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。     

高速列车头部流线型外形及结构工艺设计

通过对高速列车流线型头部钢结构的设计过程进行分析，指出高速列车采用流线型结构的必要性，介绍了流线型外形钢结构设计的过程，以及如何利用国内现有设备进行钢结构的工艺设计。     

流线型列车头部外形设计方法

基于流线型的列车头部外形由三维空间自由曲面构成,提出采用NURBS曲线设计外形型线和用三维NURBS曲面描述复杂三维曲面的车头外形设计方法。按照流线型列车头部外形的设计要求,首先生成基本控制型线,根据需要自动生成中间控制型线;对一些型线进行空间动态修改,使所有控制型线构成空间网状结构;将这些控制型线在空间的交点处断开,形成首尾相连的NURBS曲线段;自动将首尾相连的NURBS曲线段连接形成外形曲面片,并保证曲面片在空间相切;最后对外形曲面进行光顺性检查,得到最终的外形曲面。运用NURBS曲线曲面的数学模型,在AutoCAD的ARX及I-deas的Open I-deas开发平台上,开发了流线型列车头部外形设计模块,实现了按照人们的意志,自由、快速地设计复杂的空间三维曲面流线型列车外形。     

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。     

列车空气动力性能研究及外形、结构设计方法

列车空气动力学是列车提速和发展高速的一门关键基础科学,流线型列车外形和结构设计及梁件加工在我国是一项新的工程应用技术。本项研究以改善列车空气动力性能为起点,最终落实到我国提速和高速列车产品研制,创建一套从列车空气动力性能分析到气动外形、结构设计及头骨架梁件数控加工具有自主知识产权的产品研制方法。其研究成果已用于解决列车高速运行时出现的一系列空气动力学问题,并解决了流线型列车设计、制造等难题,目前,我国所有的流线型列车车体均用这套方法设计、制造,了得了显著的社会、经济效益,具有广阔的应用前景。同时,实现了流体力学、固体力学、车辆工程和机械设计制造等多学科交叉促进了学科发展。     

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。     

高速列车头部结构的特征描述

通过对具有流线型外形的高速列车头部结构实体造型特点的分析，提出了一种新的形位特征描述方法，以此来描述高速列头部这一较为特殊的结构，并说明了此描述方法的作用和意义。     

流线型列车头部结构设计方法

为使列车头部结构完全吻合流线型外形,提出沿列车的纵剖面、横剖面和水平面3个方向布置平面曲梁,形成空间网格状结构形式的设计方法。通过NURBS曲面分割离散与迭代相结合的方法得到平面曲梁的主棱边;以主棱边为基础,采用三维实体几何造型技术生成平面曲梁的三维实体;采用形体的Brep法读取平面曲梁三维实体图的数据面,利用坐标轴变换,创建CAD平面图。运用NURBS曲面的求交理论及三维实体几何造型技术,在AutoCAD的ARX、I-deas的Open I-deas开发平台上开发了流线型列车头部结构设计模块;应用NURBS曲线的线段拟合理论拟合平面曲梁的轮廓曲线,并根据数控加工设备的参数,在AutoCAD的ARX开发平台上开发了流线型列车头部平面曲梁数控加工模块,在不同的数控加工设备上实现平面曲梁的数控加工。     

高速磁浮列车头型多目标气动优化设计

针对常温常导高速磁浮列车头型的几何特点,将其分为流线型和设备舱2个部分,采用改进的VMF参数化方法和曲面离散方法,分别进行参数化设计;对提取的12个设计参数,结合计算流体力学方法、支持向量机模型和多目标粒子群算法,以整车气动阻力系数和尾车气动升力系数为优化目标,以头车气动升力系数为约束条件,进行高速磁浮列车头型多目标气动优化设计,并进行设计参数的灵敏度分析;对优化外形进行工程化改进和风洞试验验证。结果表明:参数化设计方法能够利用较少的设计参数描述高速磁浮列车头型;减少计算量且提高优化效率的支持向量机模型的预测精度满足设计要求;头型长度是影响高速磁浮列车气动性能的关键设计参数,水平剖面型线对头尾车气动升力的影响较为显著;较原始外形,采用根据工程设计要求改进的优化外形后,整车气动阻力系数减小19.2%,头车和尾车气动升力系数分别减小24.8%和51.3%。     

基于CRH6型列车研制对高速列车外形设计的研究

随着世界各国高速列车的发展,由于速度的提高对列车外形的设计要求非常严格。基于CRH6型城际动车组列车外形的设计,研究高速列车外形设计。通过CRH6型城际动车组列车外形设计整个过程考虑的因素:从空气动力学性能、车头造型、外形结构与内部结构关系、驾驶安全性等工程技术方面来对高速列车外形设计进行研究。CRH6型城际列车外形的设计,考虑的综合因素十分复杂,在考虑满足运营条件下,首先确定细长比,其次进行列车头部外形轮廓设计,再进行鼻锥和车头整体塑型,最后进行试验验证及方案选择。试验结果表明这样设计出来的CRH6型城际列车外形满足各项要求,是高速列车列车外形设计行之有效的方法。     

高速列车空气动力学特性的风洞试验研究

通过对2种头型高速列车1:8模型在8m×6m风洞开展的试验,比较了2种头型高速列车的气动特性,并进行了头车大侧风安全性的试验研究.结果表明,优化头型高速列车的气动阻力明显小于原型车的气动阻力,优化头型的3车编组列车的全车气动阻力比原型车约小3.7％;优化头型列车的纵向气动特性比原型车略差;2种头型的横向气动特性差异很小.     

高速磁浮单线隧道车体压力载荷特征

高速磁浮列车通过隧道过程中将引起剧烈的压力波动,造成司乘人员耳感舒适性、车体及其零部件、隧道衬砌及辅助设施的气动疲劳寿命问题,有必要对磁浮列车高速通过隧道时压力波效应进行研究。采用一维可压缩非定常不等熵流动模型和广义黎曼变量特征线法对单列车通过隧道时车体压力载荷进行数值模拟研究,初步揭示隧道长度、列车速度、阻塞比对车外压力波的影响规律;得出时速500~600 km/h速度下基于最大正负值和最大压力峰峰值的最不利隧道长度;论证了列车通过隧道产生的压力波幅值与列车速度平方成正比的适用范围,总结了压力最值与速度的拟合关系式。本文研究方法和结果可为车体设计选用气动载荷提供参考依据。     

地铁列车车头外流场的数值仿真分析

随着地铁列车的速度不断提高,其空气动力性能也显得越来越重要。提出并建立地铁列车车头外流场计算模型,运用列车空气动力学原理并借助流体分析软件CFX对计算模型进行了仿真计算。根据计算结果,分析比较了各模型的外流场、压力场的分布,得出具有良好气动性能的车头外形设计参数,可供地铁列车外形设计作参考。     

城市轨道列车气动性能优化研究

为研究城市轨道列车气动特性以及底部部件对列车气动特性的影响,针对三节车模型进行简化,保有底部部件较高完整性,采用Realizablek-ε湍流模型预测列车周围流场。数值计算结果表明:列车气动阻力分布呈现出尾车阻力最大,占三节车总阻力的48%;中间车阻力最小,占总阻力的14%。其中转向架分别占头车、中间车和尾车总阻力的15.1%,56.4%和23.0%。车底设备分别占头车、中间车和尾车总阻力10.5%,10.3%和8.6%。因此对于头车、尾车采取减阻方案首先是采用流线型头型的方式减少流动分离现象。对于中间车减阻方法则要首先针对底部部件,采取密封舱的方式减少其产生的压差阻力。通过优化列车头型发现列车气动特性得到明显的改善,其中列车头车、中间车和尾车阻力分别为原始情况下的61.4%,70.1%和58.3%。在流线型外形基础上进一步稳定列车底部区域流场也有效改善了底部区域部件气动特性。     

中低速磁浮列车牵引性能研究

中低速磁浮列车是磁浮交通系统的关键装备,由于脱离了轮轨接触,其牵引方式也与传统列车差别巨大.以3节编组中低速磁浮列车为例,对该列车的运行阻力、牵引力、电制动力进行了计算分析,根据计算结果对列车的牵引和电制动性能进行了评价,并完成了列车的故障运行能力校核.     

"中华之星"高速列车综合空气动力性能研究

介绍了我国即将投入运营的“中华之星”高速列车空气动力性能研究过程：数值计算、风洞试验、动模型试验、在线实车试验;对两种不同头形的高速列车交会压力波、列车空气阻力、列车表面压力分布、气动升力、横向气动力、列车对周围环境的影响等空气动力性能进行了研究;分析了动力车冷却风道一位百叶窗空气流向、流速。结果表明,“中华之星”高速列车具有良好的空气动力性能,能够满足安全运行的要求。     

磁浮列车空心Halbach永磁直线同步电机的力角特性分析

介绍了中速磁悬浮列车牵引需求分析,选定直线电机类型及设计方案.通过建立面电流模型,给出中速磁悬浮列车空心Halbach永磁直线同步电机的具体参数设计.再通过分析不同极距、不同尺寸边长、端部效应对电机推力的影响,初步验证电机尺寸参数的合理性.最后通过牵引仿真计算和模型车牵引试验结果论证该电机满足列车牵引需求,为今后中速磁...     

地铁列车车头绕流场的仿真计算与分析

随着地铁列车的发展,地铁列车的速度也在不断提高,其空气动力学性能也表现得愈来愈突出,本文以地铁列车为对象,建立了其外流场气动力学模型,并进行了列车车头绕流场计算与分析,结合地铁列车造型美学要求提出了48°前窗倾角流线型地铁列车车头设计方案,达到地铁列车车头设计空气动力学与美学结构设计的统一。     

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。