不同运行方式对高速地铁气动效应的影响

为了研究时速140km/h高速地铁列车以不同运行方式在隧道中运行时的气动效应,采用三维、可压、非定常N-S方程的数值计算方法,对地铁列车由明线驶入隧道及站间运行时产生的气动效应进行数值模拟,分析不同运行方式对高速地铁隧道气动效应的影响。研究结果表明:列车站间运行时,车体表面测点压力峰峰值沿车长方向基本不变;而列车由明线驶入隧道时,车体表面测点压力峰峰值从头车向尾车逐渐降低。2种运行方式下的隧道壁面测点压力峰峰值均在中间风井处达到最小值。并且列车由明线驶入隧道时的最大车体表面和隧道壁面压力峰峰值分别为列车站间运行时的1.37倍与1.49倍。不同列车密封指数下,列车由明线驶入隧道时的车内压力变化均大于列车站间运行时的车内压力变化。因此,地铁列车由明线驶入隧道时的空气动力学效应比站间运行时更加不利。     

市域列车与隧道耦合气动效应数值模拟分析

为研究市域列车通过隧道的气动载荷变化规律，利用三维、瞬态可压缩的标准k-ε湍流模型计算了4节编组市域列车通过3种不同断面隧道时的气动效应，并分析了车体表面、隧道壁面及紧急疏散平台的压力时程变化。结果表明：(1)隧道A情况下的列车表面压力峰值为2 600 Pa,隧道壁面压力峰峰值为4 100 Pa;隧道B情况下的列车表面压力峰峰值为2 000 Pa,隧道壁面压力峰峰值为3 300 Pa;隧道C情况下的列车表面压力峰峰值为3 700 Pa,隧道壁面压力峰峰值为5 500 Pa; 3种不同断面各隧道条件下，紧急疏散平台处压力变化规律与隧道壁面压力变化规律基本一致。由此可见，隧道阻塞比越大，隧道内压力波变化越剧烈。(2)隧道A测点x(线路纵向)方向气流速度变化峰值为17 m/s,隧道B测点x方向气流速度变化峰值为32 m/s,隧道C内疏散平台测点x方向上的气流速度变化幅值最大，约为40 m/s,隧道A、B、C内疏散平台测点在y(线路横向)和z(线路竖向)方向上的速度变化不大。     

车体侧滚对列车气动性能和运行稳定性的影响

为探明横风作用下车体侧滚对列车气动性能和运行稳定性的影响,采用三维、定常、不可压缩雷诺时均方程和k-ε双方程湍流模型,对CRH5G动车组进行仿真计算。研究结果表明:当侧滚角从0°增加到2.5°时,车底部迎风侧负压减小,绝对值最大相差532 Pa,车顶迎风侧负压增大,绝对值最大相差579 Pa,车底压力变化的区域更大,车顶和车底背风侧的压力变化都不大;头车后部车底负压减小,绝对值最大相差470 Pa;气动力方面,列车升力增大,头车升力变化最为明显,从0.15 k N增加到16.6 k N;头车的点头力矩提升了20%,尾车的点头力矩下降了7%;进一步的车辆动力学仿真计算结果表明:车体侧滚引起的气动载荷变化对列车脱轨系数、倾覆系数的影响很小。因而在研究横风作用下的列车运行稳定性时,一般可不考虑车体侧滚对气动性能的影响。     

时速350km动车组过隧道气动效应分析

采用数值模拟计算的方法,对时速350 km动车组通过70 m2单线隧道和100 m2双线隧道的压力变化进行研究.研究结果表明:单列车通过单、双线隧道时,除曲率变化较大的头、尾部位置不同测点压力变化差别较大外,列车中部不同位置测点压力变化基本相同,隧道入口前20 m,隧道壁面压力变化幅值随测点距隧道口距离的增加而迅速增大,20 m后增加变缓,在200 m左右达到最大;单线隧道内,各截面上压力变化幅值最大相差不超过3％,三维效应不明显,双线隧道内,隧道口处的三维效应比较明显,隧道中部三维效应减弱,在隧道入口6 m和隧道中部250 m位置,不同测点压力变化幅值最大分别相差82.8％和11.3％.     

线间距对交会压力波的影响研究

基于三维、非定常雷诺时均N-S方程和标准k-ε双方程湍流模型,采用滑移网格技术,对高速列车明线交会及隧道内交会时的空气流场进行数值模拟。研究不同线间距对高速列车交会压力波的影响。研究结果表明:明线交会压力波幅值随线间距的减小而增大,线间距从4.6 m变为4.4 m时,交会压力波幅值增大约8.3%;线间距从4.4 m变为4.2 m时,交会压力波幅值增大约8.5%;隧道交会压力波头波幅值随线间距的减小而增大,对非交会时段隧道压力波影响不大,线间距从4.6m变为4.4 m时,车体表面测点交会压力波头波幅值增大5.7%;线间距从4.4 m变为4.2 m时,交会压力波头波幅值增大5.8%;隧道壁面测点压力波幅值增加约2%,且隧道内2车交会,靠近交会位置的测点压力变化要远大于远离交会位置的测点。     

城际列车越站瞬变压力数值仿真研究

采用三维非定常、黏性、可压缩N-S方程和RNGk-ε双方程湍流模型,基于滑移网格技术,对8节编组的城际列车以160km/h速度通过地下越行车站的空气动力学性能进行模拟,分析列车速度和流线型长度对其瞬变压力的影响。研究结果表明:数值计算得到的车体和隧道表面测点的压力变化曲线与动模型试验的结果吻合较好。车站内部结构多变不对称,列车表面左右对称测点压差不明显,屏蔽门与其对面车站内壁对称测点的压差主要发生在头车通过时,屏蔽门上压力幅值比对面车站内壁大54.32%;屏蔽门表面压力变化幅值沿高度和纵向逐渐减小;流线型长度由1.5 m增加到5.5 m时,列车表面压力最大减小了10.52%,屏蔽门入口段压力变化幅值最大减小了14.06%。     

基于最优拉丁超立方设计的高速列车流线型头型减阻优化研究

为研究流线型头型对高速列车气动阻力性能的影响特性,利用B-Spline曲面建立高速列车流线型头型三维参数化模型,并提取5个头型设计变量。在此基础上,结合最优拉丁超立方设计和计算流体力学方法,研究高速列车流线型头型控制型线对高速列车气动阻力的影响特性,确定出关键控制型线。计算结果表明:随着流线型头型控制型线的变化,高速列车气动阻力发生明显改变,变化范围为3 183～3 509 N,相对变化量约为10.2%。最优设计点头型下的气动阻力较原始头型降低3.5%。对高速列车气动阻力影响最为显著的控制型线为纵向对称线,其次是车底最大轮廓线和水平最大轮廓线,而鼻尖高度控制线和中部辅助控制线对高速列车气动阻力的影响相对较小。     

列车空气动力性能与流线型头部外形

采用数值计算、动模型试验、风洞试验、实车试验和理论分析等方法,研究列车流线型头部长度、宽度、高度及耦合外形对列车交会压力波、空气阻力和升力的影响,得到一系列理论关系式。研究结果表明:①增加列车流线型头部长度,可以有效地改善列车空气动力性能,列车交会压力波随流线型头部长度增加而呈对数减小,头车阻力、升力绝对值均随流线型头部长度的增加呈线性减小,尾车阻力与流线型头部长度呈二次幂减小;②流线型头部纵向对称面最大控制型线从外凸到内凹,列车空气阻力、空气升力和交会压力波基本不变,减小鼻尖部位过渡曲线的曲率半径可以有效降低列车交会压力波;③流线型头部俯视最大控制型线为方形时产生的交会压力波最小,尖梭形的头车空气阻力和升力绝对值较小;④减小列车空气阻力和降低列车交会压力波,既矛盾又统一,列车气动头部外形设计需要综合考虑各种因素。     

基于流固耦合的隧道压力下车体变形对车内压力的影响分析

当高速列车通过隧道时,隧道压力波通过车体变形、密封缝隙和换气风道引起车内压力变化,造成乘客不适。为探明由车体结构变形这单一因素引起的车内压力波动情况,构建了完全密封的车体结构和车厢结构模型,基于STAR-CCM+/Co-Simulations模块,仿真计算了高速列车以350 km/h的速度通过隧道时车体结构的振动位移情况、车内压力变化和车内压力变化率,并与气体状态方程理论数值模拟计算对比。结果表明,车门的振动位移最大;基于流固耦合理论和理想气体状态方程的2种数值模拟方法的结果误差为16.8%,相互验证了计算结果的可靠性;车内压力与车体内的容积成反比,车内最大负压为195.3 Pa,车内压力3 s变化率小于203.1 Pa/(3 s),车内压力1 s变化率小于149.6 Pa/s,满足舒适性要求,为建立多因素耦合作用下的车体模型研究提供帮助。     

CRH2型动车组列车交会空气压力波试验分析

阐述胶济线CRH2型动车组列车交会空气压力波实车测试情况,对测试结果进行详细分析,并将实车试验结果与数值模拟计算结果进行比较.研究结果表明:250 km/ h等速交会情况下,实车试验测得的车体表面交会压力波最大幅值为1 195 Pa,在铁路线间距为4.4 m的条件下不会对列车运行安全产生影响;车厢内最大压力变化幅值为19 Pa,仅为车体表面压力变化幅值的1.6%,车厢内产生的压力变化幅值不会对乘客舒适性产生影响;在4.4 m线间距情况下,被测试的CHR2型动车组上的交会压力波幅值近似与同型号等速交会动车组运行速度的平方成正比;数值计算与实车试验得到的规律基本吻合,计算与试验结果相差5.15%,数值计算结果可信.     

桥隧过渡段轨温与钢轨纵向位移的映射关系

研究目的:桥隧过渡段处钢轨在梯度温度力作用下将发生纵向爬行,影响无缝线路稳定性。本文以轨温过渡区钢轨为研究对象,建立钢轨位移微分方程,推导轨温分布与钢轨纵向位移的映射关系,从而揭示影响无砟轨道钢轨爬行的规律。研究结论:(1)考虑扣件阻力非线性的钢轨纵向位移量和变形范围均远大于线性阻力模型;对钢轨最大位移量而言,轨温非线性分布相较于线性分布高出5.3%～38.6%,建议同时考虑轨温和纵向阻力非线性以准确获得过渡段钢轨爬行位移;(2)轨温差一定时,随着最大温度力梯度倍数k从1.5变化至3.5,轨温过渡区长度为10 m时,钢轨最大纵向位移增加了7%,而过渡区长度为40 m和50 m时分别增加了26.7%和32.8%,因此对于轨温差大、轨温过渡区长的过渡段,更应关注轨温非线性分布;(3)扣件极限阻力增大将使钢轨爬行量显著降低,但影响程度有限,极限阻力从6.5 kN/(m·轨)增加至12 kN/(m·轨),钢轨位移量下降40.8%～49.2%,而从24 kN/(m·轨)增加至30 kN/(m·轨),仅下降12.8%～24.4%;(4)推导的解析表达式能够准确描述各参数与钢轨纵向位移的映射关系,对于进一步研究过渡段钢轨受力特性以及改善无缝线路稳定性具有参考价值。     

受电弓下沉对高速列车气动阻力的影响

采用计算流体力学方法对受电弓下沉的安装方式进行数值模拟,分析受电弓安装平台不同高度下沉和不同轮廓外形对高速列车气动阻力特性的影响。研究结果表明:受电弓适当下沉后,受电弓下部底座、绝缘子迎风面正压降低,背风面负压减小,使得受电弓前后压力差减小,受电弓的气动阻力降低;当下沉高度为450 mm时,受电弓气动阻力减小52.92%,整车阻力也下降6.19%;受电弓安装平台的轮廓外形细微地改变了受电弓下部的压力分布,进而影响受电弓的气动阻力;不同轮廓外形下,受电弓的气动阻力最大相差为20.78%,整车阻力相差1.68%,综合来看,矩形安装平台的减阻效果最为显著。     

横通道对缓解隧道瞬变压力的研究

利用三维、可压缩、非定常的N-S方程和k-ε双方程湍流模型,采用有限体积法对两单线隧道之间的横通道缓解隧道内瞬变压力的影响进行了数值模拟,得到了当高速列车通过有无横通道的隧道时隧道壁面及车体表面测点的瞬变压力时间历程及其变化幅值。计算结果表明:(1)设置横通道可以有效缓解高速列车通过隧道时引起的瞬变压力;对于靠近横通道位置处的隧道壁面测点,横通道的设置可以使其压力变化幅值降低37%左右,同时可使车体表面测点的瞬变压力幅值降低30%多;(2)相同截面面积、不同截面形状的横通道,缓解效果基本相同;(3)针对参数确定的隧道,存在最佳横通道截面积值,使其缓解隧道内瞬变压力的效果最佳。     

基于NURBS理论的列车曲面优化方法

在CATIA软件环境中应用NURBS理论完成对CRH1A型动车组三维曲面的建模,使用ICEM CFD软件生成网格,再使用FLUENT软件对其外部流场进行数值计算,分析CRH1A型动车组气动特性后,发现其驾驶室由于曲率过大等因素引起的阻力大、尾流紊乱程度大等问题,因此采用传统的建模方法重新设计列车流线型外形并进行相应的气动特性计算与分析。对照后得出两者的空气阻力头尾车受到的空气阻力所占比例最大,整列列车空气总阻力主要表现为空气压差阻力,重新设计后的列车空气阻力相比CRH1A减小了12.16%。最后比较分析了两种建模方法各自的优缺点,并且提出了根据模型曲面复杂程度选择建模方法的一般性原则。     

列车车窗玻璃承受静载能力仿真分析与试验测试

文章针对恶劣风区车窗玻璃破损严重这一影响安全行车的工程实际问题,对列车车窗玻璃的承载能力进行相关研究。首先利用有限元法建立车窗玻璃有限元模型,分析在不同压力载荷下,车窗玻璃不同位置的挠度变化以及应力分布;通过研建试验装置,对车窗玻璃承受均布压力载荷的能力进行测试,通过试验测试得到侧窗玻璃所能承受的极限载荷;数值分析结果表明车窗玻璃中心点的挠度最大,当均载压力为30 k Pa时,中心挠度最大为30.5 mm,并且在约束边缘中心处出现应力集中现象;试验测试结果表明:承受较大静载情况下中心点挠度值与均布载荷之间存在线性相关性,中心线各测点的挠度变化呈现二次抛物线状,5 mm厚度单层车窗玻璃所能承受的最大均布准静载荷为29.5 k Pa。     

现代有轨电车路基沉降与动应力测试研究

为研究现代有轨电车在实际运营过程中的路基工后沉降和路基结构层动力响应规律,分别采用静力水准仪和土压力盒监测路基不同位置沉降与动应力。沉降监测结果表明:路基工后沉降在施工完成30 d后已趋于稳定,最大工后沉降量为2.27 mm,能满足埋入式无砟轨道结构长期运营的要求。分别以不同速度进行行车测试,测试动应力结果表明:靠近轨道结构部分路基结构层动应力最大约10.5 k Pa,线路路肩位置和线路中心位置动应力均较小,约为2 k Pa,各个测点动应力变化受列车行车速度影响较小,受路基结构位置变化影响较大,但变化范围主要集中在基床结构层。     

列车风引起的张弦梁雨棚振动分析

研究目的:大跨度张弦梁结构形式简洁,受力合理,建筑造型优美,但具有柔度较大、重量轻的特点,属于风敏感结构。列车高速过站时,列车风压力可能对建筑物的局部产生较为强烈的作用,使下弦张拉弦索刚度退化,改变结构的受力性能或引起结构共振,对结构产生不利的影响。本文以京沪高速铁路济南西客站无站台柱张弦梁雨棚为例,分析列车高速通过引起无站台柱雨棚上的列车风压力和变化规律以及对雨棚结构的影响,为设计提供依据。研究结论:通过研究可以得出如下结论:(1)列车风压力沿高度方向衰减较快,沿宽度方向近似线性变化;(2)列车风压力引起的张弦梁的Z、Y的位移及钢梁及索的应力变化幅度均较小;(3)列车风压力引起的雨棚结构的风致振动频率与结构自振频率相差较大,不会引起共振;(4)本研究成果对大跨度雨棚等站场设施的设计可提供指导。     

隧道内高速列车交会时车体两侧压差波动特性数值模拟研究

列车交会时车体两侧压差影响列车运行稳定性、可靠性和舒适度。基于三维、非定常、可压缩流动的雷诺平均N-S方程和SSTk-ω两方程湍流流动模型,采用重叠网格技术,模拟高速列车在隧道中央等速交会,研究了速度(250km/h、350km/h和400km/h)、线间距(4.6m、4.8m和5.0m)对车体两侧压差波动特性的影响。研究结果表明:车体两侧压差时间历程曲线形状相似于明线交会压力波时间历程曲线形状,在通过列车的车头和车尾经过测点时,压差值分别产生先正后负和先负后正的脉冲波,而且车尾通过时产生的压差明显比车头经过时低;车体两侧最大正压差值、最大负差值以及压差幅值均与速度平方成正比,400km/h下压差最值平均比350km/h大26%,350km/h下压差最值平均比250km/h大92%;车体两侧最大正压差值、最大负差值以及压差幅值均与线间距成负指数关系,压差最值随着线间距变化的增长百分比基本在9%左右。     

铁路隧道基底脱空条件下的动力响应分析

列车荷载作用是诱发在役隧道基底病害的主要原因。为分析隧道基底脱空条件下对列车荷载的响应问题,以某铁路隧道工程Ⅲ级围岩正常断面为对象,通过现场在隧道铺底顶面埋设压力盒,对铺底混凝土层受力进行测试;在此基础上,通过数值计算,重点分析列车荷载作用下基底不同脱空长度下的基底中心线、轨道处与轨枕端头处的应力分布规律及铺底顶面振动特性。结果表明:在铺底顶面,动压力在轨道、轨枕端头处与基底中心线处分别为80,20 k Pa和60 kPa。经计算模拟,基底存在40 cm与80 cm宽脱空区时,在轨枕端头处、轨道处及中心线处应力规律基本一致,在脱空区处应力出现先减小再增加现象,且轨道处突变最大,脱空区侧壁处存在应力集中现象,脱空区影响深度范围约2 m。80 cm宽脱空区在数值上与40 cm宽脱空区相比,基底动应力、铺底顶面加速度与振动位移的最大增幅分别为50%、30%和3%。     

高速列车尾车垂向偏置对列车气动性能影响

在长期的高速列车运营过程中,极易形成前后车辆的不同形式偏置,造成列车气动性能改变,甚至可能引发行车平稳性问题,极大影响乘坐舒适性和安全性。以高速列车尾车作为研究对象,探究尾车上下偏置时,高速列车尾部流场变化以及气动特性。基于SST k-ω双方程湍流模型,采用数值仿真方法研究了350 km/h高速列车尾车无偏置、尾车下降20 mm、尾车下降40 mm、尾车下降60 mm、尾车上升20 mm、尾车上升40 mm以及尾车上升60 mm 7种工况下列车的气动性能,分析高速列车气动阻力的变化规律,揭示了不同垂向位移下高速列车尾部流场特性以及列车表面压力分布情况。研究结果表明：高速列车尾部垂向位移对列车整体气动阻力影响较小,但对高速列车气动阻力分布以及流场特性造成一定影响。当尾车偏置位移达到60 mm时,列车车体气动阻力相对于无偏置工况分别降低了-1.11%和2.64%,转向架气动阻力相对无偏置情况下分别降低了11.35%和-17.43%。此外,尾车偏置对列车近尾流区域流场结构有一定影响,尾车鼻锥下方排障器周围漩涡结构由双漩涡结构向单漩涡结构转变;鼻尖处漩涡结构随着尾车高度下降而增大,随着尾车高度...