大风区高速铁路新型防风设施研究

兰新(甘肃兰州—新疆乌鲁木齐)第二双线是世界上1条已建成的最长高速铁路,也是世界首条穿越大风区的高速铁路,线路穿越大风区最大瞬时风速达64 m/s,严重威胁列车运行安全,针对既有防风设施(主要为挡风墙)难以满足大风条件下防止列车倾覆、保护受电弓和接触网安全及防沙等要求,提出一种新型防风设施即防风走廊,并通过数值计算、风洞试验、动模型试验等方法进行系统研究。研究结果表明:在防风走廊的防护下,动车组的倾覆力矩是无防风设施时的1%~2%,是有挡风墙时的4%左右;接触网处的风速度仅为环境风速的6%左右;半封闭防风走廊开口处的最大速度仅为6.08 m/s;而走廊内部和动车组表面的压力变化表明半封闭走廊更具优势,不会附带产生隧道空气动力效应等不利影响。这说明防风走廊既能实现对列车和接触网综合防护,兼具防沙功能,同时也不会产生隧道空气动力效应等不利影响,作为一种新型高等级铁路防风设施具有应用推广价值。     

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。     

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。     

高速铁路开孔式挡风墙外形优化研究

为保障高速动车组的安全运行,亟需对强侧风下动车组的气动性能及防护措施进行研究。基于三维、非定常N-S方程和k-ε双方程湍流模型,对高路堤、强横风条件下,动车组和开孔式挡风墙的气动力进行数值模拟计算。综合分析动车组和挡风墙的计算结果,得出:动车组头车所受到的横向力和倾覆力矩最大;圆孔式挡风墙下运行动车组的横向气动性能比方孔式挡风墙的优;阵列式和交错式2种排列方式挡风墙挡风效果相差不大;20%,30%和40%这3种透风率挡风墙中,透风率为30%的挡风墙下运行动车组的横向气动性能最好;透风率为30%的挡风墙的孔径分别为15,20,25和30 cm时,动车组所受到的横向气动力以及挡风墙所受到的倾覆力矩均相差不大;头车横向力和倾覆力矩的最大值与最小值之间的相对误差分别为2.11%和1.86%,挡风墙所受到的倾覆力矩在有车和无车运行情况下,其最大值与最小值之间分别相差3.79%和0.81%。     

不同类型挡风墙对列车运行安全防护效果的影响

采用二维粘性不可压缩雷诺平均应力方程,在横风风速、路堤高度、挡风墙高度、设置位置相同时,分别对加筋对拉式、“L”型、薄型和土堤式这4种挡风墙背风侧车辆的气动力进行数值模拟计算。计算结果表明：加筋对拉式挡风墙中车辆受到的侧向力和侧滚力矩最小,防护效果最好,其次是“L”型和薄型挡风墙,防护效果最差的是土堤式挡风墙。     

双层集装箱车辆和棚车气动性能的比较

基于三维定常不可压Reynolds时均Navier-Stokes方程和k-ε双方程模型,采用有限体积法对横风、路堤、挡风墙等环境耦合下运行的双层集装箱车辆和棚车的气动性能进行数值分析.研究结果表明:双层集装箱车辆周围流场较棚车复杂,前者横向力与侧滚力矩均比后者的大;无挡风墙时,双层集装箱车辆和棚车的气动力与路堤高度均呈线性关系,前者横向力及侧滚力矩与路堤高度的线性比例系数均比后者的大,分别为5.37和-11.09,对棚车则分别为3.53和-10.46;有挡风墙时,两车的气动力差值随路堤高度增加而减小,路堤高度0 m时其差值最大,前者横向力较后者大57.12 kN,侧滚力矩则大177.11 kN·m;设置挡风墙后,车辆横向力和侧滚力矩大大减小,路堤高度越高,减小幅度越明显,表明挡风墙对提高大风区尤其是高路堤区段的车辆气动性能效果显著.     

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。     

基于线路监测点风速的高速列车运行安全研究

为更真实地分析大风对列车运行安全的影响,建立列车空气动力学及其对应的系统动力学模型。基于目前高速铁路线路大风监测点风速研究路堤上高速列车的强横风运行安全性。首先针对不同高度的路堤,研究远场气象风速与高速铁路大风监测点风速之间的关系;然后,以大风监测点风速为参考风速,分析不同高度路堤上的高速列车气动载荷系数随侧偏角及路堤高度的变化规律;最后,将气动载荷作为外界载荷施加在系统动力学模型上,分析高速列车在不同高度路堤上的动力学指标变化情况,得到高速列车在不同路况条件下的运行安全域。研究结果表明:线路大风监测点风速近似与远方来流风速成正比,且比例系数随路堤高度增加而增大;当采用线路上大风监测点风速作为参考风速时,高速列车的气动载荷系数和运行安全指标均与路堤高度基本无关,避免了传统方法中采用远场风速作为参考风速而需计算大量不同路堤高度的情况。     

曲线式挡风墙对桥上CRH1型高速列车横风气动特性的影响

建立有效防风设施是保障桥上高速列车横风安全性的重要措施,为探索一种新型桥上曲线式挡风墙的防风效果,本文采用基于Realizable k-ε方程湍流模型的数值模拟方法,研究了具有不同高度(H)和不同弯曲程度(α)的曲线式挡风墙对高速列车横风气动特性的影响规律,结果表明:当设置α≈1/3、 H=2 m的矮挡风墙,或设置弯曲程度0α2/3、 H=5.5 m的高挡风墙时,列车受到的倾覆力矩最小,横风稳定性最佳,并得到了具有最佳防风效果的曲线式挡风墙H-α匹配曲线,为高架桥上防风设施的设计提供了理论依据.     

高速列车侧风效应的数值模拟

在侧风作用下,高速列车的空气动力学性能发生显著改变.基于三维定常可压缩流动的N-S方程,采用SSTk-ω两方程湍流模型和有限体积法,对某型高速列车以350 km/h的速度在25 m/s侧风环境中运行的流场结构和气动力进行了数值模拟计算,分析了不同风向角的侧风对列车全车,以及受电弓、转向架和风挡等局部区域的作用.结果表明:在侧风作用下,列车的周围包括转向架处均产生复杂的涡流,压力分布十分复杂,转向架对流场的影响不容忽视;随着风向角(0~90°)的增大,侧向力系数及倾覆力矩系数也增大,列车倾覆及脱轨的风险性增加,且头车的倾覆力矩系数远大于中间车和尾车的倾覆力矩系数,应注重对头车的气动性能研究.     

兰新高速铁路挡风墙合理高度研究

为保障兰新高速铁路列车运行安全,建立了动车组、线路和挡风墙等的三维模型进行数值仿真计算.经动模型试验和风洞试验验证,结果表明：合理挡风墙高度随路基高度的变化是非线性的,即在路堑上,合理挡风墙高度随路堑深度的增加而减小;在平地和路堤上,最优挡风墙的高度为3.5～4.0 m;合理设置挡风墙后,其最大防御风速随路基高度的增加而减小,路基越高越危险.     

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。     

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。     

兰新线即有土堤式挡风墙的改造形式对背风侧流场的影响

为了研究兰新线即有土堤式挡风墙的挡风性能,寻找即有土堤式挡风墙不能满足列车安全运行的原因及解决方法,本文应用数值模拟以及分析实测数据的方法得到即有土堤式挡风墙背风侧的流场特性,并为即有土堤式挡风墙的改造提出2种方案,分析对比3种优化改造后土堤式挡风墙在不同风速下背风侧的特征线风速、流场结构、大风遮蔽效应系数。结果表明:即有土堤式挡风墙背风侧无明显涡流区,挡风性能不满足列车安全运行的要求,相对于即有土堤式挡风墙,改造后土堤式挡风墙在不同风速下左侧加高、中部加高、右侧加高土堤式挡风墙挡风性能差异小,但挡风性能均有明显提高,均能满足列车安全运行的要求。优化改造后的土堤式挡风墙为将来类似防风沙工程优化设计提供参考和依据。     

风区车站内现有挡风墙高度优化

文章采用三维定常不可压缩雷诺时均N-S方程和RNGκ-ε方程湍流模型,对3车编组高速列车在不同风速(0、10、20、30、40m/s)下以不同车速(0、100、150、200、250km/h)通过风区内设置4m高挡风墙的车站进行模拟研究,并结合《京津城际铁路技术管理暂行办法》对风区车站内现有挡风墙高度进行了分析优化。数值算法经过试验验证,数值计算结果与试验的规律一致,幅值相差基本不超过10%。研究结果表明:列车位于第2线和第3线运行时受力存在显著差异,位于第3线时气动力及力矩变化较大;随着风速和车速增加,列车气动力及力矩变化不尽相同,这种现象在头车上反映更加明显。通过对列车在10~40m/s横风环境中以100~250km/h车速运行的模拟可知,车站内挡风墙在3.5~4.5m可以有效降低列车气动力及力矩。     

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...     

海上高架平台抗风性能及锚链力工程计算方法

为了研究海上高架平台在风荷载作用下的受力特性,利用《港口工程荷载规范》和风荷载通用计算公式,对比分析了某海上高架平台在风荷载作用下的阻力、升力和力矩,以及平台不发生倾覆时所需的锚链力。结果表明,平台所受风阻力、力矩均随风速的增大而非线性增大;风速较低时,2种方法的结果十分吻合,风速较高时,需将规范和风荷载通用公式中的升力计算公式相结合才能使计算结果偏于安全;同时,平台不发生倾覆所需的最小锚链力随投锚距离的增大先急剧减小后缓慢增加。     

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.     

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。     

中国恶劣风环境下铁路安全行车研究进展

介绍我国铁路恶劣风环境下正在开展的铁路安全行车方面的研究以及进一步开展的研究,主要包括:风环境下铁路安全行车综合研究方法,如数值计算、风洞试验、在线实车试验、理论分析等;大风环境下列车空气动力特性规律,如列车空气阻力特性、空气升力特性、空气横向动力特性、列车交会空气压力波、风-车-路-局域地貌环境耦合列车空气动力特性等;风环境下列车临界运行速度,如风特性、空气动力、机械动力作用下车辆倾覆稳定性、特殊风环境下的列车临界运行速度;恶劣风环境下铁路安全行车措施,如实施限速(即对风速-路况-车外型与载重不同组合下的列车安全运行速度限值)或停轮,设计合理的列车外形,设置挡风墙,建立铁路大风监测预警与行车指挥系统等.