基于大涡模拟的高速列车横风运行安全性研究

结合高速列车空气动力学和多体系统动力学,研究横风对高速列车运行安全性的影响.首先采用大涡模拟计算方法,研究了不同横风风速下高速列车非定常气动载荷的时域及频域特性,列车周围流场结构及相应的非定常流场特性.然后建立高速列车多体系统动力学模型,将得到的气动力作为外加载荷作用于列车上,研究了不同横风风速下定常气动力和非定常气动力对直线上高速列车运行安全性的影响特性,计算结果表明,与定常气动力相比,作用于车身上的非定常气动力使列车的振动加剧.最后参照高速列车的安全运行标准,对高速列车的安全运行进行分析,为横风下高速列车的安全运行提供参考.     

CRH3G动车组横风运行安全性分析

良好的横风运行安全性是实现高速动车组速度能力提升的有效手段.现搭建了基于空气动力学和车辆系统动力学的高速列车车辆横风运行安全性耦合计算模型,根据动车组在不同车速(150～300 km/h)和风速(10～35 m/s)下的气动力和气动力矩计算结果,分析了不同气动载荷对动车组动力学性能的影响.在此基础上,提出了CRH3G动车组的横风运行安全速度域.     

路堤上运行的高速列车在侧风下的流场结构及气动性能

强侧风产生的气动力时高速列车的运行安全性有显著的影响。基于三维、定常、不可压N-S方程以及k-ε双方程湍流模型,采用有限体积法,对侧风作用下路堤上运行的高速列车进行数值模拟计算,所模拟的列车时速达350 km。通过分析侧风条件下列车周围的流场结构,得到了风速、车速与气动力之间的变化关系。研究结果表明,尽管所计算的列车外表几何形状简单,但其流场仍然非常复杂,列车背风侧将产生数个漩涡,漩涡的位置随车速、风速发生变化。车辆气动力随风速、车速的增加而逐渐增大。头车所受倾覆力矩最大,且其增长率也最大。     

加筋土式挡风墙优化研究

研究目的:使车辆受到的气动力减小及挡风墙建设施工具有良好的经济性。研究方法:采用二维粘性不可压缩雷诺平均应力方程,在横风风速为35．1 m／s时,路堤高度、挡风墙高度、设置位置不同条件下,对加筋土式挡风墙背风侧车辆的气动力进行数值模拟计算。研究结果:确定了挡风墙最佳高度和最佳设置位置随路堤高度的变化规律。研究结论:随着路堤高度的增大,挡风墙最佳高度不断的减小,但减小的幅度越来越小,而挡风墙的最佳设置位置变化幅度较小,基本在3．4～3．5之间。     

横风环境中复线路堤上高速列车的气动性能

建立了横风环境中高速列车运行于复线路堤上的三维空气动力学模型,开展了路堤高度和列车在复线路堤上的位置对高速列车气动性能影响的数值计算与对比分析。结果表明,路堤上列车周围的气流流速大于平地上的气流流速,导致路堤上列车气动性能较平地上恶劣;路堤高度和横风速度对高速列车在下风线上和上风线上气动性能的差异有重要影响;列车在下风线上运行比在上风线上运行更容易发生倾覆。     

风雨联合作用下高速列车受力数值模拟

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、横风风速和车速下高速运动车辆周围的流场进行研究。研究结果表明:在横风作用下,下落的雨滴与高速运行的列车发生碰撞,雨滴飞溅、改变了车身表面的粗糙度和不平整性,导致车辆运行横向力、升力和倾覆力矩均随着车速、风速和降雨强度的增大逐渐变大;伴随着降雨过程的强横风作用,车辆所受的气动载荷与强横风的单独作用情况下相比稍微增加。     

风沙环境下路堤上列车的气动性能分析

利用CFD软件研究风沙环境下列车在路堤上运行的横风气动性能,计算分析了列车横风气动力与沙尘浓度和横风速度之间的关系。计算结果表明,随着风沙环境强度的提高,车体表面的正压区及负压区增大,且列车的气动性能变差;随着沙尘浓度的增加,侧力增幅最大;在同一沙尘浓度环境下,随着横风速度的增加,列车气动力变化剧烈,且与对应的不同强度风沙环境下列车气动力的变化趋势相似。风沙环境下列车气动性能对横风更为敏感,而沙尘仅加剧了列车气动力值的增幅,增加了列车的运行危险性。     

风沙环境下高速列车气动特性分析

基于SST k-ω湍流模型和Euler-Lagrange离散相模型，建立了风沙环境下高速列车空气动力学计算模型，研究了不同沙粒浓度、不同风速及不同车速条件下的列车空气动力学性能。计算结果表明：风沙环境下，列车头车迎风侧主要受正压力影响，背风侧主要受负压力影响，最大正压力区域由鼻尖逐渐向迎风侧偏移；由于横风的影响，随着沙粒浓度的增强，头车迎风侧沙粒质量浓度增大，背风侧沙粒质量浓度变化较小；对于固定的车速和风速，头车气动力系数随沙粒浓度的增强而增大，且与沙粒浓度近似呈线性关系；沙粒浓度固定时，头车气动力系数随风速的增大而增大，随着车速的提升，头车气动力系数反而下降；风沙环境下，头车侧力系数、头车侧滚力矩系数可近似拟合为沙粒浓度、侧偏角及合成风速的二次多项式；头车升力系数可近似拟合为沙粒浓度、侧偏角及合成风速的三次多项式。     

横风条件下跨座式单轨车辆曲线通过稳定性研究

研究了不同横风风速下,列车在通过曲线道路时空气动力性能并进行仿真分析。根据计算得到的数据,分析了不同横风速度时相应的车体纵、横向气动力变化和列车的倾覆系数。参照有关高速列车曲线通过稳定性评定标准,给出了9级横风风速下单轨列车安全运行的速度限值,为今后单轨列车在横风作用下的运行安全性提供一定的依据。     

强侧风环境下CRH1型高速列车气动性能研究

基于三维、定常、不可压缩N-S方程及k-ε双方程湍流模型,采用数值模拟计算方法分别对高速列车CRH1在不同侧风风速、不同风向角工况下的气动性能进行模拟。研究结果表明：对于不同横风风速,车辆的横向力、升力及倾覆力矩均随着横风风速的增大而增大,但其对应的气动力系数基本保持不变;对于不同风向角,车辆的横向力、升力及倾覆力矩均随着风向角的增大而增大,风向角为75°时,气动力增长率变缓,对应的气动力系数变化与之一致。     

兰新铁路现有土堤式挡风墙局部加高优化

随着兰新线上通过列车速度的提高,现有土堤式防风墙的防护效果亟需改善,考虑在原有挡风墙顶部进行局部加高改造。基于三维定常、不可压N-S方程与κ-ε双方程湍流模型,采用棚车为代表车型,在横风风速为50 m/s时,分别对不同加高高度的对称和非对称土堤式挡风墙条件下运行速度为120 km/h的货物列车所受气动力进行了数值模拟,以车辆倾覆力矩为考核指标分析挡风墙加高高度对棚车气动性能的影响。研究结果表明,在现有土堤式挡风墙顶部局部加高能有效地提高其对列车的防风作用;其对称土堤式挡风墙合理加高高度为0.28 m,迎风侧高度1 m和2 m的非对称土堤式挡风墙合理加高高度分别为0.62和0.49 m。结果为工程实际应用提供了理论依据。     

横风作用下高速列车安全运行速度限值的研究

横风作用下的列车安全运行速度限值应通过列车气动特性和车辆轨道动力学特性的分析得到。以我国CRH3型高速列车实车为原型,考虑真实受电弓、转向架等列车的细部特征,假定列车在平地上行驶,对列车速度分别为200、250、300、350和380km/h,横风速度分别为10、15、20、25和30m/s,风向角为90°的25个工况进行气动特性的数值模拟,并采用国内实测轨道谱和德国轨道谱分别对这25个工况的车辆轨道动力学性能进行仿真计算和对比分析。结合国家标准和技术规范,给出CRH3型列车在平地上运行时,横风风速与列车最大安全运行速度之间的对应关系,为横风作用下的列车运行安全控制提供参考。     

列车编成辆数对高速列车横风气动特性影响的数值分析

对3～8辆编组列车以350km· h-1速度运行时,不同速度横风作用下的气动特性进行仿真研究,并建立列车的阻力系数与列车编组辆数之间的无量纲关系.研究结果表明:对3辆车编组列车的气动特性分析不能取代对其他编成辆数列车的几动特性分析;不同编成辆数列车阻力系数随着横风风速的增加而增大,3辆车编组列车的阻力系数不超过8辆车编组的列车的一半;列车的侧向力系数和倾覆力矩系数随着列车编成辆数的增加而减小;列车编成辆数对头车的阻力系数、升力系数、侧向力系数和倾覆力矩系数影响较小,但是对尾车的影响较大;头车的侧向力系数和倾覆力矩系数明显高于尾车和中间车,尾车的倾覆力矩系数最大值不超过0.4,而头车的最大可达0.7;由于头车的气动安全性比其他位置车辆的低,用头车的气动安全性评估整个列车的气动安全性会偏于保守,但合理、可行.     

叶片式导风屏障挡风性能优化研究

本文以某钢桁梁斜拉桥为原型,采用数值模拟方法研究一种叶片式导风屏障对横风环境下列车周围流场、列车气动性能、桥梁气动性能的影响.结果表明:(1)叶片式导风屏障改变了桥梁内部的风场环境,减小了列车周围风速,风速最少减小20％;(2)高度为3 m时,列车周围的风速最低,列车三分力系数最优;(3)透风率为20％～25％时,列车...     

空气动力制动风翼在车上布置数值仿真研究

采用流体仿真分析软件FLUENT研究制动风翼尾迹的影响范围及制动风翼纵向间距对制动效果的影响,同时分析制动风翼不同横向间距对制动阻力影响的规律.结果表明:2幅制动风翼的纵向间距越大.列车前部制动风翼对后部制动风翼的尾迹影响越小,当2幅制动风翼的纵向间距超过2节车厢长度时,这种影响完全消失;在制动风翼面积相同的条件下,增大每幅2片制动风翼的横向间距,能够提高风翼的单位面积制动阻力;由制动风翼产生的制动瞬时减速度随制动初速度的增加而增加,在紧急制动初速度为500km>h-1时由制动风翼产生的制动合阻力约为160kN.此时的制动瞬时减速度约为0.33m.s-1,可知,列车高速运行时由空气动力制动产生的制动阻力对高速列车制动贡献很大,空气动力制动在高速时具有优良制动性能.     

基于凸包非光滑表面的高速列车减阻技术

为减少高速列车在运行中的空气阻力,提高列车运行效率、节约能耗,提出凸包非光滑表面减阻技术应用于高速列车领域。文中以CRH3型高速列车为研究对象,通过在车体的头部和尾部加设凸包来控制湍流特性,以达到减阻效果。首先利用PRO/Engineer建立非光滑表面CRH3型头车+中间车+尾车的简化模型,将模型导入ICEM CFD软件并根据计算精度的需要划分不同网格区域,得到较高质量的非结构网格,再应用FLUENT软件中的k-ε湍流模型对稳态运行速度为300 km/h时的列车进行模拟仿真,计算列车空气阻力,对比分析凸包的阵列距离、半径和高度对减阻性能的影响。并从头车、尾部的压力图和附近速度矢量图两方面来反映凸包非光滑表面对高速列车压差阻力的影响;从湍流动能和湍流强度角度解释凸包非光滑表面对高速列车黏性阻力变化的作用。仿真结果表明:列车的气动阻力随凸包阵列距离的增大而减小、随凸包半径的减小而减小、随凸包高度的减小而先减小后又增大;当凸包半径为40 mm,阵列距离为460 mm,凸包高度为10 mm时,列车具有最好的减阻效果;相对于光滑表面列车,在头车加设凸包而尾车不加设时,头车阻力可小至1239 N,头车减阻率为10.67%,总阻力为3591 N,总减阻率为3.80%。可见,通过在头车加设凸包可以改变边界层湍流特性达到减小列车气动阻力的效果。期望文中的研究为高速列车后期减阻方法研究提供一定的参考。     

高速列车过隧道时对接触网安全性的影响分析

为研究高速列车过隧道时对接触网系统安全性的影响,采用数值模拟的方法,利用滑移网格技术,对不同编组的高速列车以350 km/h的速度分别通过单线隧道和双线隧道的过程进行仿真,通过监测吊柱位置处的气流速度和气体压力,得到隧道内活塞风特性;基于气动特性仿真结果,对接触线风振响应进行模拟仿真,得到隧道内接触线位移偏量范围。结果表明,列车编组越多,隧道断面越小,列车车速越大,形成的列车风速度越大,气动特性越显著;列车进入隧道入口瞬间,接触线有最大正向位移偏量为2.92 mm。