风屏障对桥梁及车桥系统气动特性影响的数值研究

利用数值模拟方法探究风屏障参数对流线型桥梁气动特性的影响;分析风屏障对不同桥型气动特性的影响并进行横向对比;讨论风屏障的透风率对车桥系统的气动特性以及流场的影响,通过分析车桥的三分力系数、压力云图、速度流线图、车桥表面风压分布以及风剖面等特征,揭示风屏障对车桥系统气动特性的影响机理。研究结果表明:风屏障能降低主梁上方的流速,从而减小列车的阻力和力矩,但同时也增加了桥的阻力,因此,安装风屏障可提高列车的行驶安全性但不利于桥梁抗风;针对流线型主梁断面,当风屏障高度为3 m且透风率为30%时为最优组合,此时车桥系统的阻力系数可达到最小值1.33;风屏障对不同桥型的遮蔽效应不同,相同的风屏障遮蔽效应对流线型主梁断面的影响远大于对钝体主梁断面的影响。     

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。     

风屏障高度对城轨专用斜拉桥车桥系统气动特性的影响

在综合考虑风屏障高度对桥梁及桥上列车气动特性影响的前提下,采用风洞试验和数值模拟相结合的方法,研究在桥梁上设置不同高度风屏障的情况下列车与桥梁的气动力系数以及车桥系统周围的流场分布情况。研究结果表明:随风屏障高度增加,桥梁的阻力系数明显增大,而桥上列车的阻力系数相应减小,桥梁与列车的升力系数变化不明显;在侧风作用下,风屏障高度对处于桥面迎风位置列车的所受气动力影响较明显;风屏障高度对车桥系统周围流场的影响较明显,当风屏障高度增加时,梁体迎风面正压区显著增大;车体迎背风面的压力分布不仅受风屏障高度的影响,而且受列车在桥面的位置的影响。     

侧风下桥上高速列车倾覆稳定性及临界车速的参数化研究

基于计算流体动力学理论,采用数值模拟的方法计算高速列车通过双线简支箱梁桥时的气动力系数,考虑列车在编组中的位置、迎风侧和背风侧线路以及风偏角等因素的影响,并将数值模拟结果与风洞实验进行对比分析。根据列车倾覆系数的定义,推出对倾覆临界状态合力作用线与两侧轮轨接触斑连线交点的累计力矩计算式,从而避免求轮轨相互作用力,直接得到车速和风速的相关表达式,并据此得到求临界车速的计算方法,最后对影响列车倾覆稳定性的参数进行分析。研究结果表明:采用数值模拟计算的列车气动力系数与风洞实验结果较吻合;双线简支箱梁桥上迎风侧线路头车所受气动力最大,其侧倾临界车速最低;随弹簧刚度系数、线路曲线半径、轨道超高以及列车质量的增加,临界车速均会增加,不考虑竖向振动加速度将会过高地估计列车侧倾临界车速。     

桥梁对高速列车气动特性影响的风洞试验研究

为考虑侧风作用下桥梁对高速列车气动特性的影响,以高速列车与双线简支箱梁桥为原型,自主研制缩尺比为1:20的车-桥模型风洞试验模型装置,该装置可改变风偏角、测试对象以及列车与桥梁的相对位置等。测试高速列车的头车、中车及尾车各自的气动力,建立天平坐标系下测试数据转换到整体坐标系的转换关系,讨论雷诺数、车辆在桥面横向相对位置、风偏角对高速列车气动系数的影响。研究结果表明:基于自主研制车-桥模型的风洞试验测试是可行的;雷诺数对车-桥系统的气动性能影响有限;列车位于迎风侧线路时气动影响显著;随风偏角的增大,高速列车的侧力系数、升力系数、侧倾力矩系数存在减小的趋势。测试所得的高速列车气动参数可用于进一步开展风-车-桥耦合振动分析。     

大跨悬索桥Π形加劲梁处风参数实测与风攻角修正

以一座已建的大跨悬索桥为工程依托，基于现场实测与计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics， CFD）方法研究Π形加劲梁断面气动外形对桥面高度处实测风参数的影响，并提出实测风攻角的修正方法. 进行为期5个月的桥面高度处风速和风攻角现场实测，分析风参数沿桥轴线的分布规律，并比较了桥面高度处迎风侧与背风侧风速仪实测的风速和风攻角；采用计算流体动力学方法模拟气流流经静止加劲梁断面的流场，研究来流风攻角和风速对风速仪安装在加劲梁不同位置处风参数的影响；结合数值模拟结果，通过函数拟合得到Π形加劲梁断面风速仪实测风攻角的修正公式. 结果表明：实测风速在大桥主跨范围内较为接近，且边跨风速相较于主跨风速偏小；现场实测得到的迎风侧风攻角明显大于背风侧，两侧风速基本一致；迎风侧与背风侧的风参数数值模拟结果与现场实测具有一致性，主梁绕流对距主梁20 m范围内的风攻角监测结果均存在一定影响. 通过本文建立的风攻角修正方法，可以根据迎风侧风攻角的实测值得到较为合理的风攻角修正结果.     

桥隧段风屏障对高速列车气动荷载及行车安全的影响

高铁线路隧道-桥梁-隧道路段常伴随强烈的横风,列车行驶至隧道与桥梁连接段时常常受到横风的突然冲击,严重影响了列车的行车安全性。基于计算流体力学RNG湍流模型和多孔介质理论,建立列车-隧道-桥梁-风屏障三维CFD数值模型和风-车-轨-桥动力耦合分析模型,研究了高速列车通过隧道-桥梁-隧道路段过程中列车的气动荷载和行车安全指标的变化特性。结果表明:桥隧相连段设置风屏障后,各节车厢的气动荷载突变幅值显著降低,降幅达50%以上,其中横向力和倾覆力矩受风屏障的影响最为显著,降幅高达88%以上;设置风屏障后列车行车安全指标显著降低,迎风侧和背风侧各轮对(除了头车1、3号轮对外)的安全指标波动幅度相同;头车的安全指标对整个列车行车安全性起控制作用,尤其是头车转向架前轮(即1、3号轮对)的;列车由隧道驶入桥梁过程中的行车安全性较由桥梁驶入隧道过程的小。     

主桁倾角对倒梯形钢桁梁气动特性的影响分析

针对主桁倾角变化对倒梯形钢桁梁气动特性有较大影响的问题,以某公铁两用连续钢桁梁为例,针对不同的主桁倾角,采用计算流体力学(CFD)的方法建立简化的三维分析模型,对钢桁梁节段进行风场模拟,分析不同主桁倾角下的钢桁梁断面静风气动力系数、涡振性能以及流场特性的差异。结果表明：升力系数和力矩系数受主桁倾角变化影响明显,主桁倾角为10°时,钢桁梁的升力系数较优,此时钢桁梁承受较小的竖向风荷载;主桁倾角为0°时,钢桁梁的力矩系数较优,此时钢桁梁承受较小的扭转风荷载;主桁倾角对钢桁梁在0°和6°风攻角条件下的涡激性能影响明显,涡振性能在主桁倾角为2.5°和5°时较优;随着主桁倾角的增大,钢桁梁内部风速存在的减速现象减弱,有利于内部行车稳定;主桁倾角的变化对湍动能的分布影响明显,随着主桁倾角的增大,钢桁梁内部湍动能的增大效果减弱,而钢桁梁背风侧湍动能的增大效果加强;通过综合对比多类气动特性,主桁倾角为5°的钢桁梁的气动特性较优。研究得出了主桁倾角变化对倒梯形钢桁梁主梁气动特性和空间流场特性的影响规律,可为后续钢桁梁的抗风设计提供参考。     

风屏障开孔形式对车桥系统气动特性影响的数值研究

随着高速铁路的发展,列车在横风作用下的安全问题尤为重要。采用流体力学软件Star CCM+建立32 m简支箱梁和CRH2型高速列车的全尺寸模型,对不同风屏障开孔形式的车桥系统进行数值模拟,研究了风屏障开孔形式对风屏障挡风效率和流场的影响,分析了车辆三分力系数和桥梁三分力系数随开孔形式的变化规律。结果表明：风屏障的开孔形式对车辆的阻力系数影响较大,且随着开孔边数的增加各车辆的阻力系数先减小后增大,开孔形式为格栅形时阻力系数最大。采用格栅形式时中车比头车的力矩系数大了63.6%;中车的阻力系数和力矩系数随开孔边数的增加基本呈下降趋势,位于背风侧时中车阻力系数和力矩系数变化较缓;随着风屏障开孔边数的增加,桥A段、桥B段和桥C段的阻力贡献率CR_WBD都呈增加趋势,其中桥B段的贡献率增加最多,增加了12.2%。风屏障对阻力和力矩的贡献率CR_WBD、力矩贡献率CR_WBM基本都超过了50%。     

风屏障对流线型箱梁涡振性能影响机理试验研究

为研究风屏障透风率对主梁涡振性能的影响,依托某主跨808 m大跨度钢箱梁悬索桥,通过风洞测振、测压试验得到模型风致振动响应和表面各测点压力时程数据.测试原桥断面在加设风屏障后±5°攻角范围内的涡振性能,对比分析原桥断面和3种不同透风率风屏障以及安装水平分流板5种工况下主梁涡振响应和桥面各测点脉动压力系数均值、根方差;同时分析局部气动力与总体气动力的相关性和贡献作用.研究结果表明,原断面在+5°攻角下发生了多区间竖弯涡激振动,且涡振振幅远超规范允许值.安装不同透风率的风屏障后对主梁的涡激共振产生了有利的影响,消除了主梁原断面在低风速区间的涡振,最大振幅也有一定的减小.根据测得的压力数据分析,带风屏障主梁上表面中后部压力脉动减弱及局部气动力与总体气动力贡献系数减小使得主梁振幅有了小幅减小;在主梁风嘴处添加水平分流板后,局部气动力与总体气动力的相关性被完全破坏,压力脉动减弱,从而有效地抑制了主梁在该情况下的涡振.     

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。     

风障对桥上高速列车气动特性影响的风洞试验

为考虑侧风作用下风障对桥上高速列车气动特性的影响,以高速列车与双线简支箱梁桥为原型,自主研制了缩尺比为1:20的风障-车-桥模型风洞试验模型装置。测试高速列车的头车、中车及尾车各自的气动力。分析风速、列车位于桥梁的横向位置、不同风障高度与透风率、风偏角对高速列车气动系数的影响,最后以静力轮重减载率作为风障防风效果评价指标,给出风障气动选型参数建议值。研究结果表明:雷诺数对车-桥系统的气动性能影响有限;桥梁上设置风障可明显减小列车所受气动力;列车位于迎风侧线路时运行时所受气动荷载较大;随着风障高度的增大,列车气动力系数减小;当风障增加到某一高度后列车气动系数基本不再随风障高度变化,但随着透风率增大而增大;当风偏角小于等于20°时,高度为4 m,透风率为0%风障的挡风效果较好,而当风偏角大于20°时,高度为4 m,透风率为30%风障的挡风效果较优。研究结论可为实际工程中风障气动选型提供参考。     

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.     

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.     

风屏障透风率对侧风下大跨度斜拉桥车-桥耦合振动的影响

为研究风屏障透风率对侧风下大跨度斜拉桥车桥系统耦合振动的影响,通过风洞试验得出在桥梁上设置不同透风率风屏障情况下桥梁和桥上不同位置处列车的三分力系数,在此基础上根据弹性系统动力学总势能不变值原理进一步建立考虑风荷载的车桥系统耦合振动方程对侧风作用下大跨度斜拉桥车桥动力响应进行计算。研究结果表明:当风屏障透风率由10%增大至40%,迎风和背风工况下跨中处桥面竖向位移最大值均呈现增大趋势;风屏障透风率对迎风工况车辆动力响应的影响较大;当风屏障透风率由30%增大至40%时,车辆的脱轨系数、轮重减载率和横向摇摆力增幅较为明显。     

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。     

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...     

切角矩形断面高层建筑风压特性试验研究

针对切角矩形断面高层建筑体型复杂且其风压特性无法通过建筑结构荷载规范直接选取的现状,以某一变宽度切角矩形断面高层建筑为研究对象,在考虑周边复杂建筑风环境的影响下通过刚体模型测压试验研究了建筑模型表面风压系数和体型系数,并讨论了切角矩形断面高层建筑局部风压随风向角和高度的变化规律。结果表明:切角矩形断面高层建筑表面风压特性与常规矩形断面高层建筑基本一致,垂直来流的标准迎风面的平均风压系数为正值,且随着高度增加而增加;斜迎风面与来流方向呈45°时风压系数和规范值差距较大,正负值符号与斜切面与正立面宽度比有关,并给出了最大宽度比为1/8时的取值结果;侧风面和背风面为负压区,背风面平均风压系数约为侧风面的1/2;最大脉动风压和最小平均风压均出现在边角切面处。周边建筑对该高层建筑中下部表面风压的影响较大,个别侧风面受此干扰风压分布无明显规律可寻。     

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。     

汽车气动造型在侧风稳定性中的应用研究

对比不同气动造型汽车的侧风稳定性,分析了影响侧风稳定性的因素.采用MATLAB软件建立多自由度汽车动力学数学模型,并进行侧风稳定性仿真,通过对比风压中心与质心3种相对位置情况下的侧倾角速度和横摆角速度,得出风压中心位于质心后的汽车气动造型可以改善汽车侧风稳定性的结论.采用实车侧风稳定性试验进一步验证了侧风稳定性虚拟试验结论的有效性.最后从汽车的车身尾翼、车身横断面、阻风板等方面提出汽车侧风稳定性改善措施.