头部参数对高速列车明线交会气动性能的影响

采用三维、可压N-S方程、k-?双方程湍流模型和滑移网格技术,对不同的流线型长度、头部型线列车明线交会压力波及气动力的关系进行计算分析。研究结果表明:交会压力波头波幅值数值计算结果与实车试验结果较吻合,两者相对误差为4.9%;当列车流线型长度从8 m增大至12 m时,交会压力波、侧向力、侧滚力矩幅值分别减小27.0%,39.2%和36.2%;头部主型线中,水平剖面型线对交会气动性能的影响最大,当水平剖面型线斜率由0.076增大到0.184时,交会压力波、侧向力、侧滚力矩幅值分别增大12.1%,7.3%和8.5%;纵剖面型线对列车交会气动性能的影响较小,当斜率从0.505增大到0.713时,交会压力波、侧向力和侧滚力矩幅值分别增大1.90%,0.65%和0.89%;当横截面型线斜率从0.194增大到0.235时,交会压力波、侧向力和侧滚力矩幅值分别增大4.1%,3.1%和4.0%。     

高速列车明线交会压力波特性研究

列车交会压力波是影响列车运行安全性和乘客舒适性的重要因素之一,因此需对压力波特性展开研究。采用计算流体力学方法数值求解雷诺平均N—S方程,对不同时速和线间距下国产新型高速列车会车过程开展三维非定常仿真,得出了压力波以及侧向力的变化规律曲线。结果表明最大压力波幅值出现在尾车等截面与变截面过渡处的鼻尖高度位置。会车过程中,车体将承受两次排斥力和一次吸引力,这将对列车的稳定行驶产生一定的影响。压力波幅值和列车所受的侧向力均随会车速度的增大而增大,随会车线间距的增大而减小。     

头部主型线变化对列车隧道交会气动性能的影响

基于三维、可压缩、非定常N-S方程和k-ε双方程湍流模型,对不同主型线头部列车隧道交会气动效应进行数值模拟,得到列车在隧道内交会时的侧向力、总阻力以及隧道壁面压力变化。研究结果表明:隧道壁面和列车表面压力测点数值计算结果与动模型实验、实车试验结果较吻合,相对误差均在5%以下;单拱型列车隧道交会气动性能略优于双拱型;纵剖面型线对列车隧道交会气动力影响较大,纵剖面型线从下凹变化到上凸,头车、中间车和尾车侧向力幅值系数分别增加11.2%,14.0%和23.7%,最大总阻力系数增加7.2%;水平剖面型线从最宽外形变化到最窄外形,头车、中间车和尾车侧向力幅值系数分别增加3.4%,2.4%和4.6%,最大总阻力系数减小4.0%;改变头部主型线对隧道壁面压力变化影响较小,最大相对误差为1.7%。     

高速列车明线会车压力波波幅研究

采用移动网格原理对列车明线交会的空气动力学特性进行了数值模拟.修正了Steinheur经验公式,并给出了等速交会的列车表面压力波波幅的新计算公式.研究表明:交会列车低速时对应的压力波幅值小于高速时的幅值;波幅与交会速度、交会侧间距和监测点的高度有关,并近似与列车运行速度的平方成正比;交会侧间距越小,波幅越大;在其他条件不变的情况下,交会侧间距比高度对压力波幅的影响大.     

高速列车明线交会压力波特性研究

列车交会压力波是影响列车运行安全性和乘客舒适度的重要因素之一,因此需要对压力波特性进行研究。采用计算流体力学方法求解三维黏性可压缩N-S方程组,对不同时速下国产新型高速列车会车过程进行三维非定常仿真。得出了压力波以及侧向力的变化规律曲线。结果表明最大压力波幅值出现在尾车等截面与变截面过渡处的鼻尖高度位置。会车过程中,车体将承受两次排斥力和一次吸引力,这将对列车的稳定行驶产生一定的影响。列车所受侧向力随会车线间距的增大而减小。     

双层集装箱车通过隧道气动性能实车试验研究

在合武(合肥—武汉)铁路上进行250km/h等级隧道空气动力性能实车试验;对货物列车单列过隧道及货物列车与CRH2高速动车组在隧道内交会时,集装箱箱体表面的压力变化历程及所受的气动力进行测试。测试结果表明:当2列车在隧道内交会时,交会压力波与隧道内的压力波叠加,造成隧道内列车交会产生的压力变化幅值远大于明线交会产生的压力变化幅值;车体交会侧压力变化幅值比非交会侧压力变化幅值大16%,使得车辆受到较大侧向力作用;双层集装箱车辆进入隧道口时,空气压差阻力急剧上升,之后又逐渐回落;在隧道内运行的平均阻力约为明线运行时阻力的1.56倍,货物列车120km/h和动车组250km/h在大别山隧道和鹰嘴石隧道内交会时,双层集装箱车由气动力引起的最大2s平均倾覆系数分别为0.063和0.067。     

风向角对高速列车驶出隧道过程中气动效应的影响

为研究风向角对驶出隧道过程中高速列车气动效应的影响,以某型高速动车组列车为研究对象,采用数值模拟方法对隧道内气动压力、列车风风速、流场分布及列车气动荷载进行分析。通过与动模型试验结果进出对比,验证数值模拟方法的准确性。研究结果表明：隧道壁面气动压力峰值及变化幅值最大值出现在隧道内部,且出现位置到隧道出口距离与风向角有关;背风侧气动压力受风向角影响更大,气动压力变化幅值随风向角增大呈现先减小后增大再减小的趋势;出口处列车风风速随风向角增大基本呈现先增大后减小的趋势,30°风向角时列车风风速最大,但迎、背风侧列车风风速峰值出现时刻不同;随着风向角增大,流场分布不对称性增强,列车绕流特性由流线型绕流逐渐过渡到钝体绕流,流动分离点到头车鼻尖的距离呈现先增大后减小最后再增大的变化规律,隧道内流动结构愈加复杂;气动横向力、升力变化幅值随风向角增加呈现先增后减趋势,头车横向力系数最大变化幅值分别是中车、尾车的2.4倍和2.6倍,升力系数最大变化幅值分别是中车、尾车的1.1倍和1.5倍,故保证头车安全是控制整车运行安全的关键;侧风下高速列车驶出隧道情形下的最不利风向角为30°,此时头车发生列车事故风险...     

200 km/h动车组交会空气压力波试验

为确定我国200 km/h动车组与准高速列车交会空气压力波的大小,从而为动车组安全评估提供依据,在广深线上利用瞬态压力测试系统,对其列车交会空气压力波性能进行测试,并对测量结果进行综合分析.研究结果表明在线间距为4 m、动车组运行速度为200 km/h(准高速列车速度为160 km/h)时,准高速列车所受到的压力波幅值为1*!568 Pa,而动车组承受的压力波幅值在1*!400 Pa左右;列车头部外形对列车交会压力波幅值有较大影响,控制车外形流线化程度比动力车的流线化程度好,控制车对准高速车造成的压力冲击波幅值小于动力车造成的压力冲击波幅值;对于目前使用的准高速车辆,动车组以200 km/h的速度与之交会运行是安全的.     

隧道交会最不利长度下高速动车组转向架气动力变化规律研究

采用动模型试验测试隧道表面和动车组车体表面测点的时程压力,验证雷诺平均方程应用于计算列车通过隧道空气动力学的有效性,结果表明数据误差满足精度要求.基于验证后的仿真算法,建立高速动车组在最不利长度隧道内交会的三维几何模型,计算高速动车组转向架的气动力,进而分析其变化规律.计算结果及分析表明:尾车转向架6的阻力最大,其阻力的最大值和幅值与速度的二次方成正比关系;头车转向架1和尾车转向架6的侧向力最大,其侧向力极值和幅值与速度的二次方成正比关系;头车转向架2的升力极值最大;当动车组低速交会时,各转向架的垂向力幅值差别不大,但当动车组运行速度超过250 km/h,转向架位置越靠前其垂向力幅值越大.     

快速集装箱平车在明线和隧道内会车时的气动性能

利用三维、可压、非定常N-S方程,采用滑移网格技术对我国正在研制的160 km/h快速集装箱专用平车与动车组分别在明线和隧道内会车时的气动性能进行数值模拟.研究结果表明:集装箱平车以160 km/h的速度与动车组等速交会时,在隧道内会车时车载集装箱中部压力变化幅值是在明线会车时的3.46倍;在明线和隧道内会车时,集装箱列车受到的侧向力和侧滚力矩均与交会列车运行速度近似成平方关系;因隧道内压力分布一维特性较强,集装箱平车交会侧与非交会侧压力相差并不大,因此,在明线会车时集装箱平车受到的侧向力和侧滚力矩均比隧道会车时的大,大约是其1.1倍.     

城际列车不同头部外形对明线交会气动性能的影响

利用CATIA软件建立了城际列车4种不同的头部外形方案,并基于三维、瞬态、不可压的N-S方程和k-ε湍流模型,采用滑移网格技术,对这4种头型方案的流线型头部长度和纵向对称面最大控制型线变化对列车明线交会压力波及气动力的影响进行了数值仿真.计算结果表明:在外形变量相同的情况下,增加流线型头部长度和纵向对称面最大控制型线由外凸到内凹变化,均能有效改善列车运行时的交会性能;对比分析发现,4种头型方案中,方案4的明线交会气动性能最佳,其交会压力波、侧向力、升力和倾覆力矩比性能较差的方案1分别下降了11.57%、 7.40%、 8.19%和7.56%.     

横风下高速列车在隧道洞口交会非定常气动效应

针对横风下高速列车在洞口交会时的非定常气动问题,考虑流场的三维、可压缩、湍流特性,建立隧道-列车三维空气动力学模型,利用滑移网格技术模拟列车交会过程,采用SSTκ-ω湍流模型对列车交会全过程进行求解,研究横风对隧道内瞬变压力、列车风及流场分布特性的影响规律.研究结果表明：横风下列车交会时,洞口处气动压力系数变化幅值显著增大,交会完成时,列车之间压力系数峰-峰值较无横风情形增大30.6%;列车交会开始和完成时气动压力均发生突变,隧道中部附近气动压力峰值最大;横风下列车交会气动压力大小与空间位置有关,交会时列车间气动压力变化幅值分别是列车迎、背风侧压力变化幅值的2.2和1.5倍;横风对洞口附近列车风影响显著,横风时迎风侧列车风峰值最大,无横风时背风侧列车风峰值最大,且前者是后者的2.04倍;隧道内气动效应受横风影响范围有限,当横风为30 m/s、车速为350 km/h时,隧道内气动效应受影响范围为120 m;横风下交会开始与完成时,流场分布急剧变化,导致气动压力与列车风发生突变.     

环境风与列车交会耦合作用下磁浮列车横向气动性能

采用三维、可压、非定常N-S方程,用动网格技术实现列车与地面、环境风与列车之间的相对运动,对不同风速、风向环境风作用下,磁浮列车以430 km/h速度等速交会时列车横向气动性能进行数值分析。研究结果表明：当风向角为135°时,磁浮列车受到的交会压力波幅值最大;头车和尾车横向力在风向角分别为270°和225°时最大,分别为-172.5 kN和77.4 kN;头、尾车侧滚力矩均在风向角为90°时最大,分别为-226.7 kN·m和-203.7 kN·m;在90°风向角下,风速增大,列车受到的横向力和侧滚力矩增大,横向力近似与风速的0.8次方成正比,而侧滚力矩约与风速的1.3-1.5次方成正比。     

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。     

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。     

列车交会空气压力波测量的影响因素

研究了连接动态压力传感器的信号线长度、放大器的滤波频率和数据采集系统的采样频率对空气压力波测量的影响.研究结果表明,当传感器信号线长度小于100 m时,对传感器输出的动态信号影响不大于1%,满足列车交会空气压力波实车测量要求;放大器的滤波频率和数采系统采样频率对空气压力波的测试结果均有较大影响,应采用带低通的应变放大器,滤波频率以100 Hz为宜;随着采样频率的增加,测量得到的空气压力波幅值增大,采样频率增加到1 kHz后,测量结果趋于稳定.在列车交会空气压力波实车测试中,为保证测试的准确性,节省设备内存空间,采样频率取1 kHz较合适.     

针对高速列车头车外形设计的风洞侧风试验模型选取方法

为了给高速列车风洞侧风试验的模型选取提供更多的参考依据,采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法对不同模型以200km/h速度运行时,在不同侧向风速下的气动力和流场结构进行分析.结果表明:相同侧向风速下,不同的高速列车缩比模型对头车的气动力系数影响不大,可以采用更短编组长度的高速列车模型即1.2车模型(头车+0.2节尾车)代替3车联挂模型对头车的气动特性进行风洞试验研究;考虑到尾车结构对头车末端区域的流场结构和压力分布的影响,高速列车风洞侧风试验中,不建议采用更短编组方式的模型.     

基于实车试验的高速列车隧道压力波影响因素

搭建列车空气动力学在线实车高精测试平台,对列车通过隧道及隧道交会工况下的压力波特性进行实车测试;探究运行速度、隧道长度、阻塞比、编组长度、交会位置等因素对隧道压力波的影响规律;根据隧道内压缩波、膨胀波在隧道内传播、反射、叠加的原理,推导出隧道通过及隧道交会工况下,最不利单线隧道长度、最不利双线隧道长度、最不利交会位置、最不利编组长度等计算公式。研究结果表明:车体表面压力变化幅值与列车速度的平方成正比;车内压力幅值与列车速度的n次方成正比,n的范围为1.3~1.8,n随着隧道长度的变化而变化;研究结果可为高速列车在隧道内运行时的安全性指标提供了压力波评判依据。     

内置开孔隔墙高速铁路隧道列车车体压力波动特征

为研究内置开孔隔墙隧道内列车车体压力波动特征,基于有限体积方法的流体力学计算软件建立了非定常可压缩三维流动模型,对内置开孔隔墙高速铁路隧道内列车车体压力进行了计算分析。结果表明:隧道内置开孔隔墙后:①车体压力波形基本与无隔墙时一致,但波动程度加剧且出现有规律的周期振荡;②隔墙开孔间距和开孔面积对车体压力波的影响明显;③车体压力波幅值与车速成正相关关系,但其振荡周期与车速成反比;④相对于单车,列车对向运行时车体压力波明显增大,但两者的差值随着开孔间距的增大、开孔面积的减小和隧道长度的增加而减小。     

风井缓冲结构参数对地铁列车气动性能的影响

随着地铁列车速度不断提升,列车高速通过隧道风井(缓冲结构)时隧道内交变压力显著增加,会对列车内乘客造成严重影响。本文采用滑移网格方法,通过模拟地铁列车由车站开始加速并以最大速度通过隧道风井缓冲结构过程的气动性能,分析风井缓冲结构的参数对隧道内交变压力的影响规律。研究结果表明：列车表面压力数值计算结果与实车试验结果较吻合。风井缓冲结构可以有效减小列车通过风井时的压力变化幅值,风井前缓冲结构对列车通过时的压力变化率影响较大,而对列车压力变化幅值影响较小,风井后缓冲结构可以有效减缓列车通过风井过程的压力突变。随着缓冲结构横截面积增大,列车通过风井时的压力变化幅值呈减小趋势,但不同缓冲结构下列车表面压力差异较小。当缓冲结构总长度一定时,随着风井后缓冲结构长度增加,列车表面压力变化幅值呈减小趋势;当风井后缓冲结构的长度由0 m增加至50 m时,头车表面压力幅值减小21.5%。