界不影响列车周围的气流流动特征。应验证计算区 域与计算结果的无关性。 4.5网格划分 网格应足够精细，尤其是在大压力梯度和速度梯度区域，如：边界层、剪切层、大漩涡结构、驻点区、 回流区、尾迹区等。 应检验网格无关性，在高梯度区域应局部加密，不同网格的仿真结果流态拓扑应一致，计算结果最 大偏差应在3%以内。 典型的近壁面网格建议参见图1。 边界层区域，网格增长因子（8:+1/8.）不宜大于1.2，第1层网格的长宽比（W,/8,）不宜大于50；8 不宜少于10层网格。无滑移壁面的近壁面单元网格应满足以下基本要求：采用壁面函数的RANS方 法模拟时，无量纲壁面距离（y*）的典型值为30~150；对于未采用壁面函数的RANS和LES等湍流模 拟，*约为1。 4.6瑞流模型 湍流模型是为了预测流应力而构建的工程假设模型。这些应力是对流体控制方程的非线性对 2 TB/T3503.4—2018 流项进行平均或滤波的结果，对流流动而言，其附加黏度有时比空气实际黏度大几个数量级。流 模型选取的原则是尽可能反映真实的物理现象。 通常使用的流模型有：S-A模型、k-8模型、k-w模型、RSM模型、DES模型、LES模型等，关注尾涡 或分离区域的流场参数时，宜采用LES或DES方法。 W 说明： W,- -第1层网格长度，单位为毫米（mm）； 8,——第1层网格宽度，单位为毫米（mm）； 8,—第2层网格宽度，单位为毫米（mm）； 8,—第i层网格宽度，单位为毫米（mm）； 边界层厚度，单位为毫米（mm）。 8- 图1近壁面网格 4.7计算方法 大多数方法基于连续介质理论的动量方程（Navier-Stokes方程），但基于气体动力学理论格子玻尔 兹曼方法（Lattice-BoltzmannMethod）的方法也同样适用。 计算方法应可模拟三维粘性流动。当流动的特征随时间变化不明显时，可使用定常方法。列车通 过隧道或隧道内交会计算时均应采用可压模型；其他工况计算时，运行速度大于350km/h时应采用可 压模型。计算宜采用二阶精度算法。 4.8边界条件 具体的边界条件设置根据不同计算工况要求确定，见5.1~5.6。如无特殊要求，CFD数值计算中 环境温度为15℃、大气压为1.01325×10°Pa、标准空气密度p。=1.225kg/m。 4.9监测点布置 计算时车体表面压力变化监测至少应包含以下典型位置测点：司机室侧窗、车身侧窗、车门、裙板、 风挡。隧道壁面压力变化监测至少包含以下典型位置测点：距离隧道口1倍流线型长度位置、1倍列车 编组长度位置、1/3隧道长度、1/2隧道长度、横通道、竖井等，且在隧道长度方向上进出口对称布置监 测点，双线单洞隧道应左右对称布置测点。 4.10计算时间 对列车运动的非定常计算，计算时间应保证模拟列车运动完成后（交会以两列车尾部交会完、过隧 道以列车尾部离开隧道）至少再运行50m（全尺寸）；对列车静置的非定常计算，计算的时间至少为流 体流过整个车长时间的5倍，以抑制初始条件的数值扰动。 时间步长宜满足CFL条件，采用显式方法求解时CFL数应小于1；采用隐式方法求解时，CFL数根 据反映的实际物理特性选择。 3