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.     

高速列车底部导流板的气动减阻特性研究

为改善列车底部流场结构，进一步减低高速列车的气动阻力，基于底部导流的思想，设计了一种列车底部转向架舱前后位置布置、截面为三角形的导流板并开展其气动减阻特性研究.以300 km/h的速度明线运行的三车编组CRH380B型高速列车为研究对象，采用Realizable k-ε湍流模型，对4种典型的导流板安装位置进行探讨，并选择减阻效果最好的导流板安装位置，分别探究了5种角度和5种高度的不同组合下的导流板减阻特性差异，对比了安装导流板前后车体、转向架以及转向架舱上的阻力变化情况、压力分布变化情况以及转向架区域的流场结构变化情况.结果表明：仅在各转向架舱前双向开行的来流方向安装导流板时的减阻效果最佳；安装导流板后，车体、转向架舱上的气动阻力虽有所增加，但转向架上的阻力明显减少，转向架区域流速降低，前后压差减小，底部流场显著改善.同时发现，15°、100 mm组合的导流板减阻效果最佳，三车减阻率达7.08%.数值仿真证明了底部导流板能有效减小列车运行阻力.     

400 km/h高速列车转向架底板的阻力影响数值模拟研究

采用数值仿真方法研究明线运行400 km/h高速列车转向架底板包覆结构的气动阻力影响规律,揭示不同包覆形式及安装高度、缝隙间距这两类关键构型参数的阻力影响特性及流动结构的作用特征。研究结果表明：全封一体式及分体式底板包覆方案对整体均有明显的减阻效果,最优减阻率达9.76%,以头车转向架区域为主要减阻部件,但中间车阻力有所增加,且头车包覆越完整,中间车阻力增加越明显;在不同安装高度下,底板减阻效果呈非单调变化,头车底板适当下移有利于提高整车减阻效果,其原因主要是降低了中间车的转向架阻力;当底板缝隙间距维持在一定范围内时,整车减阻效果变化不大,继续增大缝隙会导致减阻效果变差,因为过大的缝隙将显著增强气流对转向架及舱体的冲击,导致整车减阻效果降低。     

基于正交试验法的厢式货车气动减阻优化

为了优化某厢式货车的气动阻力系数,设计了驾驶室前部仿生减阻结构、顶部和侧部涡流发生器、底部涡流发生器等3种气动减阻装置。研究了3种单一气动减阻装置主要相关参数对气动阻力的影响,分别从货车外流场的速度轨迹、压力分布和湍动能分布等3方面详细分析了各单一气动减阻装置的减阻效果。在此基础上采用正交试验法对3种气动减阻装置的主要参数进行优化,获得最优减阻货车模型。研究表明:驾驶室前部突出部分的长度对货车整车气动阻力系数的影响比倾角更大;最优货车头部形状的倾角和长度分别为135°和300 mm,该模型的气动阻力系数为0.721 4,相对于货车原始模型的减阻率为8.93%;涡流发生器的高度和位置对货车的减阻效果均有较大的影响;涡流发生器可以增加货车尾部分离区流场的能量,使得尾涡区减小,气动压差阻力减小;3种气动减阻装置对货车气动阻力系数的影响大小依次为:底部涡流发生器、货车前部仿生减阻结构、顶部和侧部涡流发生器,其最优厢式货车模型的空气阻力系数为0.683 3,其复合减阻装置的最佳减阻率为13.8%。     

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-s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高时列车整车所受升力提高9.64%,而入口位置较低的导流结构对整车升力无明显影响.本文可为高速列车减阻研究提供设计思路与理论依据.     

高速列车气动效应研究

基于由3节车组成的CRH3和CRH-380型高速列车模型,在不同速度条件下,研究车轮旋转对高速列车及各部分气动阻力和升力的影响,以及车厢间风挡形式对各车厢和车厢连接处气动性能的影响。结果表明,车轮旋转的诱导效应对高速列车模型的全车及各部分气动阻力影响较小,对尾车、各转向架气动升力的影响较大。车厢间风挡形式对车厢的压差阻力和粘性阻力影响不大。相比于侧风挡,上下风挡对升力影响更大。建立适用于高速列车的二维模型的雨载荷计算方法。在降雨和无雨条件下,模型所受横向力、升力和翻滚力矩均随横风风速的增大而增大。相比于无雨条件,降雨时模型所受的总横向力和翻滚力矩明显增大,且随降雨强度的增大相应增大。升力在降雨和无雨时变化不大,且随降雨强度的增大总升力略有下降。采用非定常数值模拟方法系统研究了复杂外形高速列车的底部流动特性,并针对列车转向架中的旋转结构对于底部流动特性的影响进行了对比分析。列车底部结构的气动阻力是整车气动阻力的重要组成,列车底部结构的气动载荷对于整车的气动载荷具有重要影响。轮对的旋转效应会对列车气动载荷的非定常特性产生很大影响。基于替代模拟技术和多目标遗传算法进行了高速列车头型多目标有约束气动外形优化设计的研究,首先采用增量叠加参数化方法对高速列车头型进行参数化设计,然后以列车气动阻力和尾车气动升力为优化目标,得到了Pareto最优解集。基于压力波的形成机理和初始压缩波的经验公式,建立了压力波的"波叠加"的解析分析方法。研究表明一维流动模型和波叠加法能够快速得出多参数下的压力波的平均特性和最不利隧道长度等。三维流动模型能够得到细致的压力波形成机理和列车外部压力的三维特征。波叠加法可作为校验数值方法的一种理论方法和快速进行大量不同列车与隧道参数的比较性研究工具。     

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.     

开口式风洞高速列车头车气动实验模型选取方法

合理的风洞高速列车实验模型对其气动评估和研究十分重要。采用计算流体力学方法,以开口式风洞和高速列车头车为对象,研究风洞实验头车最短尾部模型和合理缩比模型的选取方法。结果表明：无侧风时头车阻力系数随着尾部模型缩短而增加,尾部负压前移使得车厢连接处压力降低,头车+0.4L尾部模型的头车阻力与3车编组头车偏差为2.8%,可作为头车气动最短实验模型。头车最大缩比模型选取受风洞边界效应、雷诺数效应和地面效应共同影响,其中雷诺数效应使得摩擦阻力减小,地面效应使压差阻力增大,1:8、1:4缩比模型与1:1模型头车的压差阻力偏差为12.7%和7.2%,压差阻力分别占头车总阻力63.9%、67.2%和72.5%。结果表明,对于开口式风洞选取1:4的头车气动实验模型更为合理。     

仿生球体形态对高速磁浮列车减阻的影响

采用基于SST k-ω双方程的IDDES湍流模型,在高速磁浮列车流线型部位设置不同形态的仿生球体结构,对其减阻性能进行瞬态模拟。研究结果表明：仿生球体结构不仅可以有效降低尾流流速,削弱尾流的整体强度,而且能够约束尾涡的发展,减小尾涡的辐射范围;球体结构减小了尾车流动分离位置处的高速流区面积,并有效延缓了湍流的猝发性,使得湍流强度降低,边界层厚度变窄;仿生球体结构对列车风产生一种吸附作用,使得高速区被集中在距离尾车鼻尖更近的部位,尾流的流速波动变小;球体形态差异对流场结构的影响较大,与凸包形态的球体结构相比,凹坑形态的球体结构对尾流强度的削弱作用更显著,对流动分离位置边界层的作用效果更好,对列车风的吸附能力更强;凸包形态和凹坑形态的仿生球体结构可分别减小7.64%和14.58%的尾车气动阻力,但会分别增大2.33%和1.16%的头车气动阻力。     

减载式声屏障对高速列车气动阻力影响分析

针对采用声屏障时,高速列车运行过程中表面气动阻力较大的问题,提出利用减载式声屏障降低列车运行过程中受到的气动阻力.采用数值模拟方法,对采用不同孔隙率声屏障时高速列车运行过程中表面的气动阻力及其影响因素进行研究.利用Gambit软件建立了声屏障与高速列车相对运动计算模型;在声屏障孔隙率不同时,采用Fluent软件对350 km/h速度行驶的高速列车表面压强分布和气动阻力进行了数值模拟与分析研究.研究结果表明:与普通声屏障相比,随着减载式声屏障孔隙率的增加,列车头车高压区和尾车低压区的面积减小,列车行驶的压差阻力降低,而摩擦阻力变化不大;减载式声屏障具有一定的节能效果,并且随着减载式声屏障孔隙率的增大,节能效果更加明显.     

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.     

基于有限元-无限元法的列车声辐射

基于有限元-无限元理论,建立某型车辆的有限元模型,并对车辆近场监测点、远程监测面及无限元边界面进行设置,利用直接频响方法对头车、中间车及尾车的关键区域在不同频率下的声场特性进行分析。计算结果表面：头车和尾车区域在低频区段时车体顶部平滑区域的声辐射较小,在车体鼻尖及其下方的转向架区域的声压级较大,其中尾车后方区域内的相比头车的声压级水平和声辐射范围偏大,存在明显的流场影响,但在高频区段时其整体声压级均匀且水平较低。中间车区域在低频区段时受电弓区域的声压级水平很高,尤其在碳滑板和底架处尤为明显,其次在转向架区域的声辐射能力也较大,随着频率的提升,其能量也有显著的衰减。研究结果对高速列车的气动声学设计具有一定的参考价值。     

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.     

高速列车外流场气动噪声的特性研究

针对高速列车外流场气动噪声完成了在线实验测试研究,对列车模型进行了简化并确定了合理性;进行了列车模型湍流流场模拟,完成了列车远场气动噪声的预测研究.研究表明,合理缩短列车不会改变车身表面声功率分布规律;高速列车气动噪声属于宽频带噪声;在频率范围(0～ 5000Hz)内气动噪声仿真与实验结果吻合较好,说明仿真方法准确度高;列车转向架处湍流最为剧烈,其次为车头鼻锥处;车身表面的气流最为平缓,进一步说明缩短列车模型的合理性.所提出的仿真方法能够为高速列车的结构优化设计提供依据,并能验证高速列车气动噪声控制方法的有效性.     

高速列车不同转向架区噪声特性及主要噪声源分离

以某型高速列车为研究对象,基于线路运行类比测试,对车辆运行时主要噪声源之一的转向架区噪声开展研究。通过对不同转向架区噪声进行类比测试和对比分析,确定了350km·h-1及以下速度等级中间车拖车转向架区的主要噪声源为轮轨噪声,头、尾拖车转向架区主要噪声源为气动噪声,中间车动车转向架区主要噪声源为牵引系统噪声。基于以上的分析结论和一定的假设,对车头、车尾和中间动车转向架区主要噪声源进行了分离特性研究,获取了主要噪声源的频谱和贡献特性。研究结果可为高速列车减振降噪设计提供依据和指导。     

高速列车转向架部位气动噪声数值模拟及降噪研究

基于Lighthill声学理论,采用三维、LES大涡模拟和FW-H声学模型对高速列车转向架部位气动噪声进行数值模拟,并提出降噪改进意见.研究结果表明:转向架部位气动噪声在很宽的频带内存在,无明显的主频率,是一种宽频噪声;各监测点气动噪声频谱在低频时幅值较大,随着频率的升高,幅值下降,1/3倍频程A声压级主要集中在315～1 250 Hz频率范围内;当来流速度一定时,距离气动噪声源越远,声压级幅值和总声压级越小;在列车转向架部位设置裙板后,运行速度为300 km/h时,车外声压级幅值较无裙板时有所减小,平均降幅约为8％,总声压级平均降幅1.3 dBA;适当增加裙板面积后,声压级幅值平均降幅达到12％,总声压级平均降幅2.08dBA,降噪效果较明显.     

典型底部结构对轿车侧风稳定性的影响及作用机理

凹凸底部和光滑底部是进行轿车车身设计与布置时2种典型的设计方案，但底部结构对轿车侧风稳定性的作用机理尚不明确，厘清其影响不仅可为底部结构设计与布置提供参考数据，而且是进行轿车侧风稳定性评价的关键技术问题。通过建立典型底部结构轿车的数值计算模型，分析了不同侧风风速对轿车气动力和气动力矩的影响规律；采用汽车空气动力学与汽车系统动力学耦合方法建立了典型底部结构轿车的侧风稳定性分析与评价模型，研究了底部结构对轿车侧偏运动、横摆运动以及侧滑运动的影响规律及作用机理。研究表明：凹凸底部结构会增加轿车的气动升力、气动俯仰力矩、气动阻力以及气动侧力，加剧轿车的侧偏运动和横摆运动，增加轿车侧滑的风险；路面附着系数越低，凹凸底部结构对轿车侧偏运动和横摆运动的影响越大、对侧滑临界风速的影响越小。