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.     

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.     

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。     

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.     

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。     

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。     

不同风向角对高架运行磁浮列车气动特性影响分析

为了研究横风对高速磁浮列车运行安全的影响，本文基于三维、定常、可压N-S方程，对不同风向角作用下高速磁浮列车在复线高架桥运行的气动特性进行数值计算，并对列车表面压力、周围流场及气动力进行分析.结果表明：1）风向角越大，列车车体两侧的压差越大. 2）当风向角为0°时，尾涡具有明显的对称性，且强度及尺度都较小；当风向角为90°时，尾涡呈现明显的非对称性，且强度和尺度较大. 3）当车速一定时，列车气动载荷基本随风向角增大而增大，头车侧向力最大，尾车升力最大.气动力的最不利风向角范围集中在60°～90°.本文研究结果可为提高磁浮列车大风环境下安全运行提供理论指导和技术支撑.     

高速列车横风气动力数值计算研究

采用雷诺平均的方法对高速列车横风稳定性进行了数值模拟,重点研究了列车在侧偏角为8.77°下的横风特性。研究对象为高速列车的风洞缩比模型,将数值计算结果与实验值进行了对比。鉴于当前各类软件针对复杂列车车体横风稳定性的计算仍然不成熟,首先进行了三类商用软件的数值计算比较,分析了不同软件计算结果的精度差异。针对复杂列车外形的网格划分也是数值计算中的重要组成部分,针对两套列车网格进行了分析,研究了网格对计算精度的影响。在与实验值拟合最好结果的基础上,还着重研究了列车在横风作用下的气动特性。背风侧上下侧面拐角位置的流动分离是横风效应的最明显特征,由于流动分离而产生的涡系沿着列车背风侧向下游延伸,并且其强度也不断增强。本文还从气动力角度对横风特性展开了研究。横风条件下列车气动力与无横风相比有较大差异,对列车不同部位的气动力及其组成等进行了分析。     

车钩开闭罩导流结构对高速列车气动特性的影响研究

为了探索新的高速列车减阻方式,本文以CRH6型动车组为对象,在列车头部开闭罩处设计两种导流结构,并采用基于三维、粘性、不可压缩的N-S方程以及工程上应用最为广泛的k-ε湍流模型的数值模拟方法,研究了两种导流结构对列车气动特性的影响,结果表明:两种不同位置的导流结构的阻力分别减少1.18％和1.02％;导流结构入口位置较...     

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。     

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。     

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。     

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。     

200 km/h动车组交会空气压力波试验

为确定我国200 km/h动车组与准高速列车交会空气压力波的大小,从而为动车组安全评估提供依据,在广深线上利用瞬态压力测试系统,对其列车交会空气压力波性能进行测试,并对测量结果进行综合分析.研究结果表明在线间距为4 m、动车组运行速度为200 km/h(准高速列车速度为160 km/h)时,准高速列车所受到的压力波幅值为1*!568 Pa,而动车组承受的压力波幅值在1*!400 Pa左右;列车头部外形对列车交会压力波幅值有较大影响,控制车外形流线化程度比动力车的流线化程度好,控制车对准高速车造成的压力冲击波幅值小于动力车造成的压力冲击波幅值;对于目前使用的准高速车辆,动车组以200 km/h的速度与之交会运行是安全的.     

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.     

风雨联合作用下城轨车辆横风载荷特性研究

为分析风雨环境下城市轨道交通高架线路区段列车的横风载荷特性,采用双方程湍流模型和离散相模型相结合的方法,对不同降雨强度、横风风速和运行车速条件下列车横向风载荷进行了研究.结果表明:列车的横风载荷随着环境横风速度和列车运行速度的增大而增大,而降雨强度对列车横风载荷的影响不明显;解耦分析降雨因子影响可知,当雨滴直径小于1.6 mm时,横风载荷系数随雨量的增大而增大,随雨滴直径的增大而减小;当雨滴直径大于1.6 mm时,横风载荷系数随雨量的增大而减小,随雨滴直径的增大而增大.     

国产磁浮列车气动外形的优化

为了降低列车交会空气压力波、减小空气阻力、使列车具有正的气动升力，根据给定的列车横断面，设计3种磁浮列车流线型头部外形。利用可压缩粘性流体的N-S方程和k-ε双方程湍流模型，采用有限体积法对包括TR08磁浮列车在内的4种高速磁浮列车周围流场进行数值模拟，得出磁浮列车在不同运行速度下的气动阻力系数、升力系数及列车以430km／h运行时的交会压力波幅值。此外，为优化气动外形方案，对3种方案进行综合比较分析。研究结果表明：随着流线型头部长度的增加，列车空气动力性能提高；在车头流线型长度相同的情况下，随着最大纵剖面轮廓线曲率的变小，交会压力波降低，水平投影轮廓线变宽，列车阻力增加；最优方案为列车交会压力波和空气阻力均较小、流线型头部为扁梭形的方案三。     

强侧风作用下客车车体气动外形优化

采用三维、不可压N-S方程和k-ε双方程湍流模型,利用有限体积法分别对不同截面形状车体在不同风速、不同风向角以及不同车速工况下的气动性能进行模拟.研究结果表明:在不同横风风速下,车体气动力均随着横风风速的增大而增大,而气动力系数基本保持不变;在不同风向角下,车体气动力随着风向角的增加而增大;当风向角增加到75°时,气动力增长率变小,气动力系数也是随风向角的增加而增大;在不同车速下,车体的气动力随车速的增大变化不大,但气动力系数随车速的增大反而减小.     

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。     

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...