横向紊流风作用下桁架梁上列车气动特性的试验研究

在风洞试验室建立2种大气紊流场,并以某钢桁梁和1列高速列车为例建立1∶29.7的车桥节段模型,进行横向紊流风作用下桁架梁上列车气动特性的试验。采用同步测压法得到静止列车上的气动力分布,研究列车在不同位置、不同风攻角以及不同紊流场下的侧向力系数和气动导纳函数。结果表明:两车交汇时位于迎风侧列车的侧向力系数最大,列车单车位于背风侧时的侧向力系数相对最小,在-3°风攻角时的列车侧向力系数比+3°风攻角时大,紊流场对列车的侧向力系数有一定的影响,高紊流场中的列车侧向力系数相对更大;列车位于迎风侧(单车迎风侧和双车迎风侧)时,其侧向力气动导纳相对较小,而升力气动导纳相对较大;当折减频率小于0.1时,列车侧向力气动导纳在+3°风攻角时最大,升力气动导纳在-3°风攻角时最大;紊流积分尺度越大,列车气动导纳相对越大。在对试验影响因素总结的基础上,提出列车侧向力和升力的气动导纳函数拟合公式。     

风向角对CRH2列车气动特性的影响研究

为研究不同风向角下高速铁路列车气动力特性,分析流线型列车周围流场结构差异对列车气动力影响,以高速铁路典型CRH2列车为研究背景,采用风洞试验和数值模拟相结合的研究手段对不同工况下列车气动力和流场结构进行分析。研究结果表明:测压和测力试验结果具有很好的一致性,数值模拟与风洞试验结果吻合良好,可用来分析风向角对列车气动特性的影响;分析得出头车和中车的风压分布和气动力变化规律显著不同,随着风向角的增大,头车侧力系数和升力系数先增大后减小,在风向角为60°左右达到最大值,中车侧力系数和升力系数一直增大,列车绕流状态具有明显的三维特性,不同风向角下气流绕列车呈不同绕流形式,在小于60°风向角下,列车绕流场主要呈流线型结构绕流特性,而大于60°风向角下,列车绕流场主要表现为钝体绕流特性,两种不同绕流状态导致列车气动力特性差异。     

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。     

基于指数脉冲的气动导纳数值识别方法研究

气动导纳函数是桥梁抖振分析中的重要气动参数,通常利用风洞试验或数值模拟平台生成入口随机紊流风速或单频简谐来流进行识别。本文基于指数脉冲形式简单、频带宽的特点,提出了采用入口指数脉冲风速识别气动导纳的数值模拟方法。选取理想平板为研究对象,采用该方法进行气动导纳识别研究,并与理论Sears函数进行比较。研究结果表明,本文提出的数值识别方法具有可行性,当脉冲宽度大于600/s2、计算时间步长小于0.000 5 s时,可以得到较为准确的结果。     

列车气动性能评估参数研究

列车外形对列车气动性能起决定性作用。以往常采用长度法定义的长细比(长度长细比)来评估不同头部外形气动性能,这种方法在车身横截面积相同的情况下,致使长度相同外形不同的流线型车头具有相同的长细比而无法进行比较。针对这一情况,对不同外形系列的流线型列车开展了风洞实验研究,在此基础上提出了一组新的列车气动性能评估参数-整体长细比和宽细比。整体长细比考虑了车头流线型部分水平面投影形状(水平长细比)和纵向对称面投影形状(纵向长细比)对空气阻力的影响,宽细比则综合了长度长细比和车头流线型部分水平面投影形状对列车交会压力波的影响。研究结果表明该组评估参数能较好地反映出端车流线型外形对列车气动阻力和交会空气压力波幅值的影响。     

风洞地面效应对高速列车空气动力学特性的影响

本文采用数值模拟方法对高速列车模型风洞试验中存在的地面效应问题进行研究。通过风洞试验验证了数值模拟方法的有效性,利用数值模拟比较了移动地面、静止地面和不同离地间隙工况下,1∶8缩比3节编组高速列车模型的气动力以及模型周围流场的变化规律。研究表明:移动地面较之于静止地面使模型气动阻力增加6.3%,升力减小130%;随着离地间隙的增大,高速列车模型阻力逐渐增大,升力也逐渐增大;不同地面工况下,3节车对气动力变化量的贡献有很大差别。鉴于地面效应会严重影响高速列车模型的气动特性,对风洞试验测量结果带来不可忽视的误差,有必要采用合理的试验手段对其进行消除。其中,采用移动地面法可以很好消除地面效应,而采用抬高模型法不能完全消除地面效应的影响。     

倒梯形桁架桥断面气动参数研究

采用计算流体力学(CFD)和风洞试验相结合的方法,对某倒梯形桁架主梁断面二维等效模型和气动导纳函数进行研究。首先依据外轮廓和实面积比不变的原则,建立斜腹杆位置不同的二维模型,识别其静力三分力系数并与风洞试验结果对比,得到二维等效模型。随后基于二维SST k-ω湍流模型和2D LES模拟,对二维等效模型分别进行气动导纳数值识别,识别结果与风洞试验对比研究。结果表明:无论是基于RANS的SST湍流模型还是2D LES模拟,二维等效模型气动导纳识别结果均与Sears函数较为接近,而SST k-ω模型气动仿真结果与风洞试验吻合良好;采用文章所用模型简化和数值识别方法,可对桁梁的气动参数进行有效识别。     

国产磁浮列车外形气动性能分析

基于上海TR08磁浮列车的头部外形,设计了4种国产流线型磁浮列车头部外形。采用大型流场计算软件CFX对5种不同头部外形列车的空气阻力、升力进行计算,并对5种外形的列车交会压力波进行了数值分析。通过对不同外形磁浮列车空气动力性能的分析,提出了国产化磁浮列车气动外形的流线型头部长度取6～7 m,采用单拱,并适当提高纵剖面轮廓线高度的设计原则。     

高速列车流线型转向架与底部导流板的气动减阻效果研究

为适应高速列车进一步提速的更低气动阻力实际需求,针对CR400AF型高速列车动车转向架和带头型简化车体,应用底部流动导向控制思想,采用附加轻质易造型材料包覆原有部件的理念,开展转向架各部件流线型化和车体底部导流板综合减阻效果的验证试验与数值仿真研究。验证试验选择有无导流板的流线型转向架带简化车体模型,在3种试验速度工况下阻力试验值与仿真值误差均少于10%,验证了数值仿真的可靠性,带导流板试验模型较不带导流板试验模型均有减阻。数值仿真研究运用Realizable k-ε湍流模型,采用切割体笛卡尔网格划分技术,并在边界层内采用棱柱层网格,控制第1层网格的厚度,确保y+值能满足壁面函数要求。经稳态明线运行的仿真模拟网格无关性检验后,探究了流线型动车转向架与导流板组合运用的气动减阻特性及效果。对比了流线型动车转向架与安装导流板前后动车转向架、简化车体以及转向架舱上的阻力变化情况和压力分布变化情况,分析了转向架区域的流场结构变化。数值仿真结果表明：流线型设计的动车转向架相较于原始动车转向架有一定的减阻效果,在400 km/h的运行速度下减阻率达到1.08%。流线型设计动车转向架与导流板组合运用后...     

列车交会压力波的影响因素分析

根据数值模拟计算、实车和风洞试验结果，研究了列车交会压力波与相结速度、绝对速度、速度比、线间距、列车外形（断面形状、流线型头部长细比、头部纵剖面最大轮廓线和俯视图最大轮廓线）以及列车编组方式等之间的关系。研究结果已在我国流线型车体设计上正式采用，并为合理确定线间距提供了科学依据。     

高速列车受电弓非定常气动特性研究

受电弓系统的受流特性对高速列车的安全运行至关重要,受电弓的非定常气动特性严重影响受电弓系统的受流状态.本文采用脱体涡模拟(DES),对高速列车受电弓的非定常气动特性进行深入研究.研究表明:受电弓脱体涡的强度、脱落频率对受电弓气动升力系数影响很大.无横风条件下,受电弓受到的升力为负升力,列车运行速度为350 km/h时,其升力的波动幅度达110％,速度增加,其波动幅度增大,频率增大,受电弓的横向受力很小;横风条件下,受电弓的升力振动频率与无横风时有很大不同,升力系数变比不大,侧向力随横风速度的增大而增大.研究结果为高速受电弓的优化设计提供了依据.     

高温超导磁悬浮列车气动噪声特征仿真研究

气动噪声是高温超导磁悬浮列车噪声的主要来源，以新型高温超导磁悬浮列车1∶8缩比的8车模型为研究对象，基于大涡模拟（LES）方法和K-FWH方程，通过建立可穿透积分面对列车在500,550,600及650 km·h-1 4个速度级下的气动噪声特征进行数值仿真研究。结果表明：在U型轨道的约束下，列车周围的气动激扰主要集中在车顶两侧、尾车流线型及尾流区；偶极子声源主要分布在中车车顶表面两侧、尾车流线型及超导线圈后方，尾流区也是重要的气动噪声源区；列车辐射噪声频谱呈现“宽峰”（100～315 Hz）特性，随着车速提升，低频噪声能量增强；4个速度级下测点辐射噪声水平变化规律一致，噪声最大值分别为94.2,96.4,100.1和105.2 dB(A)；随着车速提升，四极子声源能量占比不断增大，当车速大于600 km·h-1时，16个测点的四极子声源平均能量占比超过90%。研究成果可为高温超导磁悬浮列车气动声学优化设计提供参考。     

受电弓气动抬升力计算方法与分析

基于三维定常不可压缩N-S方程和k-ε两方程湍流模型,采用有限体积法,对高速受电弓的气动力进行数值模拟,并且建立受电弓气动抬升力计算模型,推导受电弓气动抬升力的计算方法,采用该方法计算高速受电弓在不同速度等级下开口和闭口运行时的气动抬升力。结果表明:仿真结果与试验结果基本一致,受电弓各部件的气动力转换成气动抬升力存在不同的传递系数且与升弓角有关;传递系数表征了气动力对受电弓气动抬升力的贡献量,弓头升力对气动抬升力的贡献量最大,其次是上框架和下臂杆升力。     

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。     

CFD数值仿真在高速列车设计中的应用

高速列车的空气动力特性不仅关系到列车牵引效率,而且还影响旅客乘坐舒适性和列车运行安全性。本文介绍CFD数值仿真在高速列车设计中的应用:采用Airpak软件对列车空调通风系统进行数值仿真,采用Fluent软件对列车水箱中水的晃动问题、列车外流场以及二维流线型列车模型的远场气动噪声进行数值仿真。对空调通风系统的仿真结果与实验研究进行对比,计算与试验的良好一致性说明采用的CFD模型是可靠的;水箱晃动计算的压力波提供的水箱壁屈曲分析与实际情况基本吻合。     

横风作用下列车抖振力气动导纳风洞试验研究

目前,下承式钢桁梁在高速铁路大跨度桥梁中的应用越来越广泛,但因其列车在横风作用下与主梁之间气动干扰较大,现有列车气动导纳结果并不适用.为了研究车桥不同组合方式和紊流特征参数对列车气动导纳的影响,以一座典型大跨度下承式四线钢桁斜拉桥为研究背景,利用车桥测力、测压以及脉动风速同步测量系统,在3类格栅紊流场内对车桥耦合工况进...     

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%。     

平原上不同长度集装箱列车横风载荷的数值研究

对在横风角为90°的10级横风作用下平原上以120 km/h速度运行的集装箱列车的空气动力载荷进行数值研究。采用平原大气边界底层速度型模拟运行环境,研究对象包括5种模型:机车分别牵引2辆、3辆、10辆载有集装箱的平车的列车模型以及1辆、3辆集装箱平车的周期边界模型。结果表明,机车尾流会削弱第1辆车所载集装箱的升力,第2辆车所载集装箱受到的升力最大;前车尾流导致后车的来流风向角和侧向力依次减少,第1辆车集装箱所受侧向力最大;第2辆车集装箱所受翻滚力矩最大,前3辆车集装箱所受翻滚力矩值比较接近;随列车长度增加,气动载荷在达到其最大值后呈逐渐下降趋势,尾车的绕流作用导致尾车集装箱的气动载荷迅速减少。用周期边界模型模拟长集装箱列车中段的空气动力载荷,其集装箱所受翻滚力矩约为整列车中最大值的80%～84%。     

高速列车风阻制动风翼板气动性能影响研究

当速度大于300 km/h的高速列车紧急制动时,风阻制动是一种行之有效的辅助制动措施.基于三维定常不可压的黏性流场N-S和k-ε双方程模型,采用计算流体动力学方法对带制动风翼板的高速列车气动性能做初步分析,分别从列车所受气动阻力、垂向力、横向力、流场气动干扰效应、气动噪声等方面对首排制动风翼板在不同纵向位置、不同迎风角度和不同组风翼板纵向布置的选择做了详细计算说明.初步研究表明:①当头车车顶安装单排制动风翼板的高速列车在行驶速度为350 km/h的过程中采取紧急制动时,列车所受的空气制动阻力比未安装风翼板时增大约45％,所受垂向升力增大约70％;②采用风阻制动时制动风翼板迎风面所受最大压力和平均压力随着速度增大从远环境压力值呈抛物线形式增加,所受最小压力从远环境压力值呈倒抛物线形式减小;③在首排风翼板安装位置距离头车司机室前端流线型尾端连接处2m范围内,列车空气阻力随着距离的增大而降低,所受垂向升力基本保持不变,风翼板前后形成的正负压区范围逐渐变小减弱;④首排制动风翼板迎风角在45°～90°内逐渐扩大时,列车所受空气阻力基本保持不变,垂向升力呈先增大后缓降的趋势,气动干扰效应和风翼板迎风面的高压区域逐步减弱;⑤在列车头车车顶最大等间距布置多组制动风翼板时,随着风翼板布置组数的增多,列车承受的空气阻力缓慢增加,垂向升力基本保持不变,制动风翼板间气动干扰效应逐渐增强,风翼板迎风面受压呈现出第1组的受压最大,后续各组压力峰值基本保持一致,略有波动.     

头部控制线形状对高速列车气动噪声的影响

为研究头部控制线形状对高速列车气动噪声的影响,建立3种纵向剖面线和3种水平剖面线组合下的9种高速列车头型。利用大涡模拟技术计算高速列车车头表面的脉动压力,并作为远场气动噪声计算的输入。根据高速列车运行的实际情况,利用半自由空间的Green函数求解FW-H方程,给出考虑地面效应时的远场声学积分公式,并研究高速列车头部纵向剖面线形状和水平剖面线形状对远场气动噪声的影响。研究结果可为高速列车流线型车头的降噪设计提供参考。