横风下高速列车突入隧道时气动荷载冲击效应

对高速列车由横风环境驶入隧道过程中流场的非定常、可压缩以及湍流等特性,建立了隧道-列车-空气三维CFD数值模型,分析了列车驶入隧道时各节车厢的气动荷载瞬态变化特征及对应的车厢运行姿态变化,并从流场角度揭示了其变化机理,最后探讨了气动荷载对车厢的冲击效应.主要结论如下:(1)当列车由横风环境驶入隧道时,各节车厢的5项气动荷载均表现出显著的突变特征,相应地各节车厢均会呈现瞬间偏转以及瞬间"点头"等行为;(2)车厢两侧压差在纵向上的巨大差异是导致车厢横向力和倾覆力矩的突然卸载以及偏航力矩骤增的根本原因;(3)横风是导致气动荷载对车厢冲击强度显著升高的主要因素;(4)头车的安全系数是控制整列车运行安全性的关键.     

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.     

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。     

横风作用下高速列车转向架非定常空气动力特性

针对CRH型动车组的真实外形,采用分离涡数值计算方法,对横风中高速列车转向架的非定常空气动力特性进行研究。得到各个转向架气动荷载的时域特性、频域特性以及转向架周围非定常流动结构。研究结果表明,横风中高速列车转向架处流场非常紊乱,伴生出许多分离涡;转向架所受的空气动力存在非常明显的非定常性;各个转向架空气动力的功率谱密度存在明显峰值,若转向架或转向架中某些弹性体的固有频率与它们耦合,则易出现共振进而失稳的情况。本研究可以为高速列车局部减阻优化设计和提高高速列车自身的抗风性能设计提供参考。     

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。     

定常横风作用下高速列车的安全性分析

基于空气动力学理论,建立高速列车空气动力学模型,计算不同运行速度下高速列车在明线运行和明线横风场景下的气动力荷载。同时采用多体系统动力学理论,建立车辆多体动力学仿真模型。将气动荷载导入车辆仿真模型,计算在无横风和有横风条件下,列车以不同速度行驶时的车辆动力学响应及其安全性指标。获得在无横风和有横风条件下高速列车运行安全性随速度的变化规律。研究结果表明,横风作用将对列车的安全运行构成极大的威胁。参照有关高速列车运行安全性评定标准,给出15 m/s横风风速下高速列车安全运行的速度限值。     

横风作用下列车在高架桥上运行的气动特性分析

使用计算流体力学方法研究横风条件下列车在高架桥上运行的气动特性和倾覆的危险性。基于三维N-S方程,采用滑移网格技术对列车运行进行数值模拟,并与在地面上运行作对比数值模拟计算。研究结果表明列车在高架桥上运行所受到的气动力随着侧风强度的增加而剧烈增加,随着车速的增加而缓慢增加;和地面路况运行相比,列车在计算模型中的高架桥上运行并未增大倾覆危险性。     

横风桥隧区域列车突出隧道时的瞬态气动特性

基于横风作用下高速列车流场的非定常特性,建立了横风-列车-桥隧模型进行仿真计算,并通过1∶8列车动模型试验验证数值方法的准确性。随后研究横风条件下列车突出隧道时,隧道内外瞬态气动压力、气动荷载变化及流场特性,揭示了横风-列车-隧道之间的相互作用机理。研究结果表明：随着横风风速的增大,压力逐渐减小,但压力随时间的变化规律相似;横风对隧道出口处及隧道外监测点处的压力梯度有明显的影响,对于隧道内的监测点几乎没有影响;随着横风风速增大,隧道外背风侧正压峰值随风速增大略有减小,迎风侧正压峰值基本保持不变,背风侧负压峰值减小速率大于迎风侧;横风对列车突出隧道运行过程的压力波动影响有限,在横风风速为20 m/s时,隧道外界流场影响隧道内气动压力的范围不超过20 m。同种横风条件下,迎风侧、背风侧监测点处压力时程变化规律不相同,压力梯度峰值出现的位置也不同,且位于列车同侧越靠近地面的监测点处压力峰值及压力梯度峰值绝对值越大;横风下,气流经过车-桥系统时,在桥底部、列车背风侧顶部及底部发生明显的流动分离现象,导致隧道外车体两侧的压差大于隧道内车体两侧压差。     

高速列车通过隧道-桥梁-隧道时车体的气动效应

以我国高速铁路沿线上某座隧道-桥梁-隧道基础设施为工程背景,基于计算流体力学和多孔介质理论建立了列车-隧道-桥梁-风屏障-空气三维CFD数值仿真模型,研究了列车运行于隧-桥-隧全过程的气动荷载变化特性.针对横风环境中列车运行于桥隧相连段的过程,从流场角度进一步揭示了风屏障的存在与否对气动荷载突变效应的影响.结果表明:1)无风屏障条件下,各节车厢在"由桥至隧"过程的气动荷载波动幅度是"由隧至桥"过程中相应值的1.03～1.89倍,而风屏障的存在将使两过程中气动荷载波动幅度基本相等;2)列车气动横向力的变化对风屏障的影响最为敏感,而气动升力和俯仰力矩的敏感性相对较弱.     

列车隧道交会最不利长度数值模拟研究

通过计算流体力学方法,采用动态分层模型,对二维列车隧道交会问题进行数值模拟并结合图表探讨了最不利隧道长度问题.结果表明,相应于瞬变压力急剧程度,车头、车尾测点的最不利压力叠加分别发生在隧道列车长度比为3和4.5时.不同隧道长度下,测点压力最大值的变化不如测点压力最小值的变化明显,隧道交会过程中通常是负压起主导作用.     

高速受电弓安装形式对列车气动性能的影响

受电弓作为高速列车上不可或缺的部件,其结构特性直接影响高速列车整车气动性能。采用数值仿真方法,基于三维稳态SST k-ω模型,分析高速受电弓不同安装形式对高速列车气动性能的影响以及各节车辆气动阻力的变化规律,并进一步研究其横风环境适应性。研究结果表明：当高速列车在明线运行时,高速受电弓不同安装形式对整车气动性能影响较小,但受电弓所在车辆的气动阻力变化较大;与闭口-升前弓工况相比,受电弓开口-升前弓时整车气动阻力减小2.10%,其中第6节车气动阻力减小6.06%;在横风条件下,受电弓开口-升前弓时整车横风稳定性能较优,与开口-升后弓工况相比,整车横向力与倾覆力矩分别降低2.52%和3.48%,其中第6节车横向力和倾覆力矩分别减少11.13%与18.50%。因此,在明线有无横风条件下,受电弓安装形式为开口-升前弓的气动性能均最优,且升前弓能改善受电弓后区域的流场结构,从而达到改善整车气动性能的目的。     

基于DES的车辆横风气动性能模拟

采用分离涡模拟(DES)方法,就横风对车辆侧向气动性能的影响进行数值计算。结果表明:随着风向角的增大,车辆的气动力系数均单调增大,当风向角为90°时达到最大值;在小风向角的情况下,头车的气动力系数最大,尾车最小。对静止车辆来说,车体前端和尾端的流场结构具有较强的对称性,在车辆的头、尾部均会产生脱落涡,且向列车的中部发展,与从风挡处气流分离产生的脱落涡干涉、融合,形成复杂的湍流结构,而中间车则受头、尾车的影响较小,在背风侧产生规则的脱落涡;同时尾涡内流速较低。对运动车辆来说,气流会在头车前端背风侧的上、下部产生2个脱落涡,并沿着车长方向发展,上部的脱落涡和从风挡处产生的脱落涡融合叠加,而下部的脱落涡则不受风挡的影响,同时漩涡内速度较高。     

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...     

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度的重要因素之一,因此需要对压力波特性进行研究。采用计算流体力学方法求解三维黏性可压缩N-S方程组,对不同时速下国产新型高速列车会车过程进行三维非定常仿真。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。列车所受侧向力随会车线间距的增大而减小。     

环境风与列车交会耦合作用下磁浮列车横向气动性能

采用三维、可压、非定常N-S方程,用动网格技术实现列车与地面、环境风与列车之间的相对运动,对不同风速、风向环境风作用下,磁浮列车以430 km/h速度等速交会时列车横向气动性能进行数值分析。研究结果表明：当风向角为135°时,磁浮列车受到的交会压力波幅值最大;头车和尾车横向力在风向角分别为270°和225°时最大,分别为-172.5 kN和77.4 kN;头、尾车侧滚力矩均在风向角为90°时最大,分别为-226.7 kN·m和-203.7 kN·m;在90°风向角下,风速增大,列车受到的横向力和侧滚力矩增大,横向力近似与风速的0.8次方成正比,而侧滚力矩约与风速的1.3-1.5次方成正比。     

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.     

列车气动效应作用下隧道衬砌混凝土水分传输理论研究

针对高速列车气动效应在铁路隧道衬砌混凝土表面产生的高速气流和空气低压作用,提出考虑列车气动效应的隧道衬砌混凝土水分传输和湿度场理论计算模型,并对气体流速和表面低压等关键影响因素进行分析。研究结果表明：高速气流加速混凝土表面水分交换速率并减薄水汽过渡层,表面低压作用降低环境中的水蒸气分压并增大混凝土表面与内部孔隙之间的压力梯度;混凝土表面风速越大、气压绝对值越低,其内部湿度下降越快;环境条件对混凝土湿度场的影响仅局限在混凝土表面一定范围内,环境风速和表面气压变化对混凝土内部湿度影响较小;在标准大气压条件下,当混凝土表面风速由5 m/s增大至15 m/s时,距离干燥面10 mm和30 mm处60 d龄期时相对湿度分别降低32.6%和3.9%;在环境风速为0 m/s条件下,当混凝土表面气压由80 kPa降低至50 kPa时,距离干燥面10 mm和30 mm处60 d龄期时混凝土相对湿度分别降低37.9%和3.8%。本文所提出的理论模型可较准确地描述上述因素对混凝土湿度变化的加速效应。     

公路隧道洞口工程施工技术探讨

本文对公路隧道洞口工程施工产生的不利因素进行了分析,从而针对施工中的不利因素应采取的措施进行论述,并介绍了隧道洞口施工的方法,对隧道洞口工程施工有一定的借鉴作用。合理选择安全的进洞方案至关重要。在进洞时同时借助一些辅助施工措施和改变隧道施工方法,最大限度的减少洞口工程的土方开挖量,力争做到自然进洞能有效避免刷坡引发的山体边仰坡失穗的现象,即大大减少洞口防护工程量,节约了建设成本,又减少了植被的破坏,做到“零开挖”对工程的建设成本和生态环境有着深远的意义。     

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.