轨道车辆车内压力与车体气密性、侧墙刚度、车外压力变化的关系研究

当列车高速交会或高速通过隧道时,车体外产生的空气压力波传递到列车车内,造成车体内空气压力发生波动,给乘车舒适性和安全性带来严重影响.本文首先从车体气密性和车体侧墙刚度角度探明其对车内压力变化的影响,分别获得大刚度非密闭列车车体模型车内压力与车体气密性、车外压力变化理论关系式和不同刚度密闭车体模型车内压力变化率与车体模型侧墙刚度、车外空气压力变化幅值的理论关系式;在此基础上,同时考虑车体气密性和车体侧墙刚度对车内压力变化的影响,通过实验研究得出高速列车车体模型车内压力变化率与车体气密性、车体侧墙刚度、车外压力变化幅值的理论关系式,为科学设计高速列车车体提供理论支撑.     

高速列车车体气动载荷疲劳强度试验装置研究

研制车体交变气动载荷试验装置,利用该装置对新造车体进行疲劳强度试验,讨论车体交变气动载荷疲劳试验加载方法、压力、压力波形与周期、加载次数等参数,并完成车体交变气动载荷疲劳试验装置方案及数据采集系统方案设计;将合武铁路现场测得的CRH2型动车组以250 km/h速度过隧道时车内外压力差曲线与该试验装置测得的压力曲线进行比较。研究结果表明:车内外压力差曲线与该试验装置测得的压力曲线基本吻合,该试验装置可真实模拟列车高速通过隧道时车体承受的交变气动载荷,为研究新造高速列车车体在交变气动载荷作用下的疲劳强度特性提供了重要的试验手段,建议我国新造车体按其实际运行过程中承受的交变气动载荷加载进行疲劳强度试验。     

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。     

高速列车通过隧道时动态数值模拟（英文）

高速列车通过隧道时会引起较大的隧道内压力波动,对车体造成较大的气动载荷,是高速列车车体设计和通风系统设计中所必须要考虑的问题。基于三维非定常不可压缩流动的纳维-斯托克斯方程,采用大涡模拟的湍流模型和地面静止而列车移动的动网格算法,对CRH2动车组以100 m/s的速度通过长100 m的隧道进行了动态数值模拟计算。结果表明:当列车车头进入隧道时,车头前端会形成一个向隧道出口传播的正压波,到达隧道出口后反射,并形成一个向隧道入口传播的负压波,压力波的传播与反射使隧道内空气压力发生剧烈变化,严重影响列车的安全平稳运行。     

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。     

客运专线隧道空气动力学实车测试技术的研究与应用

研究客运专线列车高速通过隧道时诱发的空气动力效应的实车测试技术。针对实车测试工作要求,提出采用PC-DAQ结构作为测试系统基本结构,以传感器、数据采集卡和PC机构成系统硬件平台,用虚拟仪器技术设计系统软件,设计和实现遂渝线隧道空气动力学实车测试系统。通过分析实车测试工况下车体表面压力波的数值计算结果,估计被测空气压力波的频率范围,确定测试系统合理采样频率可设置为300~500 Hz。在遂渝线200 km/h提速综合试验中的应用结果表明,该测试系统能够满足客运专线隧道空气动力学实车测试的需要,检测方法灵活、快速,测试结果准确、可靠;时速200 km动车组经过松林堡隧道时,产生的空气压力波具有的最高频率低于100 Hz。     

隧道结构对高速列车穿行过程气动特性的影响

以CRH2型高速列车穿行隧道过程的气动特性为研究对象,建立了列车模型及具有不同缓冲结构、不同阻塞比的隧道计算模型,并与相同工况下的模型实验进行对比,验证了仿真模型的可行性.以kε-湍流模型为基础,对高速列车以不同速度进入具有不同缓冲结构、不同阻塞比的隧道时的外流场进行了仿真模拟.分析了列车在进入隧道时压缩波的产生机理,得到了列车表面风口在车体进入隧道过程中的压力波动情况.仿真结果表明:隧道缓冲结构的缓冲性能按抛物线型、线性、不连续性的顺序依次减小;压力值随阻塞比增大而线性减小.由此提出了减小列车进入隧道时表面压力波动的方法.     

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。     

速度对列车通过隧道时车内热力学性质的影响

应用相对论和热力学理论以及热力学模型,研究了高速列车行驶时,厢内气体的热力学性质和分子分布以及列车通过隧道时车内压力波动规律.以理想气体为例,探讨了列车速度对它们的影响.结果表明:①与静止时相比,列车高速行驶时,车内总粒子数、压强等不变,而温度将降低,体积将减小,粒子能量ε、动量g和系统的能量E都将增大,而且速度越大,这种变化越大;②列车运动时,车内气体分子分布与静止时不同;③考虑相对论效应后,列车通过隧道时车内压力波动要比不考虑相对论效应情况的压力波动要大.但在目前列车速度情况下,这种影响很小.     

基于压力舒适性的400 km/h双线高速铁路隧道净空面积研究

对400 km/h的16编组列车在不同净空面积(90,95,100,105和110 m²)隧道交会气动载荷进行数值研究,并结合压力舒适性标准对隧道净空面积提出建议。采用RNG k-ε湍流模型和滑移网格法进行数值模拟,并通过动模型实验进行验证。研究结果表明：16车编组的高速列车以速度400 km/h在净空面积为100m²的标准双线隧道内交会时,从头车到尾车方向上,车外表面的平均压力峰峰值不断减小,车内的平均压力峰峰值不断增大;综合考虑现有高速列车气密性与舒适度标准,运行速度为400 km/h的长编组高速列车双线隧道净空面积推荐采用100 m²。     

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%。     

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.     

横风下高速列车驶入隧道时瞬态气动性能研究

针对列车高速驶入隧道时流场的三维、非定常及可压缩湍流等特性,建立了精细化的隧道-列车-空气三维CFD数值模型,对比分析洞口有无横风条件下列车驶入隧道过程中车体周边的瞬态流场结构、压力分布,并研究横风条件下车体的5项气动荷载(气动横向力、气动升力、倾覆力矩、偏航力矩和点头力矩)指标的瞬变特性以及风速和车速变化对其最大瞬变幅值的影响情况.研究结果表明:当列车在横风环境下驶入隧道,洞外部分车体两侧流场结构和压力分布差异显著,而洞内部分差异较小,从而引发列车进洞前后车体压差突变;列车在进洞过程中,车体的各项气动荷载均存在瞬变效应,且尾车同时呈现出倾覆、"上跳"、"蛇形"摆动以及"点头"等行为;风速变化对尾车偏航力矩变化幅值影响较显著,而车速变化对头车偏航力矩变化幅值影响较显著.     

高速列车进出隧道口受电弓气动载荷研究

基于三维非定常可压缩N-S方程和RNG k-ε两方程湍流模型,对顺弓、逆弓运行状态,隧道有效净空面积,隧道长度等因素影响下,高速列车进出隧道口受电弓气动载荷进行数值模拟研究。研究结果表明:数值计算得到的车体表面测点压力曲线变化规律与动模型试验结果完全一致,幅值相差在3%以内;列车进出隧道口时,受电弓弓头受交变载荷的作用,气动抬升力曲线将分别出现正负向脉冲波形;受电弓顺弓、逆弓运行时弓头气动抬升力差异明显,顺弓运行时正向峰值相对较大,而负向峰值明显更小;隧道有效净空面积减小时,弓头气动抬升力波动幅度明显增大;隧道长度的变化对列车进入隧道时弓头气动抬升力基本无影响,但对列车驶出隧道时气动抬升力变化特征影响显著。     

高速磁悬浮列车编组长度对车/隧耦合气动效应的影响

采用重叠网格法,基于SST k-ω两方程的DDES湍流模型,研究编组长度对高速磁悬浮列车/隧道耦合气动特性的影响。采用动模型试验结果对数值仿真方法进行验证,将3车编组的动模型试验所得测点压力与相同编组的仿真试验所得测点压力进行对比。分析3车编组高速磁浮列车以速度500、550和600 km/h通过隧道时车体表面、隧道壁面压力变化基本规律,在此基础上研究3车编组、5车编组和8车编组形式对高速磁浮列车/隧道气动特性的影响,并绘制瞬变压力波系传播的马赫波图,揭示编组长度导致测点压力变化差异的原因,得到高速磁浮列车编组长度对隧道出口微气压波的影响规律。研究结果表明：高速磁浮列车表面、隧道壁面压力幅值与车速呈正相关关系;当编组长度增加时,车/隧表面的压力随时间的变化趋势基本一致,但正、负压幅值及压力峰峰值明显增大：当磁悬浮列车以速度550 km/h通过长度为500 m、截面积为140 m²的隧道时,5车编组与8车编组的车体表面最大压力峰峰值比3车编组分别增加12.4%和8.5%,隧道表面最大压力峰峰值比3车编组分别增加49.6%和38.9%,因此,在隧道长度一定时存在最不利...     

高速列车透射噪声与结构噪声的分离

高速列车噪声是影响车内旅客舒适度和铁路沿线居民生活质量的重要因素,如何有效的降低噪声是高速列车设计者们所关心的问题之一.研究表明,高速列车的车内噪声由透射噪声与结构噪声组成,如何有效的从车内噪声中分离出这两种噪声成分将为列车的减振降噪设计提供一定的指导作用.本文以高速列车实车噪声数据为研究对象,首先运用多种数字信号处理的方法对高速列车噪声数据进行了分析,总结了高速列车噪声的主要特点;然后通过对列车静止时和运行时的噪声透射情形分别进行建模和分析,指出可以利用车体的频响特性作为反映车体隔声性能的声学参数,并提出了一种计算频响特性的简便算法;最后,利用该算法从实车噪声数据中计算出了车体的频响特性,并在此基础上实现了透射噪声与结构噪声的分离.     

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0.999 5;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500 m测点为例,当车隧阻塞比从0.080 1增大到0.112 2（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0.30 kPa;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0.60 kPa;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0.46 kPa。     

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。