为什么铁路行业使用 SIMULIA PowerFLOW Fluid Simulation？
列车空气动力学对能源效率和燃料消耗有重大影响。计算流体动力学 （CFD） 仿真使工程师能够设计列车以最大限度地减少空气阻力，并在风洞测试之前很久就分析空气动力学。
列车空气动力学对能源效率和燃料消耗有重大影响。计算流体动力学 （CFD） 仿真 （PowerFLOW） 使工程师能够设计列车以最大限度地减少空气阻力，并在风洞测试之前很久就分析空气动力学。
铁路行业是最早意识到空气动力学和阻力重要性的行业之一。在 1930 年代，标志性的“Streamliner”机车，如美国先驱 Zephyr、英国野鸭和德国飞行汉堡，速度远超过 100 英里/小时，这在很大程度上要归功于其时尚的设计，从而减少了阻力。后来，日本新干线和法国 TGV 的成功使流线型的“子弹头列车”机头闻名遐迩，并激发了高铁的复兴，这种复兴在世界各地持续到今天。
阻力在高速客运列车上的重要性是显而易见的——空气动力学阻力与速度的平方成正比，它在高速行驶时完全主导其他阻力来源——但它也会影响低速列车的性能和效率——甚至货运。
流体仿真如何帮助铁路行业？
仿真是使用数值方法对系统的物理行为进行建模。许多物理学科都存在仿真方法。在铁路行业，结构仿真和多体仿真以对轨道车辆的强度和动力学进行建模而闻名，但流体仿真 （CFD） 也是铁路的重要学科。
CFD 对固体周围和空心体内部的液体和气体等流体的流动进行建模。流体流动会产生复杂的行为，例如湍流漩涡、边界层、尾流和射流，这些行为需要以工程设计所需的精度来解决。用于捕获这种复杂行为的仿真技术包括雷诺平均纳维斯托克斯 （RANS） 和格子玻尔兹曼方法 （LBM）。
计算流体动力学 （CFD） 仿真可帮助铁路行业在设计过程中、原型和风洞测试之前分析和优化机车和轨道车的阻力。提高能源效率有助于列车运营商降低燃料成本并实现排放目标。它还可用于分析铁路设计的许多其他领域，从降低风噪到优化空调。本博客文章将介绍整个铁路行业如何使用 SIMULIA PowerFLOW 来支持 CFD 仿真，帮助他们生产创新的新设计，并在不断变化的运输环境中保持竞争力。
用于铁路 CFD 仿真的 PowerFLOW
本篇博客文章中的示例是在 SIMULIA PowerFLOW 流体系统工具中使用 Lattice Boltzmann 技术计算的。
SIMULIA PowerFLOW 经过数十年的开发，是一种高保真且功能强大的流体，专为高度复杂车辆的空气动力学、气动热学和气动声学仿真而构建，例如带有尾流和滑流的整列火车。它是高度自动化的，可扩展至 1000 个计算内核，可以处理复杂的不完美几何体，并且不需要生成体积网格。PowerFLOW 支持 GPU 加速，甚至可以解决轨道车辆等超大型问题。
仿真在列车设计中的优势
越早发现问题，就越容易修复。当原型构建完毕并开始进行跟踪测试时，设计中已经投入了大量资源，并且设计中存在许多依赖关系。如果在此阶段发现空气动力学问题，则可能需要重新设计列车的大部分，从而延迟项目并显着增加成本。仿真允许左移方法，而不是等到最后才测试设计，工程师可以提前进行分析（在时间线上左移），从而降低后期设计更改的风险和成本螺旋式上升。
模拟还可以揭示传统方法难以理解的效果原因。SIMULIA PowerFLOW 提供清晰、高分辨率的 3D 可视化，使气流、热量分布和噪声传播可见，使工程师能够了解问题的根本原因并开发有效的缓解方法。自动化实验设计 （DoE） 和优化可以快速探索许多不同的场景，包括难以通过实验测试的场景，并找到最佳解决方案，以最大限度地提高许多操作条件下的效率。
克服火车上的风阻
模拟火车在侧风中移动
火车上有许多潜在的阻力源——不仅是前部，还有后部、车厢或货车之间的间隙、火车的底部、电动火车上的受电弓以及货运列车上的货物。货运列车可以长达一英里多，牵引数百个集装箱。每个容器都会从其后面形成的湍流漩涡中产生一点阻力，并且总阻力可能很大。
轨道车辆制造商可以使用 SIMULIA PowerFLOW 来优化机车和货车的流线型，但铁路也可以使用它来优化性能并在不同的运营场景中节省燃料。仿真可帮助货运运营商以最佳方式组织集装箱及其之间的空间，并选择附加的空气动力学修复来减少阻力。卡车运输等竞争行业已经在使用 PowerFLOW 来改善其车辆的空气动力学性能，这意味着铁路行业也需要提高阻力以保持其竞争优势。
气动声学列车噪声仿真
模拟受电弓和相关结构以进行通过噪声分析
当第一条专用高速线路开始运营时，附近的居民抱怨说有枪声。工程师们意识到，当穿过隧道时，火车的前部会将前面的空气压缩成冲击波。机车必须重新设计以改变其空气动力学特性和隧道入口，并用引擎盖和穿孔保护，就像消音器一样。气动噪声是火车上的主要噪声源之一。
噪声可以在列车上引起湍流气流的任何部分产生，也可能由列车的空气动力学尾流与轨道旁结构（如桥梁和架空电气化）的相互作用产生。仿真可识别这些噪声源，并帮助设计人员通过改进空气动力学或绝缘来减轻这些噪声。SIMULIA PowerFLOW 具有与空气动力学紧密耦合的气动声学仿真功能。用户可以计算火车周围任何位置的噪音水平，甚至可以聆听火车本身的模拟噪音，以准确了解乘客的体验。
火车上的热管理和气候控制
来自轨道车厢天花板上 HVAC 通风口的气流
发动机、电机、变压器和制动器会产生大量热量，需要在所有气候条件下进行有效冷却，无论是在高速行驶还是在停止时。仿真可用于设计重型机械的风扇和冷却系统，对发动机内的气流和热量分布进行建模。SIMULIA PowerFLOW 还可以对风扇和通风口噪音进行建模。仿真降低了热故障的风险，并允许工程师正确调整冷却系统的尺寸，以最大限度地降低成本和重量，同时仍能满足目标。甚至可以模拟和减轻来自冷却系统风扇的噪音。
SIMULIA PowerFLOW 还可用于设计轨道车辆驾驶室和乘客空间内的加热、通风和空气条件 （HVAC） 系统。在这里，关键的设计要求包括处理空气的均匀分布、机舱的通风以及乘客感知的噪音。
结论
空气动力学是轨道车辆开发中的一个重要考虑因素——即使在较低的速度下，阻力也会对能源效率和燃料消耗产生重大影响。计算流体动力学 （CFD） 仿真使工程师能够设计列车以最大限度地减少空气阻力，并在风洞测试之前很久就分析空气动力学。
CFD 仿真还可用于分析和优化列车的噪声，以改善乘客体验并提高当地社区的接受度。耦合的 CFD 热仿真还可用于设计机车系统的热管理系统，并确保 HVAC 系统为乘客提供安全、舒适的环境。
SIMULIA PowerFLOW 为轨道车辆开发提供了全方位的 CFD 仿真功能。使用 PowerFLOW 将 CFD 仿真集成到设计工作流程中可以加快机车开发速度，提高 KPI，例如燃油效率、适当调整冷却和 HVAC 系统的大小，并降低可能增加设计成本的后期返工风险。
