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...     

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.     

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。     

4种车型横向气动性能分析与比较

根据二维定常不可压缩Navier-Stokes方程和k-ε双方程紊流模型，采用有限体积法对客车、敞车、棚车和罐车4种不同外形铁路车辆在路堤高度、横风风速相同条件下的横向气动性能进行分析与比较。研究结果表明：对于车顶外形为圆弧形的车型，空气流过圆弧形车顶时流速增加，压力下降，故其升力较大；对于车顶外形为钝形的车型，车体迎风面正压区域较大，而背风侧产生较大的漩涡区，在此区域内压力较小，故其侧向力较大；在横风作用下，客车、敞车、棚车和罐车4种车型中，罐车的侧滚力矩最小，稳定性最强，敞车和客车次之，棚车的侧滚力矩最大，其稳定性最弱；在进行强横风地段挡风墙优化设计时，可将棚车作为设防车型，以保证所有列车在强横风地段运行安全。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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.     

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。     

低矮建筑非定常绕流大涡模拟影响因素研究

掌握结构周围风场及其特性,是开展建筑结构抗风设计的基础。借助采用大涡模拟（LES）的方法,对低矮建筑非定常绕流进行了大涡数值模拟研究,分别分析了不同运算时间、建筑物不同高度处及不同风速因素,对低矮建筑非定常绕流特性的影响。结果表明：（1）随着时间的增加,建筑物迎风侧的速度和压力均增大,背风侧的压力出现了负值,速度最小值出现在背风侧的涡中心位置;（2）随着建筑物高度逐渐增加,涡的位置逐渐向上偏移,由于风速比较均匀,当遇到建筑物时,在建筑物迎风侧,速度流线会形成一种上升的趋势,背风侧的压力逐渐增加;（3）随着风速的增加,建筑物的背风侧出现了大涡且速度逐渐增大,背风侧的压力最小值逐渐减小。     

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.     

风障表面的高速列车风致空气脉动压力研究

高速铁路挡风风障在保障高速列车运行安全的同时,本身亦承受着强烈的列车风致脉动压力荷载.基于STAR-CCM+软件,以CRH3型高速列车和挡风风障为研究对象,结合能够有效减少开孔薄板网格数量的多孔介质模型以及运动体滑移网格方法,对高速列车通过风障区域的整个过程中列车风致脉动压力的变化进行了数值模拟,分析了风障脉动压力随列车车速和离地高度等参量而改变的时程变化规律,给出了风障位置的脉动压力峰值与压力梯度,得到了列车风致脉动压力的频域特性.结果表明:高速列车通过风障区域时在风障各部位均形成了"正-负-负-正"的交变荷载,且其峰值按照头车正压、头车负压、尾车负压、尾车正压的顺序依次减小,脉动压力梯度随速度增加更加明显;风致脉动压力随高度增加而减小,最大压力出现在风障的底部区域;列车风致脉动压力的功率谱密度峰值集中在25 Hz以内,车速每增加50 km/h,列车风冲击能量增大将近一倍.     

低矮建筑非定常绕流大涡模拟影响因素

掌握结构周围风场及其特性,是开展建筑结构抗风设计的基础。借助采用大涡模拟(LES)的方法,对低矮建筑非定常绕流进行了大涡数值模拟研究。分别分析了不同运算时间、建筑物不同高度处及不同风速因素,对低矮建筑非定常绕流特性的影响。结果表明:(1)随着时间的增加,建筑物迎风侧的速度和压力均增大,背风侧的压力出现了负值,速度最小值出现在背风侧的涡中心位置。(2)随着建筑物高度逐渐增加,涡的位置逐渐向上偏移,由于风速比较均匀,当遇到建筑物时,在建筑物迎风侧,速度流线会形成一种上升的趋势,背风侧的压力逐渐增加。(3)随着风速的增加,建筑物的背风侧出现了大涡,且速度逐渐增大,背风侧的压力最小值逐渐减小。     

集装箱专用平车气动性能分析与比较

基于三维、不可压、定常N-S方程和κ-ε双方程湍流模型,采用有限体积法对3种不同设计方案在运行时速为160 km/h的集装箱专用平车(以下简称平车)在有、无横风情况下的气动性能进行分析与比较,其中:方案一的平车无端墙,侧梁侧面平直;方案二和三的平车均加有端墙,且侧梁加高、侧面形状分别为钝形和弧形.研究结果表明:在无横风情况下,方案一中没有端墙,迎风面积较小,受到的气动阻力最小,方案二和三中平车有端墙,迎风面积较大,受到的气动阻力也较大;有横风情况下,方案三中平车侧梁较高,车体迎风面正压区较大,而背风侧产生较大的涡流区,在此区域内压力较小,故其横向力较大,方案一中平车侧梁没有加高,受到的横向力最小;方案一中平车倾覆力矩最小,稳定性最好.因此,在有、无横风情况下,方案一中平车的气动性能均比其他2种设计方案的平车的优.     

小尺度新月形沙丘背风侧流场特性的大涡模拟分析

为了准确获得新月形沙丘背风侧湍流流场流动特性,采用基于Smagorinsky的亚格子尺度涡黏模型的大涡模拟(LES)方法,对简化了的实验缩比小尺度沙丘模型绕流气相流场进行了数值研究,模拟了相同来流风速、不同沙丘迎风坡度和高度下背风侧风场的湍流流动模式,获得了背风侧区域地表面摩擦系数分布,比较了回流区长度和湍流强度分布.模拟结果表明:LES方法能较好地揭示背风侧湍流流场特性;流场重附距离随沙丘迎风坡度和高度的增加而增大;背风侧回流区内湍流强度总体上比回流区外大,回流区内沙丘坡脚位置及重附点位置处湍流强度最大值出现在贴近地表附近,随沙丘高度的增加而增大;回流区中部湍流强度最大值出现在回流区顶部,随沙丘高度的增加先增大后基本不变.     

环境因素对复合绝缘子积污特性的影响

复合绝缘子在电力系统中被广泛应用,研究复合绝缘子积污特性与影响因素对降低绝缘子污闪事故的发生有着重要意义。基于FXBW4-10/100型复合绝缘子,建立了欧拉双相流绝缘子积污模型,对不同风速、粒径、浓度下绝缘子的表面积污特性进行研究。结果表明：污秽颗粒主要集中在绝缘子的迎风侧以及背风侧,绝缘子侧风侧积污较少;下表面积污体积分数高于上表面;随着风速的增加,绝缘子迎风侧与背风侧积污体积分数逐渐增大,侧风侧的积污体积分数先增加后减小;绝缘子表面的污秽程度随颗粒浓度的增加近似呈线性增加,整体积污均呈伞形分布;背风侧的积污程度随着颗粒粒径的增加呈现先增大后减小的情况。     

正向风作用下的对开口腔室火灾行为

为了系统揭示正向风作用下对开口腔室火灾行为的演化机理，该文建立了更符合实际的腔室火灾场景，开展了相应的数值模拟和理论分析，研究了正向风风速对迎风侧、背风侧的火溢流行为、腔室内部温度以及腔室气体流动方式的影响。结果表明：随着风速的增加，通风控制下腔室迎风侧的火溢流会逐渐消失。之后，背风侧的火溢流也会逐渐消失。火溢流发生的临界判据为全局当量比等于0.645。当全局当量比小于等于0.645时，燃烧只发生在腔室内部；当全局当量比大于0.645时，腔室外部开始出现火溢流。在燃料控制状态下，腔室内部的平均温度随着风速的增大不断降低。结合腔室内外的能量守恒方程，通过量纲分析，建立了正向风作用下燃料控制状态腔室内平均温升模型。基于迎风侧和背风侧与腔室内的压差，建立了腔室气体由双向流动转化为单向流动的临界风速表达式。当风速小于临界风速时，腔室两侧开口气流存在双向流动；当风速大于等于临界风速时，腔室两侧开口气流为单向流动。