路堤高度影响列车侧风运行气动特性模拟

列车常在路堤上运行,特别是在侧风环境下列车的空气动力特性问题变得十分重要。本文采用计算流体力学方法对路堤高度变化影响列车侧风运行气动特性进行研究。数值模拟结果表明:由于气流随路堤斜坡的加速效应,头车上受到的侧向力和侧翻力矩随着路堤高度增加显著增加。作用在中间车上的阻力对路堤高度变化不敏感,但随着路堤高度增加中间车上的负升力明显增加。对于尾车,其阻力系数随着路堤高度增加而逐渐增加,且因为处于剧烈的尾涡区而受到逆侧风方向的侧翻力矩作用。     

强侧风作用下带制动风翼板高速列车周围流场结构分析

基于三维定常不可压的黏性流场N-S及k-ε双方程模型,采用计算流体动力学方法对不同风向角强侧风作用下带制动风翼板高速列车及风翼板表面时均压力分布规律、周围时均流动结构及瞬态流动结构等气动效应进行了数值模拟.初步研究结果表明：强侧风影响下,列车外围流场结构复杂多变,随着风向角在0°～180°内逐渐增大,头车首排制动风翼板前后形成的高压区和低压区、头车司机室上方形成的低压区、尾车司机室与车身连接处形成的低压区及车顶形成的低压区影响范围呈先扩大后逐渐缩小的变化趋势;同时随着风向角的逐渐增大,列车头车和尾车鼻尖处形成的高压区域影响范围逐渐变小、减弱.     

高速列车行驶速度对隧道壁面气动压力影响的数值模拟

壁面气动压力长期循环作用是高速铁路隧道衬砌掉块的重要诱因,为研究高速列车行驶速度对壁面气动压力基本特征的影响规律,采用三维数值仿真模拟对隧道典型位置(入口段、洞身段以及出口段)壁面气动压力进行研究.结果表明:列车车头经过使得监测横断面气动压力差异性增强,表现出显著的三维特征.隧道入口段气动压力三维特征主要受压缩空气所占体积大小以及与隧道入口之间距离的影响,气动压力三维特征随着进入隧道入口距离的增加而减弱,并逐渐向一维特征转变.列车车头驶入隧道入口后,车尾驶出隧道出口前,洞身段不同测点位置的气动压力正峰值主要受车头进入隧道入口诱发压缩波的影响,纵轴中断面测点气动压力负峰值与峰峰值大于洞口段.车尾驶出隧道出口后,出口段测点气动压力负峰值大于入口段,正峰值小于入口段.隧道出口段气动压力三维特征与入口段相似,但列车行驶速度以及测点与隧道出口之间距离对气动压力三维特征的影响机制更为复杂.     

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最高。     

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.     

地铁列车高速过站风环境数值模拟研究

基于 CFD 数值模拟方法, 采用“动网格”技术, 对列车高速过站(80 km/h)风环境进行数值模拟, 给出高速列车开始驶入、完全驶入和驶离车站时, 站台区域行人高度风速变化情况。在站台行人区域布置63 个风速测点, 对列车风的影响进行定量评估, 并结合评定人员活动的风环境舒适度评估标准, 划定站台区域人员活动安全和舒适范围, 为站台区域设计提供建议。     

考虑双峰地形狭管风效应的高速列车气动性能研究

当平稳来流穿过由2座相邻山体构成的双峰地形时,将出现风速加速的“狭管效应”,使下游流场表现出非定常的湍流特性,严重影响到高速列车行驶的稳定和安全。为揭示双峰地形的风场特征及其对高速列车气动行为的影响,基于改进的延迟分离涡模拟(IDDES)与“马赛克”网格技术,建立了大气-双峰地形-车-桥-风屏障三维精细化CFD动模型,分析横风作用下相邻山体间距(0、5、10和70 m)对下游流场的风速、湍流强度和功率谱密度的影响;对比了有、无风屏障条件下高速列车的气动性能、车体表面压力及其周围流场结构的差异。研究结果表明：当山体间距为0 m时,下游流场风速加速效应最显著,瞬态风速最高可达来流风速的1.596倍,且高湍流强度区域的面积最大;设置风屏障可有效缓解加速来流对列车的冲击,列车气动荷载的波动幅值可降低64.1%~86.7%。     

纵向风对高速列车通过隧道时压力波特性的影响

高速列车进入隧道时引发的压力波是关乎列车运行安全与乘客乘坐舒适性的核心问题,其特性演化规律是高速轨道交通领域的研究重点。然而,现有研究多聚焦于理想的无风环境,纵向风对压力波的影响机制尚不明确。本文基于列车实际运行场景,考虑隧道内存在的纵向风环境,探究纵向风对列车通过隧道时压力波特性的影响。本文首先构建列车-隧道-纵向风数值仿真模型,通过实车试验进行验证,证实所提出的数值模型的合理性,并分析不同纵向风下350 km/h列车通过隧道时压力以及流场速度的变化,探究纵向风对压力波特性的影响规律。研究结果表明：在顺风情况下,通过促进气流扩散减弱对空气的压缩,降低压力;逆风则会加强空气压缩,导致压力增大;随着风速提升,纵向风对压力波特性的影响增强;在 3 m/s的纵向风下,头车表面压力峰峰值和隧道中点处压力峰峰值较无风工况分别降低了4.8%和4.6%,而在风速为5 m/s时,其分别降低了7.7%和7.6%。此外,流场分析表明纵向风影响了隧道内压缩波的传播,顺风时高压区范围较小,相同等值线距离较近;逆风时则高压区范围较大,相同等值线距离较远。本文的研究成果可为纵向风下列车通过隧道的气动特性研究提供参考。     

不同风挡方案对强横风下货运高速列车气动性能的影响

采用三维数值方法,模拟强横风下货运高速列车周围流场,探索4种风挡方案对货运高速列车气动性能的影响。研究结果表明：风挡局部变化对整列货运列车周围流速、压力以及车体表面压力影响主要体现在风挡区域;全包围风挡区域流速、压力及表面压力分布较均匀,并能在横风下使得整列车具有更小的气动阻力以及侧向力;顶端开口、以及上下两端开口后,风挡区域流场变化明显,且明显使整列车气动阻力、侧向力增大;底端开口对流场以及气动力影响较小。若需要在风挡处开口以方便检修,建议将开口设在风挡底部。     

声屏障顶部开口间距对列车风效应的影响

全封闭声屏障尽管降噪效果好,但封闭的结构类型导致列车风效应更突出,严重威胁声屏障的结构安全,为此,综合考虑声屏障表面脉动风荷载和列车表面风压,利用Fluent滑移网格技术模拟高速列车以350 km/h的速度通过顶部不同开口间距声屏障时的瞬态风压,系统研究开口间距对列车风效应的影响规律。研究结果表明：声屏障顶部开口后,声屏障内各截面处的压力峰值迅速降低,当开口间距为2~8 m时,各截面处的压力峰值相差较小;全封闭声屏障内压缩波与膨胀波的传播和反射导致同一横截面内的压力变化表现出一定的周期性;当声屏障顶部开口后,压力时程曲线形状发生改变,声屏障表面风荷载的持续时间缩短;对于列车而言,声屏障顶部开口降低了列车鼻尖的压力,当开口间距为2~8 m时,开口间距增加对列车鼻尖压力影响变得很小。     

强横风下青藏线客车在不同高度桥梁上的气动性能分析

采用数值模拟方法,在模拟自然风和均匀风风速分别为30m/s的情况下,研究不同高度桥梁上列车受到的横向力和侧滚力矩,导出了桥梁上车辆的横向力系数和侧滚力矩系数的表达式。计算结果表明:桥高为30m时,采用模拟自然风计算得到的横向力和临界倾覆点处侧滚力矩比采用均匀风得到的计算结果分别大约58%和63%,且桥梁越高,计算结果差别越大;车体周围的流场与速度矢量分布方式相似,但采用模拟自然风时,车体的表面压力最大值和车体周围的速度最大值分别为1.14kPa和67.6m/s,远大于采用均匀风时的最大值0.82kPa和58.8m/s;车辆受到的横向力、侧滚力矩基本上与车辆形心处的风速的平方成正比;车辆的横向力系数和侧滚力矩系数均与桥梁的高度呈指数关系,当量横向力系数为0.974,当量车体重心处的侧滚力矩系数为0.082,当量临界倾覆点处侧滚力矩系数为0.592。     

高速列车突入复线隧道的横风效应分析

横风作用下运行环境不同导致高速列车气动特性发生突变,严重影响列车运行安全和乘客的舒适性。基于高速列车流场的可压缩、非定常特性,建立隧道-列车-横风三维数值模型,采用SST k-ω湍流模型进行求解,通过与动模型试验对比,验证了数值模拟的准确性,进一步分析横风对列车周围流场与表面压力分布的影响,得到了横风作用下列车气动荷载变化规律。研究结果表明：列车周围流场分布受横风影响显著,隧道外流场向列车背风侧偏移,并形成起始于隧道入口处的纵向涡旋,而隧道内列车背风侧涡旋消失,迎风侧形成延伸至入口处的垂向涡旋,并在列车驶入过程中隧道内涡旋结构逐渐消失。在列车驶入隧道前列车迎风面气动压力以正值为主,背风面气动压力以负值为主。当列车驶入隧道时列车表面压力发生剧烈变化,气动压力波动程度随列车驶入而明显减弱。气动荷载变化规律与风环境密切相关,无风时尾车横向力和升力变化幅值最大,而横风下头车横向力和升力变化幅值最大。此外,列车气动性能与编组位置密切相关,横风下头车横向力变化幅值分别是中车、尾车的4.8倍和15.4倍,头车升力变化幅值分别为中车、尾车的1.1倍和1.2倍,头车发生行车安全事故风险最高。研究成果可为类似情形下高速列车运行安全性评价和高铁隧道选线提供参考。     

非均匀风沙环境下高速列车气动特性

为研究非均匀风沙条件对高速列车气动特性的影响,本文基于Standard k-ε湍流模型的雷诺时均法和欧拉-欧拉两相流模型,采用指数律廓线构建非均匀风沙环境下的高速列车空气动力学计算模型。通过分析不同风沙流速度和车速条件对列车气动特性及流场影响,得到以下结论：在非均匀风沙流作用下,列车迎风侧与背风侧的表面压力分布呈现明显非对称性,最大和最小风压区均偏于迎风一侧;相较于车速条件,风沙流速度变化对列车周围流场结构的影响更大,随着风沙流速度的增加,背风侧气流漩涡半径增大并向风沙流方向移动,且流场速度与高度的正相关性增强,导致迎风侧与背风侧流场的非对称加剧;在所有计算工况中,头车的气动侧力和侧滚力矩大于中车和尾车,而气动升力小于中车和尾车,由此可知：气动侧力对列车倾覆力矩的贡献要大于气动升力;此外,随着风沙流速度或列车运行速度的增加,头车气动载荷的变化幅值均大于中车和尾车,导致头车的运行稳定性最差。     

隧道类型对驶出隧道高速列车横风效应影响研究

基于横风下高速列车流场的非定常特性,建立横风-隧道-列车数值模型进行计算,研究隧道类型对横风下高速列车驶出过程中气动压力、流场特性和列车气动荷载的影响.结果表明：隧道出口处气动压力受隧道类型影响最为显著,单线隧道列车迎、背风侧气动压力变化幅值比双线隧道气动压力变化幅值分别大15.7%和22.6%;在列车类型、车速和横风条件相同情况下,阻塞比是导致单线隧道气动压力较大的根本原因;列车背风侧分离涡形成位置到头车鼻尖距离相同,但双线隧道列车背风侧流场偏移程度更大;头车与中车周围流场分布规律基本相同,受隧道类型影响较小,而尾车流场分布特性受隧道类型影响较大.尾车气动荷载对隧道类型更加敏感,双线隧道尾车横向力系数、升力系数变化幅值分别比单线隧道大27.3%和7.1%.当高速列车在横风环境中驶出隧道时,建议考虑隧道类型对列车气动性能的影响.     

高速列车底部导流板的气动减阻特性研究

为改善列车底部流场结构,进一步减低高速列车的气动阻力,基于底部导流的思想,设计了一种列车底部转向架舱前后位置布置、截面为三角形的导流板并开展其气动减阻特性研究.以300 km/h的速度明线运行的三车编组CRH380B型高速列车为研究对象,采用Realizable k-ε湍流模型,对4种典型的导流板安装位置进行探讨,并选择减阻效果最好的导流板安装位置,分别探究了5种角度和5种高度的不同组合下的导流板减阻特性差异,对比了安装导流板前后车体、转向架以及转向架舱上的阻力变化情况、压力分布变化情况以及转向架区域的流场结构变化情况.结果表明：仅在各转向架舱前双向开行的来流方向安装导流板时的减阻效果最佳;安装导流板后,车体、转向架舱上的气动阻力虽有所增加,但转向架上的阻力明显减少,转向架区域流速降低,前后压差减小,底部流场显著改善.同时发现,15°、100 mm组合的导流板减阻效果最佳,三车减阻率达7.08%.数值仿真证明了底部导流板能有效减小列车运行阻力.     

底部导流板结构对高速列车气动减阻特性影响研究

为降低高速列车转向架区域的气动阻力,提出3种不同结构的导流板设计方案,通过对列车底部的气流进行合理引流,进而实现节能降耗的目的 .数值模拟采用基于SST k-ω模型的改进的延迟分离涡方法（Improved Delayed Detached Eddy Simulation,IDDES）,对安装不同结构导流板的高速列车气动减阻效果进行对比研究,并分析导流板对列车底部转向架区域流场和尾涡的影响.研究结果表明：安装导流板后,虽然列车车体阻力增大,但转向架自身气动阻力大幅降低;因导流板的引流作用,列车底部空气流速变缓,转向架突出部件受气流冲击程度减弱;转向架区域的正压面积大幅减小,前后压力差变小是转向架自身气动阻力降低的主要原因;当列车以350 km/h速度运行时,与原型车相比,模型Ⅰ、模型Ⅱ和模型Ⅲ的整车减阻率分别为8.1%,9.8%和12.1%;受导流板的影响,3种列车模型尾部三维涡旋结构均出现变化,尾车鼻尖附近的湍动能强度也呈现出降低的趋势,说明尾涡对列车的拖拽效果减弱,进而降低了高速列车的气动阻力.     

高速列车隧道内会车时气动舒适性研究

基于N-S方程及k-ε两方程紊流模型,采用有限元法对2列高速列车在隧道内交会时引起的车内压力变化及各参数对乘坐舒适性的影响进行了仿真分析.研究结果表明:2列高速列车在隧道内会车时的瞬变压力值与列车会车的地点、列车长度、列车速度及列车的密封指数均有关系,同车长、车速、密封指数的情况下,会车在隧道中部时瞬变压力变化值最大;同隧长、车速、密封指数的情况下,会车于相同地点时,较长车长的瞬变压力最大变化值要高于较短车长的;当列车的密封指数大于15s时,各种计算工况均能满足列车内瞬变压力容许值1.25kPa/3s的评价标准.     

车隧阻塞比对高铁隧道壁面气动压力特征的影响

为进一步研究隧道壁面气动压力特征变化规律,基于RNG k-ε两方程湍流模型与滑移网格技术,数值模拟了高速列车经过双线隧道的全过程;然后,利用现场实测数据对数值方法准确性进行验证;最后,分析了车隧阻塞比对隧道壁面气动压力特征的影响规律。结果表明：随着车隧阻塞比的增大,初始压力波梯度最大值以及正峰值均以指数形式增大,相关系数R2均大于0.998;在列车车尾驶出隧道出口前以及驶出隧道出口后的两个不同阶段,隧道壁面典型气动压力峰值（正峰值、负峰值以及峰峰值）与车隧阻塞比之间满足以e为底的指数函数关系,相关系数R2均大于0.9995;当列车车尾驶出隧道出口后,随着时间的推移,不同车隧阻塞比下隧道壁面气动压力正负峰值差异性逐渐减小。以距隧道入口500m测点为例,当车隧阻塞比从0.0801增大到0.1122（1.4倍）时,初始压力波梯度最大值增加量为2.92,正峰值增加量为0.30kPa;列车车尾驶出隧道出口前,气动压力正负峰值增加量分别为0.35与0.60kPa;列车车尾驶出隧道出口后,气动压力正负峰值增加量分别为0.53与0.46kPa。