强侧风下客车在不同路况运行的气动性能比较

基于三维、非定常N-S方程,采用动网格技术对青藏线客运列车在强侧风作用下运行进行模拟,得到客车分别在桥梁、路堤、路堑及平地上运行所受到的气动力及力矩。将客车在路堤上运行的数值模拟结果与风洞实验进行对比。研究结果表明:侧向力、升力和倾覆力矩数值模拟结果与风洞实验结果均吻合较好;车速一定时,随着侧风速度的增大,列车在桥梁、路堤、平地上运行所受气动力和倾覆力矩均急剧增加,而在路堑上运行所受气动力及力矩增加缓慢;当侧风速度一定的情况下,客车在高桥上运行所受到的气动力及力矩最大,因此,强侧风下列车在高桥上运行较容易发生倾覆事故;在路堑上所受到的气动力相对最小。     

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。     

侧风状态下重型卡车气动性能研究

为了研究侧风状态对重型卡车气动性能的影响,建立计算流体动力学模型研究不同横摆角下卡车外流场的变化,随后提出添加横向和纵向隔板作为减阻导流装置,分析两种结构对卡车气动特性的影响,并通过1∶7.5卡车比例模型的风洞试验验证数值仿真模型的有效性。结果表明：侧风状态下重型卡车的风阻、侧向力和升力系数均随横摆角的增大而增大;在货箱前部添加横向或纵向隔板能够切断货箱前方间隙内流体的连续性,能不同程度地降低侧风状态下卡车的风阻系数。与添加纵向隔板相比,添加横向隔板的减阻效果更加明显,横摆角为12°时相对于原车模型的风阻系数下降率可达19.6%。但两种结构对侧向力系数和升力系数的影响很小,说明两种减阻结构在提升燃油经济性的同时,也可保证行车安全性。     

稳态侧风作用下类客车形体气动特性分析

以提高客车高速行驶时侧风安全性为目的,利用计算流体动力学方法建立类客车形体稳态侧风工况下的数值计算模型,研究其在不同横摆角下的空气动力学特性.计算结果表明：气动升力系数和气动侧力系数随着横摆角的增加而增加,气动阻力系数对横摆角变化不敏感,呈现先增加后减小的趋势.增加顶盖与侧围过渡圆角,增加侧围与后围过渡圆角,减小顶盖倾角都能不同程度地降低气动力系数,对改善客车高速行驶时侧风稳定性有较好的效果.模型的风洞试验数据验证了数值计算方法的准确性,计算结果为客车造型设计提供了理论依据.     

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,风挡区域流场变化明显,且明显使整列车气动阻力、侧向力增大;底端开口对流场以及气动力影响较小。若需要在风挡处开口以方便检修,建议将开口设在风挡底部。     

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.     

兰州-新疆线强侧风作用下车辆的气动特性

对试验列车上、下行通过“猛进东”测风点时的车体表面压力分布情况进行分析,采用分块积分法得出试验列车上、下行通过“猛进东”测风点的气动力。利用流场计算软件FLUENT对列车在大风作用下通过“猛进东”时的情况进行数值模拟计算,并与实车试验结果进行对比分析。结果表明:车体迎风面及背风面表面压力分布规律基本一致,验证了数值模拟计算模型的准确性;车辆受到的气动力中除升力的实验值与模拟结果相差较大外,主要导致车辆倾覆的横向力和倾覆力矩的实验值与模拟结果相差较小,满足工程应用要求。     

青藏线上集装箱平车在强横风下的稳定性

采用数值模拟计算的方法,对青藏线上10 m高桥梁上集装箱本身和集装箱车整车在强横风下的气动性能进行研究,得到气动力系数与侧滑角之间的关系;在此基础上,根据静力矩平衡原理建立车辆在轨道上倾覆及集装箱在车体上倾覆的数学模型,得到车辆和集装箱在直线和曲线上运行时车速和临界倾覆风速的关系。研究结果表明：桥梁上集装箱车整车和集装箱自身的横向力系数以及倾覆力矩系数均随着侧滑角的增大而增大;当侧滑角为75°时达到最大值,之后稍微降低;在低速时,车辆向曲线内侧倾覆的临界风速较低;在高速时,车辆向曲线外侧倾覆的临界风速较低;总体上,集装箱整车和集装箱自身的临界倾覆风速均随着车速的提高而降低,但集装箱在车体上倾覆的临界风速小于车辆整体在轨道上倾覆的临界风速,车辆的限速应当是以集装箱在车体上的倾覆为标准;对于集装箱车整车,当车速分别为0,40,60,80和100 km/h时,整车的临界倾覆风速分别为23.1,20.6,18.5,16.3和14.7 m/s。     

青藏线棚车在强横风下的倾覆稳定性

采用缩比棚车模型风洞实验的方法研究棚车在5 m高路堤和15 m高桥梁上的气动性能,得到气动力系数与侧滑角之间的关系,在此基础上,根据静力矩平衡原理建立棚车整车在轨道上倾覆及车体在转向架上倾覆的数学模型,得到车辆在直线和曲线上运行时车辆运行车速和临界倾覆风速关系。研究结果表明：路堤或桥梁上棚车的气动力系数均随着侧滑角的增大而增大,在桥梁上侧滑角为75°时达到最大值,之后稍微降低;车体在转向架上倾覆时的临界风速小于车辆整车在轨道上倾覆的临界风速,车辆的安全速度限值应当以车体在转向架上倾覆为基础进行研究;车辆在曲线上静止时,其在路堤和桥梁上的临界倾覆风速分别为37.0和39.5 m/s,当车速为100 km/h时,其临界倾覆风接近30 m/s;若车辆在直线上静止时,其在路堤和桥梁上的临界倾覆风速分别为45.0和49.0 m/s,当车速为120 km/h时,在路堤或桥梁上棚车的临界倾覆风速接近33 m/s。     

侧风下大学生方程式赛车气动性能研究

以大学生方程式赛车为研究对象,采用横摆模型法对不同侧风下的赛车气动特性进行了CFD仿真和试验研究,得到了相应的气动力系数,并对不同侧风下流场中速度以及压力的分布进行了分析,探究了气动力系数和尾部流场的差异.结果表明,赛车的阻力系数和侧向力系数随横摆角的增大而增大,而升力系数并不随横摆角线性变化.赛车的下压力主要由前后翼提供,随着横摆角的增大,后翼所提供的下压力逐渐减小,而底板所提供的下压力则逐渐增大.车身所提供的阻力随横摆角的变化更为敏感.不同横摆角下,赛车尾部的涡流分布存在较大差异.      

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.     

高速列车突入复线隧道的横风效应分析

横风作用下运行环境不同导致高速列车气动特性发生突变,严重影响列车运行安全和乘客的舒适性。基于高速列车流场的可压缩、非定常特性,建立隧道-列车-横风三维数值模型,采用SST k-ω湍流模型进行求解,通过与动模型试验对比,验证了数值模拟的准确性,进一步分析横风对列车周围流场与表面压力分布的影响,得到了横风作用下列车气动荷载变化规律。研究结果表明：列车周围流场分布受横风影响显著,隧道外流场向列车背风侧偏移,并形成起始于隧道入口处的纵向涡旋,而隧道内列车背风侧涡旋消失,迎风侧形成延伸至入口处的垂向涡旋,并在列车驶入过程中隧道内涡旋结构逐渐消失。在列车驶入隧道前列车迎风面气动压力以正值为主,背风面气动压力以负值为主。当列车驶入隧道时列车表面压力发生剧烈变化,气动压力波动程度随列车驶入而明显减弱。气动荷载变化规律与风环境密切相关,无风时尾车横向力和升力变化幅值最大,而横风下头车横向力和升力变化幅值最大。此外,列车气动性能与编组位置密切相关,横风下头车横向力变化幅值分别是中车、尾车的4.8倍和15.4倍,头车升力变化幅值分别为中车、尾车的1.1倍和1.2倍,头车发生行车安全事故风险最高。研究成果可为类似情形下高速列车运行安全性评价和高铁隧道选线提供参考。     

具有流线型头部的高速磁浮列车气动性能数值模拟

以世界上首条商业运行的上海高速磁浮列车TR08为研究对象,基于粘性流体力学理论,按三维可压缩粘性流对具有流线型头部形状的TR08列车以及根据一定规律设计出的4种新头型列车周围流场进行了数值模拟.通过对这5种不同头型列车的模拟结果进行对比分析,得出了流线型头部外形对气动性能影响的规律:随着流线型头部长度增加(其他条件相同),列车气动阻力和升力降低;在头部流线型长度相当的情况下,纵剖面轮廓线上凸的头车气动阻力比下凹的小,而尾车气动阻力大;中间车阻力变化不大,尾车升力大于头车;就整车升力而言,纵剖面轮廓线上凸的气动升力大于下凹的.     

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.     

隧道类型对驶出隧道高速列车横风效应影响研究

基于横风下高速列车流场的非定常特性,建立横风-隧道-列车数值模型进行计算,研究隧道类型对横风下高速列车驶出过程中气动压力、流场特性和列车气动荷载的影响.结果表明：隧道出口处气动压力受隧道类型影响最为显著,单线隧道列车迎、背风侧气动压力变化幅值比双线隧道气动压力变化幅值分别大15.7%和22.6%;在列车类型、车速和横风条件相同情况下,阻塞比是导致单线隧道气动压力较大的根本原因;列车背风侧分离涡形成位置到头车鼻尖距离相同,但双线隧道列车背风侧流场偏移程度更大;头车与中车周围流场分布规律基本相同,受隧道类型影响较小,而尾车流场分布特性受隧道类型影响较大.尾车气动荷载对隧道类型更加敏感,双线隧道尾车横向力系数、升力系数变化幅值分别比单线隧道大27.3%和7.1%.当高速列车在横风环境中驶出隧道时,建议考虑隧道类型对列车气动性能的影响.     

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