一份高速列车滑板阻力及噪声分析报告（附赠模型）
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导读：高铁列车车顶上类似“滑板”的装置其实叫“碳滑板”，作用是接收接触网上的电能为列车提供动力电。它作为受电弓的重要组成部分直接与接触网接触。当高铁列车在高速运行时，碳滑板与接触网摩擦必然会产生磨损。
“蛇形走位”
从仰视角度看，你会发现碳滑板的运动如“蛇行”左右“摆动”前进，这其实是接触网呈“之”字型搭建造成的。这样的设计可以有效地避免碳滑板的某个固定位置与接触网产生持续的摩擦，从而使碳滑板各处受到的摩擦较均匀达到延长使用寿命的作用。
本文笔者以列车滑板整体流场为研究对象，对其在高速运行中的空气动力学特性进行了数值模拟，对列车运行过程中的滑板阻力及噪声水平进行评估。
一、仿真分析的总体技术方案
1、仿真分析采用的软件
解决流体力学问题有三种方法，即试验、理论分析和数值模拟，三方法各有不同的特点，对许多流动问题而言，试验方法能得到最为反映实际的解答，但由于它涉及到模型的设计和制作、风洞设备及测量仪器，因而试验周期长、费用高，特别是对涉及缩尺模型试验的问题，获得与真实绕流相匹配的流场条件极为困难，同时，获得的测量数据还要进行风洞修正。
理论分析通常在基于诸多假设的基础上以表达式的形式给出流体力学的解答，因而具有清楚、明了的特点，但由于真实流动的复杂性，特别是复杂几何外形的物体、湍流问题，获得理论解往往非常困难，甚至是无法实现的，因而具有很大的局限性。
数值模拟是伴随计算机出现而出现的，与上述二种方法相比，但它不受试验条件的约束，甚至能模拟试验无法实现的条件，同时当控制方程沿时间推进求解时，还能得到流场在不同时刻的变化，具有很好的可重复性，且无需试验设备和数据修正，特别是能模拟复杂的几何外形绕流或湍流问题，流场可视性好，随着新的湍流模型出现，如大涡模拟和亚格子模型（ＬＥＳ）、尤其是直接数值模拟（ＲＮＳ），使数值模拟的前景更为广阔和乐观。不难看出，随着计算机性能价格比的不断提高，数值模拟将被越来越广泛的应用到工程研究中，成为获得信息的重要手段。
笔者计算工作采用流体动力学软件FLUENT进行列车滑板流体力学性能仿真评估。模型处理工作应用ANSYS Workbench几何建模及模型处理模块DM，DesignModeler具有强大的几何编辑和模型处理功能对列车滑板等进行几何模型建模和修复，以便于离散网格的划分和边界条件的定义。前处理选用Workbench 下的Meshing及FLUENT求解器模块进行材料设置、网格划分、命名选择定义及载荷施加,后处理选用FLUENT进行。欢迎读者留言互动与我交流，如有不当，欢迎批评指正。
2、仿真分析的总体方案
根据要求，仿真分析的内容包括：
JS85-003三维定版仿真分析
450KM仿真分析
基于ANSYS FLUENT软件对列车滑板进行流体动力学建模，建立虚拟仿真模型。总体技术方案及主要CAE步骤包括如下内容：
1）2类列车滑板的几何模型建立与预处理；
2）材料参数获取、输入及调整；
3）网格划分：建立列车滑板的流体计算网格模型，包括网格单元尺寸的选择、类型的选择等；
4）网格模型检查：根据单元质量标准对完成的列车滑板计算网格模型进行网格质量检查，并根据网格质量检查结果对网格模型进行优化，提高网格模型质量，使之满足计算的要求；
5）边界条件的确定、验证及施加方法：对边界条件进行确定与验证，保证能够真实反映实际工作状态；
6）针对不同模型及载荷，施加边界条件，提交计算：将经过验证的边界条件施加到动力学仿真分析模型上，完成求解器的参数设置并提交计算；
7）进一步优化参数进行精细求解；
8）结果后处理：对计算完成得到的结果进行处理工作，输出计算结果噪声云图、压力云图、阻力曲线数据等；
11）编写计算报告：根据最终设计模型所得到的仿真计算结果编写计算报告， 整理计算程序、文件等资料。
二、仿真分析前处理
1、仿真分析流程
根据设计要求，需要对列车滑板进行流体动力学分析。Workbench下仿真分析流程图如下图所示，采用FLUENT模块，即集成于Workbench的FLUENT模型进行设置。
FLUENT适合进行高度流体动力学问题，计算方案如下：
1）JS85-003三维定版流体动力学分析；
2）450km滑板流体动力学分析。
2、列车滑板及流场几何模型建立
列车滑板的几何模型在DM中进行清理，保留滑板外形，不影响阻力及噪声计算。局部小特征进行简化。由于模型具有对称性，取1/2模型进行计算。
简化后模型分别如下图所示：
JS85-003三维定版
450km滑板
然后，通过fill及boolean等方法提取流体域，下图分别为流体域模型。
JS85-003三维定版流体域
450km滑板流体域
模型的处理较为复杂，过程如下：
3、有限元网格划分
整体采用2mm网格，对于单管采用1mm网格，以提高计算精度。如果不考虑计算机时因素，可以采用0.5mm网格甚至0.2mm网格，精度会更高，但是求解时间也会相应增大4到16倍。
3类不同模型，划分的网格分别如下图所示：
JS85-003三维定版网格数量共828124个
450km滑板网格数量共1334720个
4、命名选择
根据分析需要，分别定义对称面sym、入口inlet、出口outlet、壁面wall以及流固耦合面fsi的命名选择。如下图所示：
Sym对称面
Inlet入口
outlet 0压力出口
wall壁面
Fsi流固耦合面
5、model
对网格进行检查，保证网格没用负的体积尺寸。
采用K-E湍流模型进行计算；
6、cell域设置
流体域采用空气air材料。
7、边界设置
对inlet入口施加111.11m/s的入口速度。
Outlet出口为0压力出口。
入口及出口如下图所示：
8、求解器设置
求解器采用simple求解。
9、阻力定义
添加阻力计算及报告；
10、初始化
采用hybrid初始化方式对模型进行初始化设置。
11、求解设置
设置1000迭代步数，计算过程中，当阻力稳定后，可手动停止计算。
三、仿真结果分析
1、JS85-003三维定版结果分析
迭代过程如下：
阻力稳定后，阻力大小为373牛；
升力为35N；
打开物理条件下的声学模型，并分析该声场。将参考声功率改为1e-8。
噪声水平如下，最大噪声131分贝（DB）。噪声水平最大位置位于迎风面的拐角位置。
2、450km滑板结果分析
迭代过程如下：
阻力稳定后，阻力大小为254牛；
升力为162.5N；
打开物理条件下的声学模型，并分析该声场。将参考声功率改为1e-8。
噪声水平如下，最大噪声124分贝（DB）。噪声水平最大位置位于迎风面的拐角位置。
3、总结
两类不同方案模型的结果对比如下表所示：
四、写在最后
高速列车滑板阻力及噪声分析报告为用户投稿内容，希望对仿真学习者和研究者有所帮助，本文的模型已经收录到仿真学习资料包，用户可以自行下载。
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来源：仿真秀App
