基于CFD的高速列车外形谱系化设计理论与方法研究

Different regions or different line cases have different requirements on the train aerodynamic performance, which leads to different or even reverse train shape. With minor variation for nose shapes, CRH series high speed trains(HST) ran extensively in China. The family design of HST nose shape is in urgent need,to balance the different requirements from different regions or line cases.Combined theoretical analysis, CFD simulation and model test,the project is carried out.With the main line of HST shape design, this project tries to explore the geometry-mesh parametric modeling method of HST nose shape. The classic DOEs ignore the information of response function .In view of these shortcomings,a GA-PSO adaptive design of experiment is proposed,based on the theory of DOE and bionics.Further,a stochastic dynamic evaluation theory for metamodel valtdation,along with metamodel exit mechanisms, is developed to insure the precision and efficiency of the metamodel.Finally, the family design theory and method of HST shape based on CFD is put forward.The development of the project has important theoretical significance and practical application values in enriching the theory of HST design and guiding HST shape design.

不同地区或线路工况对列车气动性能要求的侧重点不同，而不同的气动性能要求则导致不同或截然相反的列车外形设计方案。我国CRH 高速列车各主力车型外形变化较少，迫切需要进行外形谱系化设计，以平衡和协调不同地区或线路工况对列车气动性能的要求。本项目采用理论分析、数值仿真和模型实验相结合的方法，以高速列车外形（头形）设计为主线，探索高速列车外形三维混合参数化建模方法；针对传统实验设计未考虑函数响应值的不足，基于实验设计与仿生学理论，研究基于GA-PSO的自适应实验设计理论；为保证近似计算精度与效率，研究近似模型预测精度随机动态检测理论和近似模型退出机制。基于对上述内容的研究，形成基于CFD（Computational Fluid Dynamics，CFD）的高速列车外形谱系化设计理论和方法，为高速列车外形设计提供理论依据与技术支撑。

不同地区或线路工况对列车气动性能要求的侧重点不同，而不同的气动性能要求则导致不同或截然相反的列车外形设计方案。我国CRH 高速列车各主力车型外形变化较少，迫切需要进行外形谱系化设计，以平衡和协调不同地区或线路工况对列车气动性能的要求。本项目采用理论分析、数值仿真和模型实验相结合的方法，以高速列车外形（头形）设计为主线，探索了高速列车外形三维混合参数化建模方法；针对传统实验设计未考虑函数响应值的不足，基于实验设计与仿生学理论，初步探讨了基于GA-PSO的自适应实验设计理论；建立了以最大误差为评价标准，最大迭代次数为约束，随机验证的近似计算理论体系。基于上述研究，初步形成了基于CFD（Computational Fluid Dynamics，CFD）的高速列车外形谱系化设计理论和方法，为高速列车外形设计提供理论依据与技术支撑。项目资助发表论文4篇，待发表2篇。项目培养硕士生4名，本科生4名，均已取得学位。