列車的空氣動力學對能源效率和燃油消耗有重大影響。PowerFLOW流體模擬（CFD Simulation）讓工程師設計列車時，能夠以最大限度減少空氣阻力，並在風洞測試之前分析空氣動力學。 鐵路業是最早意識到空氣動力學和風阻重要性的行業之一。1930年代，具有標誌性的「流線型」機車，如美國Pioneer Zephyr、英國Mallard和德國Flying Hamger等，多虧其流線型設計大大地減少風阻，使其行駛時速遠超過100英里/小時。後來，日本新幹線和法國TGV的成功使流線型子彈列車頭聲名大噪，激發了世界各地高速鐵路的復興，至今也仍在繼續發展。 風阻對高速客運列車的重要性是顯而易見的，空氣動力風阻隨速度的平方增加，並在高速度時完全支配其他阻力來源；但它也會影響低速列車（甚至貨運列車）的性能和效率。 如何透過流體模擬幫助鐵路業？ 模擬是利用數值方法來模擬系統的物理行為。模擬方法用於許多物理學科。在鐵路業中，結構模擬和多體模擬被廣泛用於模擬軌道車輛的強度和動力學，但流體模擬，或稱為計算流體力學（CFD），也是鐵路業的一個重要領域。 CFD模擬了液體和氣體等流體在固體周圍和空心體內的流動。流體流動會產生紊流渦流、邊界層、尾流和噴流等複雜行為，需要以工程設計所需的精確度來解決。用於捕捉這種複雜行為的模擬技術包括RANS和LBM（Lattice Boltzmann Method，晶格波茲曼法）。 計算流體動力學模擬（CFD Simulation）有助於鐵路行業在設計過程中（早於原型和風洞測試之前）分析和優化鐵路機車和軌道車的阻力。提高能源效率有助於列車運營商降低燃料成本，並實現減排目標。它還應用於分析鐵路設計的許多其他領域，從降低風噪聲到最佳化空調。本篇文章將解釋SIMULIA PowerFLOW是如何在整個鐵路業中被用來支持CFD模擬，幫助他們開發創新的新設計，在不斷變化的運輸環境中保持競爭力。 SIMULIA PowerFLOW鐵路行業應用（CFD模擬） 本文中的範例是使用SIMULIA PowerFLOW工具中的Lattice Boltzmann（晶格波茲曼法）計算的。SIMULIA PowerFLOW是一種高精度、強大的流體力學軟體，經過數十年的發展，專為高度複雜的車輛的空氣動力學、空氣熱和氣動聲學模擬而設計（例如整列有尾流和滑流的火車）。PowerFLOW高度自動化，可擴展至數千個計算核心，可處理複雜的不完美幾何體，並且不需要體積網格生成。PowerFLOW支援GPU加速，甚至可以解決鐵路車輛等極大的問題。 模擬在列車設計的優勢 越早發現問題，修復起來就越容易。當原型機已經建造，軌道測試開始時，已經投入人量資源到設計中，並且設計中存在眾多依賴關係。如果在此階段發現了空氣動力學問題，火車的大部分零件可能需要重新設計，從而延誤專案並顯著增加成本。模擬允許「左移」方法，工程師可以提前進行分析（將其時間軸向左移），而不必等到最後才測試設計，進而減少後期設計變更和成本上升的風險。 模擬還可以揭示影響的原因，只透過常規方法不易理解。SIMULIA PowerFLOW提供清晰、高解析度的3D視覺化，使空氣流動、熱分佈和噪音傳播變得可見，使工程師能夠理解問題的根本原因並制定有效的緩解方法。自動化實驗設計（DoE）和最佳化可以快速探索許多不同的場景，包括難以在實驗中測試的情況，並找到最佳解決方案，在許多操作條件下最大限度地提高效率。 克服火車的風阻 圖1、模擬列車在側風中行駛。 列車上存在許多潛在的風阻源，不僅是車頭，還包括車尾、車廂或貨車之間的間隙、列車底部、電動列車上的受電弓以及貨運列車上的貨物；貨運列車可能長達一英里以上，運輸數百個貨櫃。每個貨櫃都會因其後面形成的湍流渦旋而產生一點風阻，總阻力可能很大。 鐵路車輛製造商可以使用SIMULIA PowerFLOW來優化鐵路機車和貨車的流線型設計，而鐵路公司也可以使用它來優化不同操作情景下的性能並節省燃料。模擬幫助貨運業者最佳化組織貨櫃及其之間的空間，並選擇附加空氣動力學修復措施以減少風阻。卡車運輸等競爭行業已經在使用PowerFLOW來改善車輛的空氣動力學性能，這意味著鐵路行業也需要改善風阻以保持競爭優勢。 列車的氣動聲學噪音模擬 圖2、模擬受電弓和相關結構，以進行列車經過時的噪音分析。 當首條專用的高速鐵路開始運營時，附近的居民抱怨聽到像槍聲一樣的噪音。工程師們意識到，當列車穿過隧道時，列車前方壓縮了空氣，形成一個衝擊波。鐵路機車必須重新設計，以改變其空氣動力學特性；隧道入口處設置遮蓋物和孔洞，也可形成消音器的作用。氣動聲學是列車上主要噪音源之一。 在任何引起紊流的列車部件都可能會產生噪音，同時也可能來自列車的空氣動力學尾流與橋樑和高架電氣化等軌道旁結構的相互作用。模擬可識別這些雜訊源，並協助設計人員透過空氣動力學改進或隔音來減輕這些雜訊源。SIMULIA PowerFLOW具有與空氣動力學緊密耦合的氣動聲學模擬能力，可以計算列車周圍任意點的噪音水平，甚至可以聆聽列車本身的模擬噪音，以精確瞭解乘客的體驗。 列車熱管理與氣候控制 圖3、來自火車車廂天花板上的 HVAC 通風口的氣流。 引擎、馬達、變壓器和煞車會產生大量熱量，在各種氣候條件下，無論是高速行駛還是停止時，都需要進行高效冷卻。模擬可用於設計重型機械的風扇和冷卻系統，模擬引擎內的氣流和熱分佈。SIMULIA PowerFLOW還可以模擬風扇和通風口的噪音。模擬減少了熱失效的風險，並讓工程師能夠合理調整冷卻系統的尺寸，以最大限度地降低成本和重量，同時仍能滿足目標。甚至可以模擬和減輕冷卻系統風扇的噪音。 SIMULIA PowerFLOW還可用於設計列車車廂內部的暖氣、通風和空調系統（HVAC）。在這裡，關鍵的設計要求包括處理空氣的均勻分佈、車廂通風以及乘客感知的噪音。 CFD模擬塑造鐵路設計的未來前景 空氣動力學在鐵路車輛開發中是一個至關重要的考慮因素，即使在較低速度下，風阻也會對能源效率和燃油消耗產生重大影響。計算流體力學模擬（CFD Simulation）使工程師在設計列車時，能夠最小化風阻，並在風洞測試之前分析空氣動力學。 CFD模擬還可用於分析和優化列車的噪音，以改善乘客體驗並提高當地社區的接受度。CFD熱耦合模擬也可用於設計鐵路機車系統的熱管理系統，以確保HVAC系統為乘客提供安全、舒適的環境。 SIMULIA PowerFLOW為鐵路車輛開發提供了全方位的CFD模擬能力，將使用 PowerFLOW的CFD模擬整合到設計工作流程中，可以加速鐵路機車的開發，如提高燃油效率、合理設計冷卻和HVAC系統等KPI，並降低後期重做的風險，以避免增加設計成本。 關鍵字：流體模擬、CFD模擬（CFD Simulation）、計算流體力學、氣動聲學、空氣動力學、噪音 SIMULIA Blog