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。     

裙板结构对地铁车辆气动性能的影响

采用计算流体力学的方法,分别分析了地铁车辆在明线行驶和通过隧道时,车辆转向架及周围裙板结构对地铁车辆整车气动性能的影响。计算结果表明,安装裙板可以有效降低地铁车辆转向架区域的气动阻力,其中对第1台转向架的影响最为显著,但同时也会导致列车车身阻力的增加;安装裙板后的地铁车辆在明线行驶时,整列车的气动性能得到明显改善,但当其通过隧道时,整列车的减阻效果并不明显。     

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。     

高速列车减阻技术试验研究

为改善高速列车空气动力学性能,减小列车阻力,采用风洞试验方法针对高速列车转向架区域、车端连接区域及车底排障器导流罩区域进行优化设计与方案对比,得出如下结论:转向架区域的空间越小,减阻效果越好,若增加底部导流板可减阻3.4%,增加外风挡可减阻1.9%;排障器导流罩距轨面高度越小、后端距离转向架空腔越近,减阻效果越好,可减阻2.1%。此研究结果可为高速列车气动结构优化设计提供依据,具有重要的现实意义。     

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。     

车辆前导流罩、裙板、底板对列车通过隧道时气动性能的影响规律研究

文章采用动模型试验与三维流场数值模拟方法,对某型城际动车组在无前导流罩、无裙板、无底板,有前导流罩、无裙板、无底板,有前导流罩、有裙板、有底板3种情况下,以250km/h通过净隧道时引起的阻力变化及瞬变压力变化问题进行了研究,得出了列车前导流罩、裙板以及底板对整车气动阻力及瞬变压力的影响规律。列车通过隧道时,前导流罩、裙板以及底板对其阻力有明显的影响。前导流罩对列车整体空气动力学性能影响很大,有前导流罩破坏了列车车头的整体流线型,严重影响了列车的气动性能。裙板及底板对列车阻力影响较大,对压力波影响相对较小。有前导流罩、有裙板、有底板列车的空气动力学性能明显优于无前导流罩、无裙板、无底板和有前导流罩、无裙板、无底板的列车的空气动力学性能。     

CRH380BL高速动车组气动外形优化设计

降低列车运行阻力是实现高速列车速度能力提升、节能环保的有效手段。通过仿真分析和风洞试验等手段,研究了CRH3动车组气动外形与空气阻力的关系,并对车辆间连接结构、转向架区域、车顶设备导流区域等部位进行了优化,提出了CRH380BL动车组的最佳气动外形方案。     

受电弓下沉对高速列车气动阻力的影响

采用计算流体力学方法对受电弓下沉的安装方式进行数值模拟,分析受电弓安装平台不同高度下沉和不同轮廓外形对高速列车气动阻力特性的影响。研究结果表明:受电弓适当下沉后,受电弓下部底座、绝缘子迎风面正压降低,背风面负压减小,使得受电弓前后压力差减小,受电弓的气动阻力降低;当下沉高度为450 mm时,受电弓气动阻力减小52.92%,整车阻力也下降6.19%;受电弓安装平台的轮廓外形细微地改变了受电弓下部的压力分布,进而影响受电弓的气动阻力;不同轮廓外形下,受电弓的气动阻力最大相差为20.78%,整车阻力相差1.68%,综合来看,矩形安装平台的减阻效果最为显著。     

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。     

高速列车尾车垂向偏置对列车气动性能影响

在长期的高速列车运营过程中,极易形成前后车辆的不同形式偏置,造成列车气动性能改变,甚至可能引发行车平稳性问题,极大影响乘坐舒适性和安全性。以高速列车尾车作为研究对象,探究尾车上下偏置时,高速列车尾部流场变化以及气动特性。基于SST k-ω双方程湍流模型,采用数值仿真方法研究了350 km/h高速列车尾车无偏置、尾车下降20 mm、尾车下降40 mm、尾车下降60 mm、尾车上升20 mm、尾车上升40 mm以及尾车上升60 mm 7种工况下列车的气动性能,分析高速列车气动阻力的变化规律,揭示了不同垂向位移下高速列车尾部流场特性以及列车表面压力分布情况。研究结果表明：高速列车尾部垂向位移对列车整体气动阻力影响较小,但对高速列车气动阻力分布以及流场特性造成一定影响。当尾车偏置位移达到60 mm时,列车车体气动阻力相对于无偏置工况分别降低了-1.11%和2.64%,转向架气动阻力相对无偏置情况下分别降低了11.35%和-17.43%。此外,尾车偏置对列车近尾流区域流场结构有一定影响,尾车鼻锥下方排障器周围漩涡结构由双漩涡结构向单漩涡结构转变;鼻尖处漩涡结构随着尾车高度下降而增大,随着尾车高度...     

高速列车气动阻力分布特性研究

针对由8辆车组成的CRH3型动车组的实际外形,生成约1.6亿个计算网格,采用大规模并行计算,模拟单列高速列车在明线轨道上以350km/h速度运行时的气流流场,并对列车各组成部分的气动阻力特性进行统计和归类,给出各部件气动阻力对列车总气动阻力的贡献,为高速列车局部减阻优化设计提供参考。     

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。     

城际动车组气动阻力优化的风洞试验研究

采用风洞试验方法对城际动车组气动阻力优化进行研究,获得不同侧滑角下的城际列车明线及横风气动阻力,并分析头部外形、风挡结构、车底设备对动车组气动阻力的影响规律。研究结果表明:侧偏角在0°～10°范围内,随着侧滑角增加,头车阻力系数逐渐增大,中间车阻力系数先增大后减小;尾车阻力系数对于侧滑角最敏感,头车次之,中间车最小。无横风时,设置外风挡显著减小了头车及尾车阻力系数,但导致中间车阻力系数增加约16.7%,整车阻力系数仅减小4%左右。安装设备舱后,车体底部杂乱的气流变得平顺,无横风时整车气动阻力系数较减小22%,而横风环境下整车气动阻力系数降幅可达25%。     

轴箱布置方式对高速列车车轴承载性能的影响

通过建立轴箱内置和外置的高速列车车轴承载理论模型、有限元模型和车辆系统动力学模型，研究轴箱布置方式对车轴受力状态、应力分布和动荷载的影响。结果表明，轴箱内置的高速列车车轴所承受的最大合成弯矩仅为传统轴箱外置车轴的50%，充分挖掘了轴身的承载潜力，在实现轻量化设计方面有着独特的技术优势。与传统轴箱外置式车轴相比，轴箱内置的方式使得车轴的临界安全截面转移至轴颈两侧的过渡区域。轴箱内置式车轴轮轨垂向力的极限增减动力载荷明显低于传统轴箱外置式车轴，而轮轴横向力的极限增减动力载荷略高于传统轴箱外置式车轴，两者均有利于降低车轴所承受合成弯矩水平。综上得出轴箱内置车轴是一种在高速铁路领域极具应用潜力的新型铁路车轴结构。     

加装转向架裙板对动车组气动载荷的影响

某型动车组在最高时速(250 km/h)运行时受空气动力载荷影响明显。为了研究加装转向架区域裙板对动车组整车气动载荷的影响,对该型动车组加装与不加装裙板的两种情况进行了仿真计算。分析结果显示,加装裙板对改善动车组整车动力学性能有积极的作用。     

轻轨列车转向架裙板设计与分析

介绍了轻轨列车转向架裙板布置形式及外形尺寸确定的依据,介绍了转向架裙板结构组成和安装方式。通过裙板静强度计算和疲劳强度校核,得出转向架裙板结构设计参数,以保证设计的合理性,达到安装便捷、防护好、外形美观的效果。     

高速动车组受电弓导流罩多学科优化设计

受电弓导流罩是改善高速动车组气动性能的重要部件。为降低高速动车组受电弓导流罩区域的气动阻力,基于DOE(实验设计)方法对优化空间均匀采样,进行了涉及气动性能、结构强度等性能指标的多学科优化设计;然后借助NCGA(多目标优化遗传算法)建立近似模型,寻求气动阻力、结构强度综合性能最佳的导流罩结构。结果表明,最佳受电弓导流罩方案的整车气动阻力比初始方案降低5%,同时压力、变形满足设计要求。     

高速列车气动噪声源特性研究

本文建立包括头车、尾车、中间车、受电弓、6个转向架在内的CRH3高速列车整车三维绕流流动的物理数学模型,用Fluent软件内大涡模型数值计算外部瞬态流场,得到时域Lighthill声源项,对时域声源项进行傅利叶变换得到频域声源项,用有限元-无限元法计算高速列车车头及转向架、受电弓、车尾及转向架附近的气动噪声,得到高速列车主要气动噪声源的声压分布及特点。计算结果表明:受电弓弓头部附近气动噪声最大,而且具有更多高频噪声,300km/h速度运行时其总声压级为156.3dB,受电弓底座也具有很高的声压级,并且具有较多的低频噪声;在车头及第一个转向架附近,转向架区域噪声明显高于车头鼻尖处,其总声压级分别为135.3dB和129.7dB;在车尾及最后一个转向架附近,车尾部噪声大于转向架区域噪声;总气动噪声声压级按受电弓滑板、受电弓底座、车尾部、第一个转向架、车头部逐次降低。通过与现有文献的对比分析,证明了本文计算结果的正确性。     

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...     

高速列车玻璃钢裙板结构强度分析

随着高速列车运行速度的提高,列车与空气间的相互作用加剧,气动阻力对列车的影响越来越大.为了在美化列车车头外轮廓的前提下优化司机室区域的空气受流情况,高速列车普遍采用便于成型的玻璃钢裙板结构.在对某型动车组头车玻璃钢结构模型合理简化的基础上,依据EN 12663-1：2001[1]确定了载荷工况,完成对裙板及其安装附件的强度校核,结果对后续玻璃钢裙板结构设计及优化具有一定的参考意义.