基于DE S的高速列车气动阻力分布特性研究

基于Realizable k-ε方程的DES数值模拟方法,研究某高速列车头、中和尾车不同区域对整车气动阻力系数的贡献值,并结合风洞试验结果,验证本文所采用的计算方法,计算与风洞试验结果两者偏差在2％以内;各车辆的瞬态气动阻力系数时程曲线在均方根值上下波动,其中头车的脉动幅度最小,尾车最大;头车、尾车的头部曲面区域及各个车辆转向架区域的气动阻力占整车气动阻力的77．8％;前端转向架区域气动阻力系数从头车、到中间车、到尾车大幅度减少,后端转向架区域气动阻力系数逐渐增加;从流场结构来看,列车的头部、风挡、车底结构以及车尾处产生了大量的漩涡;沿车长方向,头车车体附近的漩涡情况好于中车和尾车。     

车体侧滚对列车气动性能和运行稳定性的影响

为探明横风作用下车体侧滚对列车气动性能和运行稳定性的影响,采用三维、定常、不可压缩雷诺时均方程和k-ε双方程湍流模型,对CRH5G动车组进行仿真计算。研究结果表明:当侧滚角从0°增加到2.5°时,车底部迎风侧负压减小,绝对值最大相差532 Pa,车顶迎风侧负压增大,绝对值最大相差579 Pa,车底压力变化的区域更大,车顶和车底背风侧的压力变化都不大;头车后部车底负压减小,绝对值最大相差470 Pa;气动力方面,列车升力增大,头车升力变化最为明显,从0.15 k N增加到16.6 k N;头车的点头力矩提升了20%,尾车的点头力矩下降了7%;进一步的车辆动力学仿真计算结果表明:车体侧滚引起的气动载荷变化对列车脱轨系数、倾覆系数的影响很小。因而在研究横风作用下的列车运行稳定性时,一般可不考虑车体侧滚对气动性能的影响。     

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.     

双层高速动车组横风倾覆稳定性研究

双层高速动车组因其重心高、迎风面积大等特点,运行安全受横风影响更为显著。以我国某双层高速动车组作为研究对象,建立横风条件下3节车辆编组的气动仿真分析模型,通过与风洞试验数据比较,验证模型有效性,仿真得到了在不同横风条件下各车辆所受到的气动载荷,基于EN14067标准中的五质量模型方法,分析了横风条件下双层高速动车组倾覆安全性,得到了列车临界倾覆风速曲线。研究结果表明：横风条件下头车气动载荷最大,且在60°左右的侧滑角时达到最大;当横风垂直于列车行进方向时,临界倾覆风速随车速增加而下降,在车速为80 km/h左右,其下降趋势出现明显的变化,动车组以200 km/h速度运行在平地时,头车临界倾覆风速为22.5 m/s。在同等车速条件下,头车临界倾覆风速随风向角的增加迅速下降,平地路况在风向角为90°时取得最小值,路堤和桥梁路况在风向角为80°时取得最小值。在平地、10 m高度路堤和桥梁3种路况条件下,路堤情况的倾覆风速最小。横向未平衡加速度、空重车状态对列车横风安全性也有显著影响,当加速度与横风风速同向时,其头车临界倾覆风速值随横向未平衡加速度的增加而下降,而重车状态下的临界倾覆风速高于同...     

空调导流罩安装角度对市域列车气动阻力的影响

空调设备作为维持轨道车辆车内乘客舒适度的重要组成部分,其外形结构对列车的气动阻力会产生影响.合理的空调导流罩安装角度可以有效降低列车气动阻力.利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法研究空调导流罩安装角度对160 km/h市域列车气动阻力的影响.研究结果表明:空调导流罩安装角度越小,整车气动阻力越小,相对于无导流罩(90°)工况,导流罩安装角度为15°时,整车减阻达10％.头车流线型气动阻力系数随导流罩角度变化不大,除尾车流线型部分外,其他车辆气动阻力系数随着导流罩安装角度的增大而增大,尾车流线型气动阻力系数随导流罩安装角度的增大而降低.导流罩气动阻力随安装角度的增大而增大,不包含导流罩部分的空调气动阻力随导流罩安装角度的增大而降低.     

可变编组高速列车转向架气动阻力特征研究

基于空气动力学数值模拟方法,针对列车不同部位的转向架和转向架结构表面的气动阻力分布进行分析,对高速动车组列车整车气动效应进行数值仿真。研究结果表明:转向架流场区域在靠近来流端的上部会形成部分死水区,该区域流场与外部质量交换较小,转向架结构表面在来流方向上游会形成一个正压区,在下游方向的转向架结构表面会形成小范围的负压区。列车头车转向架气动阻力明显高于中间车和尾车,其中列车头车I位转向架受到的气动阻力最大,其次是头车II位端转向架,列车的中间车和尾车转向架阻力分布较为均匀,均为头车转向架阻力的60%左右。     

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。     

基于边界层减阻理论的高速列车抽吸气减阻特性数值研究

采用计算流体力学方法,研究高速列车表面边界层演变特性以及气动阻力分布规律;通过在列车头车和尾车边界层分离点区域设置抽吸气孔,提出表面抽吸气边界层控制减阻方案,并评估其减阻效果。结果表明:头车和尾车边界层分离点区域分别设置抽吸气孔后,整车气动阻力系数均减小,最大减阻率可达6%。此项研究为高速列车气动减阻提供了新思路,对克服由于空气动力效应带来的提速瓶颈、节约能源具有重要意义。     

城际列车气动阻力组成分析及减阻研究

采用基于SSTκ-ω的DDES数值模拟计算方法,对城际列车的气动阻力进行研究。分析城际列车的阻力分布及组成,根据列车流场变化对列车表面进行平顺化,主要优化车下设备、风挡和空调等部位,分析各种措施减阻效果。通过对结果的分析对比,得出了其变化规律:列车气动阻力主要由压差阻力组成,占总阻力的70%~90%;列车转向架、车下设备、受电弓及风挡连接处流场变化比较剧烈,需通过外形优化进行减阻。优化模型减阻效果显著,以设备舱的形式封装车下设备,总气动阻力下降3.7%;封装车下设备的同时采用外风挡,列车总气动阻力下降12.7%;增加2种不同角度的空调导流装置,总气动阻力分别下降16.3%和18.9%。     

横风下车体运动对高速列车气动性能的影响

为揭示横风下车体运动对高速列车气动性能的影响规律,通过数值模拟对典型车体运动形态下的横风气动性能开展研究。首先基于实车试验确定了横风下的车体典型运动形态并定义研究工况,然后通过改进的延迟分离涡模拟(IDDES)方法详细分析不同工况下的车体与转向架的气动载荷,以及列车周围的流场结构与表面压力变化情况。研究结果表明：横风下高速列车车体运动主要表现为侧滚与横移,车体的侧滚运动对列车升力的影响最明显,头、中、尾车升力均随着车体从迎风侧向背风侧运动而增大,并且车体向背风侧运动时,头车升力增大的幅度大于车体向迎风侧运动相同角度时减小的幅度;当车体运动时,第1转向架横向力、升力与倾覆力矩均增大;车体运动对列车头部、背风侧以及尾部的流动均有较明显的影响,车体向背风侧运动时,头车鼻尖区域流速降低,尾车鼻尖位置的高速流区扩大,并且由头部位置分离在背风侧形成的旋涡结构与车体的夹角呈增大趋势,旋涡流速减小;车体向迎风侧运动时,头车鼻尖区域流速增大,尾车鼻尖位置的高速流区缩小,并且从头部位置分离在背风侧形成的旋涡结构与车体的夹角呈减小趋势,而旋涡流速增大。     

强侧风条件下接触网检修作业车气动性能研究

针对接触网检修作业车自轮运转特种设备在大风天气下运行及作业安全标准研究的缺乏,采用三维、不可压N-S方程和k-ε双方程湍流模型,计算不同防风设施、不同路况和不同环境风风速风向条件对接触网作业车气动性能的影响规律。研究结果表明:有挡风墙下,侧滑角较小时,随着路堤高度的增加,车辆倾覆力矩增大;侧滑角较大时,随着路堤高度的增加,车辆倾覆力矩减小;其拐点在45°~60°左右,具体数值与挡风墙类型有关。无挡风墙下,当侧滑角β≤60°时,车辆气动倾覆力矩随着路堤高度的增高而增大;当侧滑角β60°时,车辆气动倾覆力矩随路堤高度的增高变化不大。接触网作业车工作平台升起、在-120°~120°转动时,30°左右时整车的倾覆力矩最大,-90°左右时最小。     

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%。     

风环境下的列车空气阻力特性研究

采用风洞试验方法研究大风环境下列车(由头车、中间车和尾车组成)空气阻力特性,得到风速、风向、列车速度与列车空气阻力之间的关系式.研究结果表明:顺风使列车空气阻力骤降,相当于大风对列车产生非常大的助推力;逆风使列车空气阻力增加,相当于大风对列车产生附加空气阻力.列车空气阻力随小角度风向角的增加而迅速增大,此时,头车空气阻力系数与风向角或风车速比均呈二次方关系增加,而中间车和尾车的空气阻力系数与风向角或风车速比均呈三次方关系增加;当风向角达到一定值时,列车运行速度、风速、风向耦合作用使列车空气阻力达到最大值,此后,列车空气阻力不仅不再随风向角的增加而增大,还有可能随其增加而降低.     

平地横风环境动车组非定常气动特性的试验研究

在定常横风环境影响下,动车组在平地工况运行的稳定性、舒适性及安全性将会恶化。为了揭示其恶化的机理,开展动车组在平地工况伴随定常横风下运行的风洞试验,得到列车表面压力随时间变化的曲线后,再对列车受到的非定常气动载荷时域特性和频域特性进行分析。风洞测试结果表明：在相同风速和同一风向角下,平地动车组车体表面迎风侧1～8号测点和背风侧9～16号测点,其同侧各测点压力平均值在一定范围内波动,总体相差不大。当风向角为90°时,测点压力的幅值和最值随风速的增大而增大,其平均值与风洞来流风速的二次方成正比,即非定常气动压力振动剧烈,波动幅度明显增大。当合成风风速为60 m/s时,测点气动压力的平均值、最小值和最大值随风向角增大呈现先增大后减小的趋势,呈现正弦函数变化规律;当风向角增加到75°时,出现拐点,即最值点;车体表面两侧测点的幅值随风速的增大而增大,即非定常气动压力振动剧烈,振动幅度明显增大。而横风风速和风向角对非定常气动载荷的主振动频率带的影响不大;车体中部两侧测点的频率峰值均集中在0～18 Hz范围内,主振动频率均集中在0～4 Hz区间内,还明显存在频率为4～6 Hz,6～8 Hz和10～1...     

横风下普速客车与动车组在挡风墙后交会气动性能

基于三维、非定常、不可压缩N-S方程和k-ε双方程湍流模型,采用滑移网格技术,对横风作用下普速客车与动车组在挡风墙后交会气动性能进行数值模拟,并研究4种挡风墙高度对交会列车气动性能的影响。研究结果表明:数值模拟的列车表面瞬变压力与实车试验结果规律一致,交会压力波峰值的相对误差在10%以内;普速客车和动车组在横风下交会时,横风使得列车头部和尾部最大正压区和负压区域均发生了横向偏移;动车组与普速客车所受横向力和倾覆力矩均随着车速的增加而增加,当普速客车车速由100 km/h增至160 km/h时,普速客车和动车组倾覆力矩峰值分别增加了11.7%和20.8%,动车组受交会车速的影响更大。设置3.5 m高的挡风墙时,列车受到的横向力在4种挡风墙高度中整体上最小,与无挡风墙时相比,普速客车机车和动车组头车受到的横向力峰值分别下降了85.7%和45.4%,列车气动性能明显改善。     

高速列车局部外形气动优化设计研究

随着高速列车运行速度的提高,列车外形对气动性能的影响越发显著。以中国标准动车组为原型建立1:8比例3车编组仿真模型,对3种转向架裙板减阻方案、5种排障器导流罩减阻方案、4种车厢连接处外风挡减阻方案进行风洞试验。在60m/s风速,0°侧偏角条件下,裙板最优方案能使整车减阻10.2%;排障器导流罩最优方案能使整车减阻2.1%,外风挡最优方案能使整车减阻1.8%。试验结果为进一步优化中国标准动车组气动外形提供了理论参照。     

高架桥高度对高速列车气动特性的影响

文章采用计算流体力学方法,针对高架桥高度变化对列车气动特性的影响进行了研究。结果表明,随着高架桥高度的增加,头车的倾覆力矩系数略微增大,而中间车的倾覆力矩系数逐渐减小,尾车的倾覆力矩系数基本不变。高架桥高度达到15m后,列车的气动六分力基本不随高架桥高度的增加而变化。     

风载对高速列车蛇行运动稳定性影响

采用空气动力学和车辆动力学2种分析方法，建立考虑横风作用的高速列车空气动力学模型，分析不同风速及车速条件下列车所受的气动载荷特性变化规律；建立车辆-轨道耦合动力学模型，对高速列车在不同风速横风和轨道不平顺组合作用下头车、尾车和中间车的蛇行失稳临界速度、蛇行振动极限环幅值、蛇行振动频率、蛇行失稳特征等进行对比分析。结果表明：高速列车通过横风区段时产生的气动载荷对其蛇行失稳临界速度有明显影响，头车的蛇行临界速度较无风时明显下降，尾车及中间车的降幅次之；无风与风载工况下车辆的蛇行失稳形式存在本质区别，无风工况下车辆易发生二次蛇行，风载作用下车辆易发生一次蛇行；风载作用下，车辆发生蛇行失稳的最不利工况为较大的等效气动横向力和较大的气动升力共同作用的组合工况；风载和轨道不平顺的持续时间对车辆蛇行运动极限环振动幅值会产生影响，因此在评估高速列车在大风工况下的运行安全性时，有必要考虑实际的风载和轨道不平顺激励的大小和持续时间。     

大风环境下高速列车加速运行气动特性研究

基于三维非定常不可压雷诺时均N-S方程和Realizable k-ε湍流模型,采用滑移网格对大风环境下高速列车从静止匀加速到200km/h的非定常气动性能进行模拟。将列车匀速运行的非定常气动力系数的均方根值与风洞试验结果对比,两者规律吻合,幅值差小于10%。结果表明:在15 m/s的横风下,列车匀加速的不同时刻,头、尾车和车辆连接处压力波动明显,当列车运行速度与风速大小相等时,压力波动最大;气动力系数的变化率随车速与风速比值的增大而迅速减小;列车以不同的加速度运行时,相同车速受到的气动载荷相等,但随加速度的增加,侧向力、阻力、倾覆力矩的变化率不断增大,将导致短时间内高速列车气动载荷的变化增大。     

横风对受电弓各杆件气动特性的影响研究

建立受电弓-接触网-列车模型,通过雷诺时均方法研究了横风对受电弓各杆件气动特性的影响。通过改变横风风速、风向角,分析了受电弓的流线、表面压力和涡量等分布,探讨了受电弓各部件阻力系数、升力系数和侧向力系数,对比了各部件与受电弓总作用力系数的关系。研究表明:对于受电弓的滑板、上臂杆及下臂杆部分,其阻力、侧向力系数均随风向角和横风风速的增大呈现出逐渐增大的趋势;滑板阻力系数最大,下臂杆阻力最小;上、下臂杆升力系数为负值,与受电弓相比作用力方向相反。在各杆件中滑板所受气动力占总气动力份额最大。受电弓上部构件受横风和风向角产生的影响显著,其结果对受电弓各杆件气动特性的研究及应用具有重要意义和价值。