双线高速铁路桥最优风障高度及作用机理的数值研究

基于计算流体动力学理论,采用数值模拟的方法计算设置有不同高度风障的双线简支箱梁桥上高速列车的气动力,分析绕列车几何中心、迎风侧轮轨接触轴线和背风侧轮轨接触轴线的侧倾力矩,提出控制侧倾力矩和累计控制侧倾力矩的概念,并以此为依据通过不断逼近的方法得到最优的风障高度,最后对风障改善列车气动性能的机理进行研究。研究结果表明:风障的高度对列车的气动力影响较大,但根据各分力得出的最优风障高度不一致;侧倾力矩对轮轨接触轴线比几何中心大,且对风障高度也更加敏感;控制侧倾力矩当风障高度较小时为对背风侧轮轨接触轴线之矩,当风障增加到一定高度后,将转移到迎风侧轮轨接触轴线,从而对于双线桥最优风障高度并不是对背风侧或迎风侧轮轨接触轴线侧倾力矩为0 N·m的风障高度;综合考虑列车位于两线路上的气动作用,根据累计控制侧倾力矩得出气动缩尺模型的最优风障高度为95 mm,从而可知双线高速铁路简支箱梁桥上1.9 m风障效果最好。     

强侧风下客车在不同路况运行的气动性能比较

基于三维、非定常N-S方程,采用动网格技术对青藏线客运列车在强侧风作用下运行进行模拟,得到客车分别在桥梁、路堤、路堑及平地上运行所受到的气动力及力矩。将客车在路堤上运行的数值模拟结果与风洞实验进行对比。研究结果表明：侧向力、升力和倾覆力矩数值模拟结果与风洞实验结果均吻合较好;车速一定时,随着侧风速度的增大,列车在桥梁、路堤、平地上运行所受气动力和倾覆力矩均急剧增加,而在路堑上运行所受气动力及力矩增加缓慢;当侧风速度一定的情况下,客车在高桥上运行所受到的气动力及力矩最大,因此,强侧风下列车在高桥上运行较容易发生倾覆事故;在路堑上所受到的气动力相对最小。     

桥梁对高速列车气动特性影响的风洞试验研究

为考虑侧风作用下桥梁对高速列车气动特性的影响,以高速列车与双线简支箱梁桥为原型,自主研制缩尺比为1:20的车-桥模型风洞试验模型装置,该装置可改变风偏角、测试对象以及列车与桥梁的相对位置等。测试高速列车的头车、中车及尾车各自的气动力,建立天平坐标系下测试数据转换到整体坐标系的转换关系,讨论雷诺数、车辆在桥面横向相对位置、风偏角对高速列车气动系数的影响。研究结果表明:基于自主研制车-桥模型的风洞试验测试是可行的;雷诺数对车-桥系统的气动性能影响有限;列车位于迎风侧线路时气动影响显著;随风偏角的增大,高速列车的侧力系数、升力系数、侧倾力矩系数存在减小的趋势。测试所得的高速列车气动参数可用于进一步开展风-车-桥耦合振动分析。     

动车组横风环境下的交会气动效应

采用三维、可压缩、非定常N-S方程的数值计算方法,对8辆编组的动车组在20 m/s横风下以250 km/h速度交会时列车表面瞬变压力和车体所受气动力及力矩进行分析,并采用间接验证方法,将风洞实验、动模型实验得到的结果分别与数值模拟结果进行对比。研究结果表明:间接验证方法下所得气动效应实验结果和数值模拟结果变化规律一致,压力幅值相对误差在5%以内;动车组横风下交会时,车体头、尾处测点压力差别较大,中部位于同侧测点压力差异较小,同一高度、不同纵向测点的压力变化波形及幅值基本一致,车体顶部测点压力始终为负;对于车体所受横向气动力及倾覆力矩,头车比中间车和尾车的大,背风车比迎风车的大;随着横风风速的增加,列车所受横向气动力及倾覆力矩峰值也迅速增加,严重威胁着动车组的安全运行。     

横风作用下列车在高架桥上运行的气动特性分析

使用计算流体力学方法研究横风条件下列车在高架桥上运行的气动特性和倾覆的危险性。基于三维N-S方程,采用滑移网格技术对列车运行进行数值模拟,并与在地面上运行作对比数值模拟计算。研究结果表明列车在高架桥上运行所受到的气动力随着侧风强度的增加而剧烈增加,随着车速的增加而缓慢增加;和地面路况运行相比,列车在计算模型中的高架桥上运行并未增大倾覆危险性。     

青藏线棚车在强横风下的倾覆稳定性

采用缩比棚车模型风洞实验的方法研究棚车在5 m高路堤和15 m高桥梁上的气动性能,得到气动力系数与侧滑角之间的关系,在此基础上,根据静力矩平衡原理建立棚车整车在轨道上倾覆及车体在转向架上倾覆的数学模型,得到车辆在直线和曲线上运行时车辆运行车速和临界倾覆风速关系.研究结果表明:路堤或桥梁上棚车的气动力系数均随着侧滑角的增大而增大,在桥梁上侧滑角为75°时达到最大值,之后稍微降低;车体在转向架上倾覆时的临界风速小于车辆整车在轨道上倾覆的临界风速,车辆的安全速度限值应当以车体在转向架上倾覆为基础进行研究;车辆在曲线上静止时,其在路堤和桥梁上的临界倾覆风速分别为37.0和39.5 m/s,当车速为100km/h时,其临界倾覆风接近30 m/s;若车辆在直线上静止时,其在路堤和桥梁上的临界倾覆风速分别为45.0和49.0 m/s,当车速为120 km/h时,在路堤或桥梁上棚车的临界倾覆风速接近33 m/s.     

风障对桥上高速列车气动特性影响的风洞试验

为考虑侧风作用下风障对桥上高速列车气动特性的影响,以高速列车与双线简支箱梁桥为原型,自主研制了缩尺比为1:20的风障-车-桥模型风洞试验模型装置。测试高速列车的头车、中车及尾车各自的气动力。分析风速、列车位于桥梁的横向位置、不同风障高度与透风率、风偏角对高速列车气动系数的影响,最后以静力轮重减载率作为风障防风效果评价指标,给出风障气动选型参数建议值。研究结果表明:雷诺数对车-桥系统的气动性能影响有限;桥梁上设置风障可明显减小列车所受气动力;列车位于迎风侧线路时运行时所受气动荷载较大;随着风障高度的增大,列车气动力系数减小;当风障增加到某一高度后列车气动系数基本不再随风障高度变化,但随着透风率增大而增大;当风偏角小于等于20°时,高度为4 m,透风率为0%风障的挡风效果较好,而当风偏角大于20°时,高度为4 m,透风率为30%风障的挡风效果较优。研究结论可为实际工程中风障气动选型提供参考。     

兰州-新疆线强侧风作用下车辆的气动特性

对试验列车上、下行通过“猛进东”测风点时的车体表面压力分布情况进行分析,采用分块积分法得出试验列车上、下行通过“猛进东”测风点的气动力。利用流场计算软件FLUENT对列车在大风作用下通过“猛进东”时的情况进行数值模拟计算,并与实车试验结果进行对比分析。结果表明：车体迎风面及背风面表面压力分布规律基本一致,验证了数值模拟计算模型的准确性;车辆受到的气动力中除升力的实验值与模拟结果相差较大外,主要导致车辆倾覆的横向力和倾覆力矩的实验值与模拟结果相差较小,满足工程应用要求。     

青藏线上集装箱平车在强横风下的稳定性

采用数值模拟计算的方法,对青藏线上10 m高桥梁上集装箱本身和集装箱车整车在强横风下的气动性能进行研究,得到气动力系数与侧滑角之间的关系:在此基础上,根据静力矩平衡原理建立车辆在轨道上倾覆及集装箱在车体上倾覆的数学模型,得到车辆和集装箱在直线和曲线上运行时车速和临界倾覆风速的关系.研究结果表明:桥梁卜集装箱车整车和集装箱自身的横向力系数以及倾覆力矩系数均随着侧滑角的增大而增大;当侧滑角为75°时达到最大值,之后稍微降低;在低速时,车辆向曲线内侧倾覆的临界风速较低;在高速时,车辆向曲线外侧倾覆的临界风速较低;总体上,集装箱整车和集装箱自身的临界倾覆风速均随着车速的提高而降低,但集装箱在车体上倾覆的临界风速小于车辆整体在轨道上倾覆的临界风速,车辆的限速应当是以集装箱在车体上的倾覆为标准;对于集装箱车整车,当车速分别为0,40,60,80和100 km/h时,整车的临界倾覆风速分别为23.1,20.6,18.5,16.3和14.7 m/s.     

风屏障高度对城轨专用斜拉桥车桥系统气动特性的影响

在综合考虑风屏障高度对桥梁及桥上列车气动特性影响的前提下,采用风洞试验和数值模拟相结合的方法,研究在桥梁上设置不同高度风屏障的情况下列车与桥梁的气动力系数以及车桥系统周围的流场分布情况。研究结果表明:随风屏障高度增加,桥梁的阻力系数明显增大,而桥上列车的阻力系数相应减小,桥梁与列车的升力系数变化不明显;在侧风作用下,风屏障高度对处于桥面迎风位置列车的所受气动力影响较明显;风屏障高度对车桥系统周围流场的影响较明显,当风屏障高度增加时,梁体迎风面正压区显著增大;车体迎背风面的压力分布不仅受风屏障高度的影响,而且受列车在桥面的位置的影响。     

单线路堤上挡风墙高度研究

采用数值模拟计算的方法,对单线路堤上不同高度单、双侧挡风墙对列车气动性能的影响进行研究。研究结果表明:安装挡风墙后,车辆的气动力系数远远小于无挡风墙时的气动力系数,车辆的迎风面受到的压力由大部分正压转变为大部分负压,车辆顶部受到的负压明显减小;挡风墙的不同高度对车辆的气动性能有明显影响,挡风墙高度较低时,横向力系数为正值,随挡风墙高度的增加而减小,达到一定高度后,由正值变为负值,而倾覆力矩系数则正好相反;对于单侧挡风墙,在挡风墙高度为1.85 m时,车体的倾覆力矩系数为0,其合理高度应为1.85 m;对于双侧挡风墙,当挡风墙高度为2.00 m时,倾覆力矩系数为0,因此,挡风墙合理高度为2.00 m。     

基于流动模拟和动力学仿真的高速列车横风运行稳定性研究

以国产CRH3型3节车编组高速列车为研究对象,利用计算流体力学软件Star-CD/CCM+计算了在不同横风风速和不同车速下的列车气动力荷载;将该荷载导入动力学仿真软件SIM-PACK的列车运行动力学模型中,计算出在不同横风和车速条件下的脱轨系数、减载率和倾覆系数等运行稳定性参数.计算表明:头车的气动性能和运行稳定性受横风的影响最大;根据车辆动力学性能参数确定的列车安全速度限值与横风风速之间并非线性关系.参照有关高速列车运行稳定性评定标准,给出了不同横风风速下高速列车安全运行的速度限值.     

特高压新月型覆冰导线气动力特性研究

针对特高压多分裂输电导线的概况,通过风洞试验和FLUENT流体动力学软件,分析了八分裂新月型覆冰导线各子导线在不同风攻角、风速下气动力特性的变化规律,并将模拟结果与风洞实验数据进行了对比分析。同时探讨了阻力系数和升力系数变化规律的内在原因。风洞试验和数值模拟结果都表明风攻角对八分裂覆冰导线子导线气动力特性影响明显,风速对阻力系数的影响较大,对升力系数的影响却并不明显。数值模拟与风洞试验得到的气动力系数基本一致。     

强横风下列车出隧道时的瞬态气动性能

运用滑移网格技术,选用工程上常用的k-ε双方程湍流模型,对横风环境下高速列车出隧道口时的瞬态空气动力特性进行数值模拟,得到不同风速、不同车速下列车受到的瞬态风荷载。计算结果表明:车体所受的瞬态风荷载在列车出隧道口的过程中急剧增大,随着列车逐渐脱离隧道而趋于常数;对车辆安全影响较大的侧向力、侧滚力矩中,头车受到的气动力变化幅值最大、尾车最小,中间车居中;列车出隧道过程是车体周围流场压力不断上升的过程;车体水平中心截面上的静压系数曲线在车头处存在1个大2个小共3个峰值;随着列车的运行,其中迎风面的第2峰值逐渐增大超过原最大峰值,而背风侧第2峰值基本保持不变。     

高速列车横风气动力数值计算研究

采用雷诺平均的方法对高速列车横风稳定性进行了数值模拟,重点研究了列车在侧偏角为8.77°下的横风特性。研究对象为高速列车的风洞缩比模型,将数值计算结果与实验值进行了对比。鉴于当前各类软件针对复杂列车车体横风稳定性的计算仍然不成熟,首先进行了三类商用软件的数值计算比较,分析了不同软件计算结果的精度差异。针对复杂列车外形的网格划分也是数值计算中的重要组成部分,针对两套列车网格进行了分析,研究了网格对计算精度的影响。在与实验值拟合最好结果的基础上,还着重研究了列车在横风作用下的气动特性。背风侧上下侧面拐角位置的流动分离是横风效应的最明显特征,由于流动分离而产生的涡系沿着列车背风侧向下游延伸,并且其强度也不断增强。本文还从气动力角度对横风特性展开了研究。横风条件下列车气动力与无横风相比有较大差异,对列车不同部位的气动力及其组成等进行了分析。     

两串列方柱绕流的干扰数值研究

用数值方法研究了绕流两串列方柱的气动力及其相互干扰,使用了经改进的标志网络（MAC）方法对相同尺寸的方柱在不同间距比下的流场进行了数值模拟,结果表明：实验中观测到的两串列方柱的阻力不随两方在的间距比连续变化,而是在临界间距比时出现不连续跳跃的现象得到了成功的再现,数值计算所得的阻力值与风洞实验值吻合得比较好。     

弧形翼-身组合体绕流流场数值模拟及实验研究

为了研究标准技术协作计划(TTCP)弧形翼-身组合体的空气动力学特性,对其在超声速下的三维绕流流场进行了数值模拟.应用雷诺应力湍流模型和平流迎风劈裂法离散格式,对弧形翼-身组合体在Ma∈[2.0,5.5]范围内的超声速绕流流场结构进行了分析.计算分析了弧形翼-身组合体的各气动力系数随马赫数、攻角的变化规律.阐述了弧形翼在零攻角状态下产生自诱导滚转力矩的机理.利用超声速风洞进行了标准TTCP弧形翼-身组合体在Ma=3.0条件下的吹风实验.实验结果与数值模拟结果的计算误差小于10％,验证了所采用数值模拟方法的可信度.     

主梁断面差异对大跨桥上风屏障防风性能影响的风洞试验研究

风屏障防风性能受下部结构形式影响较大,为了分析大跨桥梁主桥与引桥主梁断面差异对风屏障防风性能的影响,以某一新建高铁线路的大跨斜拉桥的主桥与引桥为背景,通过风洞试验研究主桥与引桥上列车在不同线路、风屏障高度和透风率等工况下的气动力系数、表面风压系数。研究结果表明：当风屏障参数相同时,主梁断面差异会导致列车气动特性产生较大区别,其中背风侧列车受到的影响较大,且列车位于流线型主桥断面上时气动特性对风屏障参数的变化更敏感;在不同参数风屏障下,主梁断面差异对于列车气动力的影响主要体现在列车迎风面与顶部风压的变化;主梁断面差异对于背风侧列车的侧倾力矩系数影响最大,列车位于主桥断面上时的侧倾力矩系数受风屏障参数变化影响最显著;设计风屏障时,应根据主桥与引桥的主梁断面分别选择适合的参数,以减少主梁断面差异对列车行车舒适性带来不利影响。     

兰新铁路土堤式挡风墙阶梯式设计

采用计算流体力学方法对土堤式挡风墙阶梯式设计进行了数值模拟,分析挡风墙后列车的气动性能。研究结果表明:采用阶梯式设计后,列车所受到的横向力、升力和倾覆力矩明显减小,中间客车的横向力、升力和倾覆力矩分别最大减少88.7%,58.3%和75.6%;车体迎风面较大面积的强正压转变为大部分负压,车体顶部负压减小,整个车体基本处于一个负压环境中,因而受力情况明显好于原挡风墙下的车体受力。同一阶梯高度下,机车受到的横向力和倾覆力矩最大,第一节客车受到的升力最大;不同车速下,车体横向力、倾覆力矩随阶梯高度变化的拟合曲线基本相同,且在阶梯高度0.6~1.0 m之间变化平缓。     

车桥耦合气动力特性和风压分布数值模拟

基于计算流体动力学，采用数值模拟的方法研究了车桥耦合体系气动力特性和风压分布．首先选取了雷诺应力湍流模型，分别建立了桥梁单体模型、车辆单体模型和车桥耦合体系模型．计算了3个模型在不同风向角下的气动力系数，并对各自的风压分布进行了比较．车桥耦合体系考虑了车辆和桥梁的耦合效应，在不同风向角工况下，车桥耦合体系的气动力系数，包括升力系数、阻力系数和倾覆力矩系数，都明显增大．计算结果表明，车桥耦合体系与桥梁和车辆各自单体相比较，气动力系数差异较大，故设计中应对此给予重视，以确保行车安全．