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。     

风载荷作用下球形储罐的流固耦合分析

以某石化企业的丙烷球形储罐为研究对象,在ANSYS Workbench平台上充分考虑球罐的几何完整性和风载荷分布不均匀性,进行流固耦合计算分析。具体方法是先对球形储罐的外部空气流场进行三维数值模拟得到绕流流场分布,然后将流场计算结果加载到球形储罐外表面,进行结构静力学分析。结果表明：风在球形储罐附近发生绕流时,流速先增大后减小,并在球壳和支柱背风面形成漩涡,流动分离的位置随风速增大向后推迟;风流在球形储罐迎风面形成正压区,在非迎风面形成负压区,球壳迎风面风压呈同心圆环形对称分布,由中心向边缘风压逐渐减小;球形储罐在风载荷作用下的应力较设计工况下的显著增大,经应力线性化分析和强度校核,该球形储罐满足标准要求。     

高速列车车体气动载荷疲劳强度试验装置研究

研制车体交变气动载荷试验装置,利用该装置对新造车体进行疲劳强度试验,讨论车体交变气动载荷疲劳试验加载方法、压力、压力波形与周期、加载次数等参数,并完成车体交变气动载荷疲劳试验装置方案及数据采集系统方案设计;将合武铁路现场测得的CRH2型动车组以250 km/h速度过隧道时车内外压力差曲线与该试验装置测得的压力曲线进行比较。研究结果表明:车内外压力差曲线与该试验装置测得的压力曲线基本吻合,该试验装置可真实模拟列车高速通过隧道时车体承受的交变气动载荷,为研究新造高速列车车体在交变气动载荷作用下的疲劳强度特性提供了重要的试验手段,建议我国新造车体按其实际运行过程中承受的交变气动载荷加载进行疲劳强度试验。     

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.     

复合工况下高速铁路声屏障的流固耦合研究

通过在流体模块Fluent中求解RNGκ-ε两方程模型,得到高速铁路声屏障在列车风致脉动力和自然风荷载联合作用下的外流场分布,并将分析结果作为载荷通过耦合交界面传递给结构分析模块Structural(ANSYS),进行瞬态动力学分析和模态分析,得到声屏障在此激励下的等效应力、总变形量及其模态分布。研究结果表明:相对于列车风致脉动力,自然风荷载对于声屏障的结构性能影响更为显著,声屏障的固有频率远小于外部激励频率,不会发生结构共振现象。     

路堤高度影响列车侧风运行气动特性模拟

列车常在路堤上运行,特别是在侧风环境下列车的空气动力特性问题变得十分重要。本文采用计算流体力学方法对路堤高度变化影响列车侧风运行气动特性进行研究。数值模拟结果表明:由于气流随路堤斜坡的加速效应,头车上受到的侧向力和侧翻力矩随着路堤高度增加显著增加。作用在中间车上的阻力对路堤高度变化不敏感,但随着路堤高度增加中间车上的负升力明显增加。对于尾车,其阻力系数随着路堤高度增加而逐渐增加,且因为处于剧烈的尾涡区而受到逆侧风方向的侧翻力矩作用。     

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%。     

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.     

考虑气动-结构耦合的机翼三维结构拓扑优化方法

针对机翼三维结构拓扑优化方法在工程实际应用中的气动-结构耦合问题,开发了一种在机翼翼型表面直接加载气动载荷的三维拓扑优化方法。用更接近真实工程的约束和载荷条件进行结构拓扑优化,便于考虑不同翼型之间气动载荷的差异,并兼顾拓扑优化方法的载荷敏感性;利用MATLAB编写自动网格划分、施加约束和载荷、求解优化的结构分析程序,实现气动-结构分析统一模型;最后通过实例验证了方法的可行性及有效性。结果表明该方法为载荷敏感的拓扑优化方法更精确得到符合实际工况的优化结果提供了一种实用的方案;并对于气动-结构耦合三维拓扑优化方法进行了原理性的探索研究。     

基于ANSYS/LS-DYNA的某型训练弹跌落强度流固耦合仿真分析

为分析某型训练弹发射后的跌落强度,该文采用了基于ANSYS/LS-DYNA的流固耦合方法。通过霍普金森压杆试验系统获取所选材料的非线性本构关系,建立了弹体、水、空气耦合的多物质仿真模型。基于Euler/Lagrange罚函数耦合算法建立约束方程,实现力学参数的传递。对训练弹发射后跌落入水的整个过程进行了数值模拟和仿真分析,得出训练弹在流体冲击载荷下产生的应力应变。计算结果表明:训练弹水平跌落入水瞬间,与流体接触的部位出现微小弹性瘪凹;入水后,应力迅速减小并趋于稳定,弹性变形消失;在训练弹距水面10 m高度自由落体平溅入水的工况下,弹体强度满足要求。该方法同样适用于其它具有大变形和非线性性的流体冲击问题。     

周边建筑对低矮建筑平屋盖上风压的干扰效应

通过刚性模型测压风洞试验对被同类周边建筑所包围的低矮建筑表面风压系数进行了测量,分析了周边建筑的建筑面积密度对目标建筑平屋盖风压系数分布状态的影响规律.试验结果表明:当低矮建筑被同外形、同高度的周边建筑包围时,随着周边建筑面积密度的增大,被包围建筑屋盖上斜风导致的锥形涡将逐渐消失,屋盖上不同部位的负风压极值将逐渐减小并趋于均一;当周边建筑面积密度分别为0.1,0.3和0.6时,被包围建筑屋盖上的最大负风压可分别减小为孤立建筑的80%,30%和20%.     

气动力和离心力载荷对风力机叶片结构特性影响

采用雷诺平均NS方程和标准k-ε湍流模型,在不同风速和转速下对某风力机叶片基于Workbench进行了单向流固耦合数值模拟,分别分析了气动力载荷和离心力载荷对风力机叶片功率及风力机叶片结构特性的影响。结果表明:相对于气动力载荷,风力机叶片离心力载荷对风力机叶片结构特性的影响较大。     

车桥耦合气动力特性和风压分布数值模拟

基于计算流体动力学，采用数值模拟的方法研究了车桥耦合体系气动力特性和风压分布．首先选取了雷诺应力湍流模型，分别建立了桥梁单体模型、车辆单体模型和车桥耦合体系模型．计算了3个模型在不同风向角下的气动力系数，并对各自的风压分布进行了比较．车桥耦合体系考虑了车辆和桥梁的耦合效应，在不同风向角工况下，车桥耦合体系的气动力系数，包括升力系数、阻力系数和倾覆力矩系数，都明显增大．计算结果表明，车桥耦合体系与桥梁和车辆各自单体相比较，气动力系数差异较大，故设计中应对此给予重视，以确保行车安全．     

高速列车受电弓不同姿态下气动特性分析

通过建立受电弓-列车-接触网系统模型,基于横风条件下,采用分离涡模拟方法研究受电弓不同姿态运行时的非定常气动特性,分析三维绕流场内涡量、流线、压力等的变化规律,以及不同姿态下受电弓气动力、力矩系数的时程变化规律及频域特性,探讨受电弓闭口运行与开口运行时绕流特性的差异。结果表明:在闭口姿态时,底座和下臂部分流场区域受到强烈干扰,在开口姿态时,滑板和上臂部分流场区域受到较强扰动;相对于闭口姿态,开口姿态中C_x和C_z的时均值增加了8.3%和10%,其波动量相差在7%以内,C_y的波动量为闭口姿态的30%左右,其最大值和最小值是闭口姿态的1.4倍和4.2倍;开口姿态下M_y、M_z和M_x的增幅值分别为6.7%、2.3%和3%,M_y和M_z的波动量增加了13.6%和7.2%,M_x的波动量增幅为闭口姿态工况的1.5倍。研究结果对横风作用下受电弓不同姿态运行的气动特性研究及应用具有重要意义和价值。     

具有流线型凸包的风力发电机气动特性

以300 W水平轴风力机叶片为研究对象,设计流线型凸包结构,并应用于风轮模型,结合滑移网格技术,对比研究光滑型与流线凸包型风力发电机的绕流场特性以及气动载荷特性,分析了三维绕流场内速度、压力、流线等的变化规律,以及不同风速下风力机的阻力系数及其功率的时程变化规律,探讨了流线凸包型与光滑型风轮在不同风速下运行时绕流特性的差异。结果表明:流线型凸包对流场有较好的改善结果;当风速增大时有明显的减阻效果,最大减阻率为19.53%,但其波动量增加为1.51%;凸包型风轮输出功率明显高于光滑型风轮,但随着风速增加,功率增加率也逐渐减弱。研究结果对水平轴风力机非定常气动特性研究及应用具有重要意义和价值。     

标志牌杆在风载作用下的有限元分析

某市政改造工程中计划在现有的公路L型标志牌杆上更换新型标志牌。据此计算分析旧L型标志牌杆是否可以在承载新型标志牌条件下继续使用,以达到降低改造成本的目的。针对改造工程中需要替换标志牌的旧L型标志牌杆,建立了包括面板、悬臂和立柱的几何模型。使用有限元方法进行分析计算了结构的模态、得到了自振频率。计算了结构在自重以及风荷载作用两种工况下的位移、应力响应,并结合规范要求,判别出标志牌杆结构整体的刚度不满足规范要求。因此旧L型标志牌杆必须被替换,同时提出了结构优化意见。     

底部结构对高速列车流场及气动优化规律的影响

为了得到底部结构对列车流场及气动阻力优化规律的影响,通过计算流体力学和正交试验设计分析的方法,研究真实复杂车体的底部流动和尾迹特征,得到了复杂车体气动阻力优化规律.结果表明,尾车鼻尖静压系数在底部结构影响下降低了0.06,尾车流动分离提前,两反对称尾涡核间横向距离增大,尾涡间夹角增大.头型概念设计时的拓扑简化车体模型可以作为真实复杂车体的气动阻力优化设计模型,但考虑底部结构使得头车参数优化的极差值减小、尾车参数的优化极差值增大.头车阻力优化重点为转向架周边结构,尾车阻力优化对流线型长度参数更加敏感.     

针对高速列车头车外形设计的风洞侧风试验模型选取方法

为了给高速列车风洞侧风试验的模型选取提供更多的参考依据,采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法对不同模型以200km/h速度运行时,在不同侧向风速下的气动力和流场结构进行分析.结果表明:相同侧向风速下,不同的高速列车缩比模型对头车的气动力系数影响不大,可以采用更短编组长度的高速列车模型即1.2车模型(头车+0.2节尾车)代替3车联挂模型对头车的气动特性进行风洞试验研究;考虑到尾车结构对头车末端区域的流场结构和压力分布的影响,高速列车风洞侧风试验中,不建议采用更短编组方式的模型.     

气动噪声相似关系及在风洞试验中的应用

研究以基本气动噪声源(单极子声源、偶极子声源和四极子声源)向远场辐射声功率和物体运动过程中产生的气动噪声与运动速度、物体特征尺寸、距观测点距离和介质特性等的关系,推出了相似运动物体向远场辐射气动声的相互转换关系式,并利用气动声学风洞对高速列车模型产生的远场气动噪声进行测量,据此关系式从低风速测量结果推出了高风速结果,用试验数据进行验证.研究表明,此关系式反映了原型和模型之间在远场辐射气动噪声的相互关系,对模型试验结果分析和向原型的转换具有一定的借鉴作用.