强风局部地貌下高速列车非定常气动性能

基于三维、非定常、可压缩雷诺时均N-S方程和标准κ-ε双方程湍流模型,采用滑移网格方法,对列车通过隧道进入风区后,风-车-桥-地形耦合作用下高速列车气动性能进行模拟。模拟线路周围的复杂地形地貌,针对8节编组的和谐号高速列车以350 km/h速度在强侧风复杂地貌下的运行进行研究。研究结果表明:地形显著改变沿线风速分布情况,并通过改变风速来影响列车气动性能;列车在驶出隧道突入风区时气动力急剧增加。此后,列车沿风区线路运行时,所受侧向力变化明显,其中头车侧向力变化最小,尾车最大;与侧向力相比列车升力变化不明显,头车升力变化最大,尾车升力变化最小。通过对沿线风速的监测,可知地形对沿线风速改变显著。     

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.     

不同头部外形高速列车气动性能风洞试验研究

通过对包括CRH2在内的4种不同纵向长细比比例尺为1∶8的高速列车模型进行风洞试验,分析雷诺数对车辆气动力系数的影响;比较4种高速列车模型的气动力特性;对不同流线型外形列车进行大侧偏角试验,研究高速列车在侧风作用下的安全性.研究结果表明:列车流线型头部越长,鼻形更加突出尖锐,头部流线型更加光滑,更有利于降低空气阻力;当模型列车流线型长度相差不大时,纵向长细比系数越大即车头外形越细长,对减阻越有利;4种动车组头车、中车和尾车的侧向力及升力系数均随侧滑角的增大而迅速增大;当侧滑角大于10°时,头部最大纵剖面轮廓线曲率较大的模型,横风作用下的侧向力系数比其他3种模型车的侧向力系数显著增大,升力系数较小.     

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.     

受电弓设备对列车气动特性影响的风洞试验

为了充分了解和掌握在强侧风作用下受电弓设备(受电弓和导流罩)对高速列车气动性能的影响,通过风洞试验对强侧风下高速列车运行时的气动性能进行测量和分析.实验结果表明:当侧滑角小于15°时,列车模型阻力系数随着侧滑角的增大而增加,当侧滑角为15°时,阻力系数出现拐点,拐点后阻力系数开始下降,其侧向力系数的绝对值和升力系数随着侧滑角的增大而增加;受电弓设备对头车的影响较小,但可使中车侧向力系数的绝对值及阻力系数明显增加,使尾车的阻力系数明显减小,而侧向力系数明显增加;受电弓设备中“浴盆”式导流罩对高速列车阻力系数的影响强于“挡板”式导流罩的影响,但对升力系数及侧向力系数的影响弱于“挡板”式导流罩的影响.     

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...     

长大编组高速列车横风气动特性研究

采用定常RANS方法, 对长大编组高速列车的横风气动特性进行分析, 从流场特性和气动力特性两个方面开展研究。结果表明, 横风条件下, 列车表面流动现象非常丰富, 列车首尾流线型存在较多流动分离、再附等现象, 且受横风侧偏角影响较大。在列车背风侧出现两个以上的复杂分离涡系, 从列车头车下部开始, 向列车下游发展并逐渐远离列车车体。分离涡系是列车承受非定常气动力的根源。列车头车是侧向力、滚转力矩最严峻的车厢, 且随着横风侧偏角增大, 侧向力、滚转力矩逐渐增大, 列车行车环境逐渐恶化。     

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。     

风区车站停留车辆纵向气动力研究

为了确定风区站停车辆的手制动车辆数,避免车辆溜逸事故的发生,利用风洞和三维数值计算方法对风速、风向角、防风设施、编组不同的车辆纵向气动力进行分析.研究结果表明:车辆所受纵向气动力与风速的平方成正比;当风向角为30°左右时,车辆所受到的纵向气动力最大;不同车辆编组时,头、中、尾车的纵向气动力均比较接近,最大相对误差为4.7％,可减少中间车编组数,提高计算效率;有挡风墙时车辆所受的纵向气动力小于无挡风墙车辆所受的纵向气动力,砼板式挡风墙的防护效果比土堤式挡风墙的优;风洞试验结果与数值计算结果基本相同;风区车站停留车辆纵向气动力研究为车辆防溜分析、车辆手制动数的确定提供了车辆纵向气动力计算载荷.     

高速列车底部结构参数对气动阻力作用规律

高速列车的转向架区域是气动减阻研究的重点.通过样条曲线方法建立了高速列车底部结构的7参数化模型,采用计算流体力学及超拉丁立方抽样试验设计方法,研究了底部结构参数对高速列车气动阻力的影响规律.结果表明:底部结构参数对于三车总阻力、头、中、尾各节车气动阻力的影响分别为27%、37%、39%和22%,三车气动阻力对裙板高度、排障器厚度、舱前缘倒角最为敏感.但头、中、尾车影响规律不同于三车,有必要考虑对头、中、尾三车底部结构分别进行气动设计,以达到最优的减阻效果.底部结构参数主要影响列车底部平均流速改变底部结构所受气动阻力,进而影响高速列车气动阻力.     

ICAS车身造型方法的风洞试验研究

为了对基于气动新理论模型的车身造型方法（ＩＣＡＳ方法）进行检验并为可能需要的修正提供依据,设计了相应的试验方案,制作了试验模型,开展了风洞试验研究。试验结果及其分析表明,采用ＩＣＡＳ方法可以方便地获得主要气动性能指标优于现代常规轿车的实用车身造型,同时也验证了该方法的先进性与实用性。     

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.     

底部结构对高速列车流场及气动优化规律的影响

为了得到底部结构对列车流场及气动阻力优化规律的影响,通过计算流体力学和正交试验设计分析的方法,研究真实复杂车体的底部流动和尾迹特征,得到了复杂车体气动阻力优化规律.结果表明,尾车鼻尖静压系数在底部结构影响下降低了0.06,尾车流动分离提前,两反对称尾涡核间横向距离增大,尾涡间夹角增大.头型概念设计时的拓扑简化车体模型可以作为真实复杂车体的气动阻力优化设计模型,但考虑底部结构使得头车参数优化的极差值减小、尾车参数的优化极差值增大.头车阻力优化重点为转向架周边结构,尾车阻力优化对流线型长度参数更加敏感.     

气动噪声相似关系及在风洞试验中的应用

研究以基本气动噪声源(单极子声源、偶极子声源和四极子声源)向远场辐射声功率和物体运动过程中产生的气动噪声与运动速度、物体特征尺寸、距观测点距离和介质特性等的关系,推出了相似运动物体向远场辐射气动声的相互转换关系式,并利用气动声学风洞对高速列车模型产生的远场气动噪声进行测量,据此关系式从低风速测量结果推出了高风速结果,用试验数据进行验证.研究表明,此关系式反映了原型和模型之间在远场辐射气动噪声的相互关系,对模型试验结果分析和向原型的转换具有一定的借鉴作用.     

隧道活塞风速计算方法及其影响因素分析

针对隧道内活塞风会对安全门和广告灯箱等引起破坏的问题,开展了地铁单线无风井和有风井两种形式的隧道空气动力学特性分析,建立了隧道各断面之间的一维伯努利方程和流体连续性方程,研究了不同形式隧道下活塞风速的理论计算模型. 并使用SES软件建立其仿真模型对计算模型的结果进行验证, 重点研究了对活塞风速影响的主要因素.结果表明:隧道内活塞风速与列车速度、列车长度和列车外表面光洁度等成正比例关系,而活塞风井高度、断面面积和风井位置等参数对活塞风速影响不大.所提出的计算模型可用于实际工程中活塞风速的简便计算.     

典型底部结构对轿车侧风稳定性的影响及作用机理

凹凸底部和光滑底部是进行轿车车身设计与布置时2种典型的设计方案，但底部结构对轿车侧风稳定性的作用机理尚不明确，厘清其影响不仅可为底部结构设计与布置提供参考数据，而且是进行轿车侧风稳定性评价的关键技术问题。通过建立典型底部结构轿车的数值计算模型，分析了不同侧风风速对轿车气动力和气动力矩的影响规律；采用汽车空气动力学与汽车系统动力学耦合方法建立了典型底部结构轿车的侧风稳定性分析与评价模型，研究了底部结构对轿车侧偏运动、横摆运动以及侧滑运动的影响规律及作用机理。研究表明：凹凸底部结构会增加轿车的气动升力、气动俯仰力矩、气动阻力以及气动侧力，加剧轿车的侧偏运动和横摆运动，增加轿车侧滑的风险；路面附着系数越低，凹凸底部结构对轿车侧偏运动和横摆运动的影响越大、对侧滑临界风速的影响越小。     

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.     

汽车声学模型风洞消声拐角数值计算与试验

运用流体力学数值计算(CFD)以及实验手段对汽车气动-声学模型风洞消声拐角导流片形状、片数、头尾结构对气动和消声性能的影响进行研究.研究结果表明,综合考虑压力损失、流场流动的均匀度和气动噪声对消声量的影响,可以寻找最佳导流片数;半椭圆形头部和尖形尾部导流片有较低的压力损失和气动噪声,避免采用半圆形尾部形状;对模型风洞而...     

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。