在电掣飞驰中捕“风”捉“影”：轨道交通行业与SIMULIA PowerFLOW的故事

对于高速客运列车而言，空气阻力的影响显而易见，空气动力学阻力与速度的平方成正比，其在高速情况下完全超越了其他阻力来源，但这一阻力也会影响低速列车甚至是货运列车的性能和效率。

仿真是使用数值方法对系统的物理行为进行建模分析的手段。仿真方法适用于多种物理场专业学科。在轨道交通行业，结构仿真和多体仿真以对轨道车辆的强度和动力学特性进行建模分析而著称，但流体动力学仿真（CFD）对铁路工程界而言也是一门非常重要的专业学科。

针对液体和气体在固体周围和空洞内的流动现象，可利用CFD进行建模分析。流体流动会产生复杂的行为，如湍流涡旋、边界层、尾迹和射流，需要以工程设计层面所需的准确度来应对各类行为。用于捕捉这种复杂行为的仿真技术包括雷诺平均的纳维-斯托克斯方法（RANS）和格子玻尔兹曼法（LBM）。

计算流体动力学（CFD）仿真可帮助轨道交通行业在设计流程中分析和优化机车与列车阻力，早在原型和风洞测试之前便可完成仿真分析。提高能效有助于列车运营商降低燃料成本并达到排放目标。此外，CFD还可用于分析铁路设计的许多其他领域，涵盖从降低风噪到优化空调的各种应用。本篇博文将讲解轨道交通行业的用户如何采用SIMULIA PowerFLOW为CFD仿真提供不竭的动力，以支持创新型设计，并在不断变化的交通领域保持竞争力。

本文中的示例是使用SIMULIA PowerFLOW工具中的中的格子玻尔兹曼方法计算得出的。

功能强大的SIMULIA PowerFLOW经过了数十年的发展，用于仿真高度复杂的车辆（包括完整列车编组）的空气动力学、空气热力学和气动声学现象等高保真流体行为。其具有高度自动化、可扩展到数千个计算核心、可以处理复杂不完美几何形状且不需要手动生成体积网格等优势。PowerFLOW支持GPU加速甚至还可处理极其庞大的轨道车辆等相关问题。

防患未然胜过亡羊补牢。在原型构建完毕并且轨道测试开始时，整个项目已经投入了大量资源，并且设计中存在许多依存关系。如果在这个阶段发现了空气动力学问题，可能需要重新设计列车的重要结构组件，这会造成项目延误并显著增加成本。仿真可支持工程师采取左移方法将设计性能分析环节提前（在时间轴上向左移动），减少了最终测试设计的返工风险，避免了后期设计变更和成本扶摇直上的问题。

此外，仿真还可以揭示通过传统方法难以理解的各类现象成因。SIMULIA PowerFLOW提供清晰、高分辨率的3D可视化，使空气流动、热分布和噪声传播可见，便于工程师理解问题的根源并制定行之有效的解决方案。自动实验设计（DoE）和优化可以快速探索众多不同的场景，包括难以在试验中进行测试的场景，并找到最优解，在各类工况条件下实现效率最大化。

列车上存在许多潜在的阻力源，不仅在编组前部，还有后部、车厢或货车之间的间隙、列车底部、电动列车的受电弓以及货运列车上的货物等处。货运列车可能长达一英里，并搭载数百个集装箱。每个集装箱都会在其后方形成湍流涡旋，聚沙成塔为整体阻力带来显著影响。

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设计，而铁路公司也可以使用它来优化不同运营场景下的性能并节省燃料。仿真能够帮助货运运营商统筹集装箱及其它们之间的空间，额外采取空气动力学整改措施以减小阻力。市场上已有卡车等运输行业正在使用PowerFLOW来改善车辆的空气动力学特性，这意味着轨道交通行业也需要改善车辆阻力以保持其竞争优势。

当全球第一条高铁专线开通运营时，附近居民时常抱怨听到类似枪声的噪声。工程师们意识到，列车通过隧道时，车头会将空气压缩成激波。必须重新设计机车以改变其空气动力学特性，隧道入口则采用遮罩和穿孔板装置加以防护，起到类似消音器的作用。气动噪声是列车上的主要噪声来源之一。

噪声可能在任何导致湍流的列车部位产生，也会在列车空气动力学尾迹与桥梁、架空电气化设施等道旁结构相互作用时产生。仿真分析可识别这些噪声源，并帮助设计人员通过空气动力学改进或隔音手段来减轻噪声影响。SIMULIA PowerFLOW具有与空气动力学紧密耦合的空气声学仿真能力。用户可以在列车周围的任意采样点计算噪声水平，甚至可以仿真列车自身的噪声，以精准了解乘客的体验。

车厢顶空调风口气流仿真

发动机、电机、变压器和制动器都能产生大量热量，在各类气候条件下，无论是在运行时还是停车时，都需要配以高效的散热措施。仿真能够助力设计重型机械的风扇和冷却系统，对发动机内的空气流动和热分布进行建模。此外，SIMULIA PowerFLOW也能对风扇和通风口处的噪声进行建模。仿真能够降低设备热失效的风险，并支持工程师根据目标最大限度地优化成本和重量，高效设计适合应用场景的冷却系统。工程师甚至还可以仿真冷却系统风扇的噪声，并采取降噪措施。

此外，SIMULIA PowerFLOW还可用于设计轨道车辆驾驶室和乘客空间内的供暖、通风和空调（HVAC）系统。在这类场景中，重点设计需求包括处理空气的均匀分布、驾驶室的通风以及乘客感知到的噪声。

空气动力学是轨道车辆开发中的关键要素，因为即使在较低运行速度下，阻力对能效率和燃油消耗也造成有重大影响。计算流体动力学（CFD）仿真可支持工程师设计空气阻力更低的列车，并在风洞测试之前尽早完成空气动力学分析。

此外，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对项目的接受度。耦合型CFD-热仿真还可用于设计机车的热管理系统，并确保暖通空调（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仿真能力。使用PowerFLOW将CFD仿真完美整合到设计工作流程中能够加速机车的开发，改善燃油效率、合理设计冷却和暖通空调（HVAC）系统等KPI，并降低项目后期返工等拉高设计成本的风险。