横风作用下考虑车辆运动的车桥系统气动特性的数值模拟研究

车辆和桥梁气动力参数的准确识别是风-车-桥系统耦合振动研究的前提,目前大多数研究中通常忽略了车辆和桥梁间的相对运动。由于采用风洞试验测量手段研究此类问题存在一定困难,因此该文基于CFD数值仿真平台采用动网格技术模拟计算了横风作用下考虑车辆运动的车辆和桥梁气动特性,分析研究了风场的紊流特性、车辆的运动速度以及车桥的相互气动干扰对车辆和桥梁气动特性的影响。计算结果表明:车辆和桥梁的气动力特性受车辆的运动速度和车桥间的相互作用影响较大,风场的紊流特性对车辆和桥梁的气动力也有一定影响。最后通过对比分析单车、桥和车-桥耦合的流场压力和速度云图,探讨了车辆和桥梁气动力的相互作用机理。     

三主桁断面车-桥气动特性的风洞试验研究EI北大核心CSCD

为研究三主桁断面车-桥组合系统的气动特性。以某大跨度斜拉桥为工程背景,采用节段模型风洞试验,通过开发的车-桥气动力同步测试装置对车-桥组合状态下各自的气动力进行测试,研究了线路位置、双车交会间距、风攻角等因素对车-桥系统气动特性的影响,分析紊流来流对车-桥气动特性的影响,并讨论列车气动导纳的特征。结果表明:由于绕流剪切层的影响,靠近迎风侧车辆阻力系数大于其他线路,线路2上列车的升力系数最大;双车交会时,背风侧车辆的阻力系数和升力系数随交会间距的增大而增大;受桁架自身绕流的影响,紊流来流对列车气动力功率谱影响较小;阻力和升力的气动导纳随折减频率呈现先增后减的趋势。     

考虑桥面风场等效气动效应的行车安全性分析

侧风作用下桥上通行车辆容易遭受行车安全问题。通过节段模型风洞试验,测试了主梁行车道位置上方一定高度范围内风场分布特性。基于车辆气动力和力矩等效的方法,采用等效风速和比例系数来考虑桥面气动绕流对车辆气动力特性的影响。在风-汽车-桥耦合振动研究的基础上,采用无量纲的侧倾和侧滑安全因子评价车辆的行车安全性,分析了风速和车速对不同类型车辆行车安全性的影响。结果表明:车辆的行车安全性随着风速和车速的增大而逐渐降低;桥面风场等效气动效应会降低集装箱车和旅行巴士的行车安全性,集装箱车RSF和SSF最大相对误差分别高达28.0%和184.3%。     

六线双层铁路钢桁桥车桥系统气动特性风洞试验研究

为研究多线双层铁路桥梁车辆与桥梁的气动特性,利用三分力分离装置-交叉滑槽系统,对某六线双层大跨铁路斜拉桥进行节段模型风洞试验。测试了不同车桥组合下车辆与桥梁各自的气动力,研究了单列车的位置、双车同层交会、双车上下层共存时车辆和桥梁气动特性的相互影响,并讨论了风攻角对上层车辆气动力的影响。试验结果表明,当车辆位于桥梁断面不同位置时,车辆气动力差异较大;由于上层桥面宽度较大,气流经过桥梁断面前缘分离后,再附着于较靠后的背风侧车辆,导致背风侧车辆的阻力系数更大;双层车辆共存时,当两者同处于迎风侧,气动力有明显的相互影响;风攻角对背风侧车辆的气动力影响显著。     

六线双层铁路钢桁桥车桥系统气动特性风洞试验研究EI北大核心CSCD

为研究多线双层铁路桥梁车辆与桥梁的气动特性,利用三分力分离装置-交叉滑槽系统,对某六线双层大跨铁路斜拉桥进行节段模型风洞试验。测试了不同车桥组合下车辆与桥梁各自的气动力,研究了单列车的位置、双车同层交会、双车上下层共存时车辆和桥梁气动特性的相互影响,并讨论了风攻角对上层车辆气动力的影响。试验结果表明,当车辆位于桥梁断面不同位置时,车辆气动力差异较大;由于上层桥面宽度较大,气流经过桥梁断面前缘分离后,再附着于较靠后的背风侧车辆,导致背风侧车辆的阻力系数更大;双层车辆共存时,当两者同处于迎风侧,气动力有明显的相互影响;风攻角对背风侧车辆的气动力影响显著。     

非对称线路车-桥气动特性风洞试验研究EI北大核心CSCD

为了研究线路的非对称性布置对列车和桥梁系统气动特性的影响,开发了一种同步测试车-桥气动力的装置,通过本装置对线路非对称布置的大跨度公铁两用斜拉桥进行了节段模型风洞试验。考虑了下层铁路和下层公路分别为迎风侧的工况,测试了不同车-桥组合下车辆和桥梁各自的气动力,讨论了线路非对称布置、风攻角、双车交会和汽车对车-桥系统气动特性的影响。结果表明:相对下层铁路侧迎风工况,下层公路迎风侧的桥梁升力系数和扭矩系数差别较大,且车辆升力系数也变化较大;桥梁和车辆的阻力系数随风攻角的增加而减小;双车交会时,背风侧车辆阻力系数发生突变;受公铁平层防眩网的作用,汽车对列车气动特性影响相对较小。     

横风下流线箱型桥-轨道交通车辆气动干扰风洞实验研究

轨道交通车辆与桥梁间存在显著的气动干扰,但现有研究大多以流线型高铁车辆和钝体外形的简支梁桥为研究对象,且往往重点关注桥梁对车辆气动力大小的影响。以某流线箱型轨道专用桥和钝体外形的轨道交通车辆为背景,首先通过刚性节段模型测力试验,利用开发的车-桥系统气动力同步分离装置对不同风攻角、车桥组合方式下车辆和桥梁各自的气动力进行测试,分析横风下车桥间气动干扰对车辆、主梁和车桥系统所受总体气动力的影响规律;然后结合烟线法获得的车桥系统绕流场显示结果,揭示车桥间气动干扰机理。研究成果可为以后典型车桥组合工况下车、桥气动力经验公式的提出奠定基础,以及深入认识车桥间气动干扰机理提供参考。     

考虑风屏障效应的车桥系统三分力系数风洞试验研究

采用节段模型风洞试验,测试了车辆通过平地路基、跨度32 m简支箱梁、跨度16 m简支T梁时的三分力系数,综合分析了不同行车工况、不同线路构造形式及设置单、双侧风屏障后车辆和桥梁的气动特性。结果表明:较于箱梁和T梁,车辆在路基上行驶时更安全;安装单侧风屏障和双侧风屏障时车辆和桥梁的气动力系数都很接近,背风侧风屏障并不能有效改善车辆的气动性能;双车存在时背风侧车对迎风侧车的气动干扰较小,而迎风侧车的存在却使背风侧车的气动力系数减小,侧力系数甚至出现负值;风屏障的存在改变了车桥系统周围的流场;迎风侧车对右轨线的侧倾力矩系数总是大于对左轨线的侧倾力矩系数。     

高速铁路路堤-路堑过渡段复杂风场和列车气动效应风洞试验研究

中国地形地貌复杂多变,线路交替必不可少,为了探究高速铁路路堤-路堑过渡区域的列车气动效应和复杂风场,该文建立了大比例试验模型,采用风洞试验的方法对线路上方不同位置处的风速剖面和线路不同位置处的车辆气动力进行了测试。试验结果表明:路堤-路堑过渡段对气流的影响范围在轨道上方250 mm以内;线路交界处上方较低区域的风剖面由路堑主导,较高区域受路堤主导;风速变化对列车沿线移动的气动力变化趋势影响不大;在过渡区域,线路交界处附近对行车安全最不利,且路堤侧更为不利;受雷诺数效应的影响,气动力系数整体上随风速的增大而减小。     

桥梁风屏障的气动效应及其对高速列车运行安全的影响分析

基于风-车-桥系统动力分析模型,分析了风屏障对车桥系统气动效应及桥上高速行驶车辆运行安全性的影响。以新建兰新铁路百里风区跨度16 m简支槽形梁为工程背景,通过风洞试验测试了有、无风屏障时车辆、桥梁的三分力系数,然后对强侧风作用下车辆通过桥梁时的动力响应进行了数值模拟,综合分析得到了保证列车在桥上运行安全的风速-车速阈值曲线。结果表明,对未设置风屏障的桥梁,当风速超过15 m/s即应限速行驶;而设置风屏障后,桥上车辆的运行安全性指标得到了极大地改善,即使风速达到40 m/s,列车仍可以260 km/h的速度安全运行。     

既有桥梁对相邻车-桥系统气动力的影响分析

为了研究既有桥梁对相邻车-桥系统气动力的影响,通过节段模型风洞试验,测试了考虑、不考虑既有桥梁干扰工况下相邻车-桥系统的气动力系数,数值模拟了作用在车-桥系统上的抖振力时程,并计算了抖振力极值。结果表明:既有桥梁对相邻车-桥系统气动力的影响显著,导致部分工况下列车、桥梁的气动力显著增大,结构设计中应充分考虑邻近桥梁的气动影响;车-桥系统中列车的气动力受既有桥梁的影响更大;受既有桥梁影响,不同工况下,列车横向力系数最大增幅、减幅分别为39.3%和-143.1%,列车升力系数最大增幅、减幅分别为52%和-68.2%;不同工况下桥梁阻力系数均减小,且最大减幅为-22.4%;迎风侧列车抖振横向力、抖振升力幅值均显著增大,背风侧列车抖振力幅值变化相对较小;桥梁抖振力阻力幅值减小,抖振升力和抖振升力矩幅值略有增大;列车抖振横向力、抖振升力的极值增幅分别为35%和67%;桥梁抖振阻力的极值减幅为-22.9%,抖振升力、抖振升力矩的极值增幅分别为48.5%和37.5%。     

既有桥梁对邻近新建桥梁三分力系数的气动干扰效应

以某一主跨310m的独塔斜拉桥扩建工程为背景,通过节段模型测力风洞试验研究既有桥梁对其邻近新建桥梁三分力系数的气动干扰效应,引入气动干扰因子研究新建桥梁三分力系数受邻近既有桥梁影响的规律,并利用CFD手段从流场的角度定性的解释了产生干扰现象的机理。研究结果表明:既有桥梁对新建桥梁在施工和成桥运营阶段的三分力系数可能会产生十分显著的影响,并且新建桥梁三分力系数气动干扰因子随风攻角的改变在成桥和施工阶段呈现相似的规律性变化;阻力系数气动干扰因子随着风攻角绝对值的增大而增大;升力系数气动干扰因子随风攻角的增加呈递减的变化趋势,升力矩系数气动干扰因子随风攻角的变化规律较不明显。     

定常气动载荷作用下高速铁路车辆的蛇行运动稳定性

随着高速列车运行速度的提高,气动载荷会对车辆蛇行运动稳定性带来不利影响,现有文献对此研究很少。为此,考虑沿列车反向运动高速气流以及侧风的作用,研究了定常气动载荷下高速铁路车辆横向运动的线性稳定性。分析中计入了气动载荷改变轴重、使各轮法向支反力各不相同;以及使重力刚度、重力角刚度、轮对蠕滑系数等发生变化的效应。给出了计及气动影响的17个自由度铁路车辆蛇行运动分析模型,编制了相应的计算程序并进行了算例验证。进而,计算了在不同风速条件下,各个方向定常气动力和气动力矩单独以及共同作用时车辆运动稳定性特征值,并求出临界速度。结果表明:气动载荷会降低车辆临界速度;临界速度随横风风速增加而单调降低;与其他方向气动载荷相比,点头力矩和升力对临界速度的影响更大。     

双幅桥面桥梁三分力系数的气动干扰效应研究

双幅桥面桥梁在风的作用下,上下游两桥面之间会产生气动干扰效应。分别采用测力法和测压法对某双幅桥面桥梁三分力系数的气动干扰效应进行了一系列的节段模型风洞试验研究。结果表明:双幅桥面阻力系数的气动干扰效应不容忽视。与单幅桥面相比,下游桥面的阻力系数降低较多,上游桥面的阻力系数略有降低。上下游桥面升力系数和升力矩系数的气动干扰效应不明显。     

桥面典型车辆气动特性及车辆间挡风效应的数值模拟研究

强风不仅是大跨度桥梁设计的控制性因素,同时也会影响到桥上车辆运行的安全,车辆气动特性是研究车辆行驶安全性的前提。基于计算流体动力学（CFD）仿真平台,模拟计算了汽车工业研究协会（MIRA）小车和重型卡车典型车辆在横风作用下的气动特性,分析研究了典型车辆分别位于桥面上不同车道位置时车辆气动力系数随风偏角的变化情况;进一步模拟计算了重型卡车与小车之间的挡风效应,研究了车辆间相对位置对车辆挡风效应的影响。计算结果表明:不同车型以及不同的桥梁车道位置对车辆气动力均有不同程度的影响;重型卡车对MIRA小车有明显的挡风效应,MIRA小车气动力随着车辆间相对位置变化显著,重型卡车气动力也有一定改变。     

高速铁路气动噪声的数值分析及分布特征研究

以京沪线为研究背景,建立用于数值计算的简化的车辆-桥梁模型,基于宽频带噪声源法和声类比理论,利用Fluent软件分别研究了列车在高架桥上高速行驶时的近场气动噪声的声源强度特性和远场气动噪声的空间分布特性。研究结果表明：沿桥梁纵向气动噪声强度在车尾变截面处最大,车头变截面处次之;沿桥梁横向气动噪声强度随着离桥梁横向距离的增加而减小,且减小的幅度越来越小;沿桥梁垂向气动噪声在距离轨道顶面高度1.2 m处的强度最大。     

矩形断面抖振力展向相关性的试验研究

为了研究紊流作用下钝体的非定常气动力(抖振力),以矩形断面为例,通过测压试验研究不同紊流积分尺度下的非定常气动力的分布特性,并结合理论分析方法研究了现有导纳识别方法的缺陷,进而提出基于三维统计理论的两波数三维导纳初步识别方法。结果表明:对于矩形这类钝体断面,其在紊流下的抖振力特性与流线型箱梁(桥梁主梁)接近,即抖振力的相关性高于脉动风速的相关性,且与紊流积分尺度成正比。另外,理论分析结果与实测数据间存在较大的差异,进一步表明传统的二维导纳函数无法反映真实的非定常气动力展向分布情况,而两波数的三维导纳则可揭示展向不同尺度漩涡都对抖振力的贡献。     

结构振动对风特性测试结果的影响研究

现场实测是获得结构所在地风特性的主要途径,因而实测数据的准确性至关重要。为了开展风特性精细化研究,重点分析了结构振动对所测数据的影响。通过实验测出相同风场内考虑和不考虑风速仪基底振动的风特性时程数据,分析对比了不同工况下获得的平均风速、紊流强度、紊流积分尺度及功率谱密度,其中基底分别输入了"韦帕"台风作用下润扬大桥主梁跨中横向振动和白噪声。结果表明,在基底输入主梁振动信号时,基底振动对实测平均风速以及紊流特性的影响程度均很小,但会导致实测紊流强度和顺风向功率谱密度略高于真实值。结论可为结构风场测试及数据分析提供参考。     

风屏障对大跨度桁架桥风致振动及车辆风载荷的综合影响研究

为探究风屏障对大跨度桁架桥风致振动及车辆风载荷的综合影响,以某公铁两用桁架桥为背景,在XNJD-1号风洞中进行了1∶47.48的缩尺比节段模型试验,测试了无风屏障和设置不同风屏障方案时,车桥系统中车辆及桥梁各自的气动力系数、主梁的颤振临界风速以及主梁的涡振响应。结果表明:大跨度桥梁风屏障增加了车桥系统中主梁的阻力系数,降低了主梁的升力系数、车辆的阻力系数及升力系数。设置风屏障使主梁的颤振临界风速降低明显。风屏障在一定程度上可用作抑制主梁涡振的气动措施。     

输电塔气动力系数和气动导纳风洞试验研究

输电塔结构的非定常抖振力与来流风速之间存在复杂的非线性关系,基于风洞试验得到的某1 000 k V格构式直线输电塔弹性模型的基底力以及参考高度处同步采集的风速时程,采用线性和高斯两种近似假定计算了非定常气动力系数并与试验值进行了比较;提出了包含结构气动阻尼效应在内的总气动导纳的概念,通过基底脉动力谱和来流脉动风速谱的比值对总气动导纳函数进行识别,并用基于频域相干函数对导纳函数的线性部分进行了估计。结果发现,风偏角线性近似所计算静气动力系数的偏差较高斯近似小;由于气动抖振力非定常性质明显,不考虑总气动导纳函数将高估输电塔模型的抖振响应;脉动风力与脉动风速间有较强的非线性关系,用线性导纳函数计算的抖振力谱将低估脉动风分量的影响。