不同类型风沙环境下高速列车气动特性分析

为研究风沙耦合作用对高速列车运行状态的影响,基于流体动力学理论建立高速列车空气动力学模型。采用三维、定常、不可压雷诺时均Navier-Stokes方程和标准κ-ε两方程湍流控制模型,模拟计算列车在平地、路堤和桥梁上行驶时的气动特性。沙粒采用欧拉-拉格朗日方法进行离散化处理,气流为连续化处理,这种处理方式与风沙自然状态非常吻合。研究结果表明：高速列车在有沙环境下的表面压力远大于无沙环境;列车头车受到的气动阻力最大,且沙粒对头车阻力的影响极为显著,较无沙环境头车阻力增加了（10～12）%;头车受到的倾覆力矩最大,尾车受到的倾覆力矩最小,方向与头车的受力相反;桥梁路况最大正压区相对较大,且列车两侧压力差最大,桥梁迎风侧凹槽处产生漩涡,背风侧产生双回流现象,致使气动性能最差。     

基于伴随方法的高速列车头型气动优化

为改善高速列车明线运行时的气动性能,基于伴随方法和径向基函数网格变形技术,开展高速列车头型气动优化设计。采用径向基函数网格变形技术,避免列车头型优化过程中的网格重复生成,提高头型优化的效率。通过伴随方法求解目标函数对列车头型的敏感度,无须定义任何的头型设计变量,避免人为指定设计变量对优化结果的影响。将网格变形技术、伴随方法及计算流体动力学（Computational fluid dynamic,CFD）方法相结合,构建高速列车头型优化设计流程,选取整车气动阻力和尾车气动升力为优化目标,对高速列车头型进行多目标气动优化设计。结果表明：伴随方法可以有效地应用于高速列车的头型优化;优化后,在满足约束条件的情况下,列车的整车气动阻力减小2.83%,尾车气动升力减小25.86%;气动阻力减小主要位于头尾车流线型部位,中间车和头尾车车体气动阻力基本保持不变;尾车气动升力减小主要位于流线型部位,尾车车体向下的升力绝对值也有所减小。     

350km/h高速列车风致安全研究

结合高速列车空气动力学和多体系统动力学,系统研究了350km/h高速列车的风致安全特性.首先建立了头车-中间车-尾车编组的高速列车空气动力学模型,研究了不同侧风速度(包括不同风速大小和不同风向角)下高速列车气动载荷的变化规律.然后建立拖r动-拖编组的高速列车多体系统动力学模型,将得到的气动载荷作为外加载荷作用于列车上,研究了高速列车的运行安全性和运行姿态,为侧风下350km/h高速列车的安全运行提供参考.     

强降雨条件下高速列车气动特性分析

基于标准κ-ε双方程湍流模型和拉格朗日离散相模型,研究强降雨条件下列车前端计算区域长度的取值。在此基础上,分析不同车速、不同降雨强度下的高速列车气动特性,并与无雨条件下的计算结果进行比较。研究表明,列车前端计算区域长度应达到雨滴运动水平距离的1.5倍。降雨强度增加,列车周围雨滴浓度整体上增大。雨滴越靠近尾车,浓度越大。车速越大,雨滴飞溅程度越大,飞溅的距离越远。在强降雨条件下,列车的整车阻力、头车阻力、中车阻力均随降雨强度和车速的增加逐渐增大;尾车阻力随降雨强度增加而减小,随车速增加而增大。气动阻力变化的百分比随着降雨强度的增加而增大,随着车速的增加而减小。     

扰流板安装方向对高速列车的气动性能影响

采用结构网格对计算区域进行离散,采用DES湍流数值模拟方法,研究高速列车尾部横向、竖向或斜向地安装扰流板对车的气动性能影响,找出扰流板安装的合理方向。研究结果表明:安装横向或竖向扰流板后,尾部的气动阻力变大,升力减小,而安装斜向扰流板后,尾部的气动阻力与升力均减小。因此,列车尾部扰流板的合理方向为斜向安装。     

400km/h高速动车组列车气动外形设计选型

为提升动车组列车设计方案气动外形的选型效率,保证列车良好的气动性能,提出基于数值模拟方法的高速动车组列车气动性能评估模型,并利用流体力学分析软件Fluent对时速400 km/h的7种型号的8编组动车组列车设计方案进行气动性能分析,包括各车体及整车的压差阻力、阻力、阻力系数、升力、升力系数等气动参数。结果表明:整车的压差阻力、整车阻力、整车阻力系数、尾车升力、尾车升力系数在揭示最佳气动外形方案时结果基本是一致的。提出的列车气动评估方法和气动参数有利于对列车设计方案中的最佳气动外形选型。     

高速列车不同位置受电弓非定常气动特性研究

为研究高速列车不同位置受电弓的非定常气动特性,基于计算流体动力学理论,建立高速列车空气动力学模型。列车模型采用八节编组,包括头车、六节中间车和尾车。受电弓为双弓模型,包括一个升弓和一个降弓,安装于第一节中间车的前端或后端,或者安装于第六节中间车的前端或后端。采用分离涡模拟(Detached eddy simulation,DES)方法对明线无横风环境下运行的高速列车周围流场进行数值模拟,列车运行速度为350 km/h,得到高速列车不同位置受电弓受到非定常气动力的时域特性、频域特性以及受电弓周围非定常流场结构。结果表明:受电弓安装位置沿列车纵向向后,受电弓气动阻力和升力的时域均值都呈减小的趋势;升弓开口运行时,受电弓气动升力时域均值都小于闭口运行时,升弓滑板气动升力和侧力的波动幅值也都小于闭口运行时;升弓滑板的升力和侧力波动呈现典型的宽频分布特性,其主要频率位于0~300 Hz范围内。     

随机风环境下高速列车运行安全评估研究

研究随机风环境下高速列车的气动特性及运行安全特性,提出一种随机风环境下高速列车运行安全的评估方法。基于Cooper理论和谐波叠加法建立任意风向角下随车移动点的脉动风速数值模拟方法,推导随机风作用下高速列车非定常气动载荷的计算公式;建立高速列车系统动力学模型,研究非定常气动载荷作用下高速列车的运行安全特性,获得随机风环境下高速列车安全运行的平均特征风速曲线及其置信区间。计算结果表明,在随机风环境下,高速列车的非定常气动载荷及轮重减载率具有随机特性,且近似服从正态分布;风向角越接近于90°,非定常气动载荷及轮重减载率的波动幅值越大;在相同的风向角下,MCWC随着列车速度的增加而减小;在相同的车速下,不同风向角下的MCWC由小到大的排序为90°、60°、120°、30°、150°。     

高速列车脉动压力的大涡模拟及小波分解

高速列车表面脉动压力是引起气动噪声的主要根源,研究车体表面脉动压力对噪声控制等方面有重要意义。采用大涡模拟(LES)仿真计算高速列车运行时头车和尾车外流场的脉动压力,利用二进正交db小波将脉动压力分解为能量互不重叠的正交频带,并分析脉动压力在各频带上的能量分布规律。数值仿真结果表明:列车表面脉动压力由平均压力和在平均压力附近上下波动的脉动部分组成,脉动压力在全频带均有分布,且主要集中在低频区域;随着列车运行速度的提高,车体表面脉动压力幅值迅速增大,主要能量向高频区域移动;头车、尾车脉动压力变化趋势相似,且头车脉动压力大于尾车脉动压力。     

高速铁路腔室耗能型风屏障气动冲击力的动模型试验研究

高速铁路沿线的防风屏障因经常受到列车风和横风的气动冲击作用,其自身结构稳定性十分重要。利用高速列车动模型平台进行列车运动对腔室耗能型风屏障产生气动冲击的1∶8缩尺模型试验。测试了不同车型的列车以不同车速通过风屏障区域时,在风障不同位置处产生的气动压力,并分析气动压力的变化规律。研究结果表明:高速列车通过风障区域时,对风障各部分均形成了"正-负-负-正"的脉动压力;随着列车车速的增加,气动冲击压力幅值增大,头车波和尾车波换向时间减小,压力变化率增大;压力极值及变化率与车速的二次方相关,不同车速下的压力系数几乎相等;风障不同高度处压力波的变化趋势相同,但幅值不同,在列车鼻锥高度区域出现最大值;不同车型的列车在相同车速下对风障气动冲击作用趋势相同,但幅值不同,钝体头型列车的气动压力大于子弹头型列车的;随着风障距轨道中心线距离增大,列车脉动压力逐渐减小,其中头车波峰减小最为明显,与安装间距近似成线性关系。