地铁列车通过隧道时的气动性能研究

列车通过隧道时引起的空气动力效应会对列车运行的安全性、乘客乘坐的舒适性等产生不良影响。基于列车空气动力学理论,采用计算流体力学软件FLUENT对某型号地铁车辆通过最不利长度隧道时的空气动力学性能进行数值模拟,得到并分析了地铁列车和隧道壁面监测点的压力时程曲线和分布特征。研究表明:车体表面压力峰峰值、3 s内车内压力波动最大值及隧道内附属物压力峰峰值,与列车速度的平方近似成线性关系;隧道断面净空面积越小,车体承受的压力越大;地铁列车通过隧道时需限速,以达到人体舒适性评价标准。     

高速列车通过隧道压力波特性试验研究

近年来,在多条高速线路上对各型高速列车进行了一系列隧道通过和隧道交会试验。现通过对这些空气动力学实车试验数据进行详细分析,获得了高速列车通过隧道和在隧道内交会过程中的压力波特性,以及压力波随列车长度、运行速度和隧道长度等影响因素变化的规律。     

高速列车通过长隧道引起的热、力效应研究

研究目的:针对列车横截面积与隧道横截面积比值阻塞比的不同,分析计算长隧道内运行的高速列车在不同速度下,由于空气动力学效应引起的列车阻力及热量增加,综合考虑辅助设备发热及隧道壁面热传导导致的能量损失,合理预测不同阻塞比下高速列车运行引起的隧道内温度升高及隧道内温度随时间的变化,得出长隧道内由于高速列车运行引起的热、力效应.研究结论:通过计算与分析表明,列车高速运行导致隧道内阻力变化及热效应的大小,受到列车隧道系统阻塞比的影响比车速的影响更大,列车空调放热是隧道内温度升高的主要因素,壁面摩擦等因素也会导致隧道内热量的进一步增加,行车密度对温度的影响将是非常关键的.对于高阻塞比的列车隧道系统,隧道中部残留的热量还较多,热量积聚效应不容忽视.     

快速地铁列车过隧道压力变化特性实车试验研究

为研究快速地铁列车在隧道内运行时的“列车-隧道”耦合空气动力特性，在杭海城际铁路开展实车试验，分别对列车以100 km/h与120 km/h的速度通过隧道时的车内外压力变化情况进行研究，计算压力峰-峰值、3 s压力变化幅值与1.7 s压力变化幅值，对比列车进隧道与出隧道过程中车内外压力变化情况，分析不同车辆编组位置与不同列车运行速度对车内外压力变化的影响，研究空调机组状态与车内压力变化幅值之间的关系。研究结果表明，快速地铁列车进出隧道过程中压力变化幅值相近；列车进入隧道并在隧道内运行时，尾车车内压力变化速率最快，车外压力峰-峰值从头车向尾车逐渐减小，而车内压力峰-峰值沿车长方向基本不变；当列车速度不同时，车内外压力对比应在无量纲时间下进行，随着列车速度的增大，车内外压力峰-峰值增大，压力变化速率加快；关闭空调机组可以显著减小车内压力变化速率，可为乘客舒适性研究提供参考。     

高速铁路隧道气动效应现场测试分析

通过现场测试高速铁路列车引起的隧道气动效应，分析列车速度、列车编组、隧道长度等因素对气动荷载、振动加速度和微气压波的影响。结果表明：列车通过隧道时，隧道壁面及附属设施表面气动荷载峰值与列车速度近似呈2次方关系；8编组列车通过较短隧道时气动荷载峰值大于通过较长隧道时，16编组列车则相反；控制箱左右两侧气动荷载峰值相差较小，顶底部气动荷载峰值相差明显；在隧道防护门中部气动荷载峰值大于上部和下部，上部和下部气动荷载峰值接近；隧道壁面无显著振动，隧道附属设施表面振动明显；在距隧道入口200 m处压力梯度峰值与列车速度呈3次方关系，列车运行速度超过一定值后，出口附近压力梯度峰值高于入口附近；隧道出口20 m处微气压波峰值与列车速度近似呈6次方关系。     

市域列车与隧道耦合气动效应数值模拟分析

为研究市域列车通过隧道的气动载荷变化规律，利用三维、瞬态可压缩的标准k-ε湍流模型计算了4节编组市域列车通过3种不同断面隧道时的气动效应，并分析了车体表面、隧道壁面及紧急疏散平台的压力时程变化。结果表明：(1)隧道A情况下的列车表面压力峰值为2 600 Pa,隧道壁面压力峰峰值为4 100 Pa;隧道B情况下的列车表面压力峰峰值为2 000 Pa,隧道壁面压力峰峰值为3 300 Pa;隧道C情况下的列车表面压力峰峰值为3 700 Pa,隧道壁面压力峰峰值为5 500 Pa; 3种不同断面各隧道条件下，紧急疏散平台处压力变化规律与隧道壁面压力变化规律基本一致。由此可见，隧道阻塞比越大，隧道内压力波变化越剧烈。(2)隧道A测点x(线路纵向)方向气流速度变化峰值为17 m/s,隧道B测点x方向气流速度变化峰值为32 m/s,隧道C内疏散平台测点x方向上的气流速度变化幅值最大，约为40 m/s,隧道A、B、C内疏散平台测点在y(线路横向)和z(线路竖向)方向上的速度变化不大。     

基于变流通截面的高速铁路隧道单车压力波数值计算探讨

基于隧道内空气流通截面是时间和距离的二元函数条件与一维可压缩非定常不等熵流动理论,提出了高速铁路隧道单车压力波广义黎曼特征线法的计算方法和计算程序,并进行了不同喇叭状隧道端口条件下和不同列车前端鼻部长度的空气动力学效应的分析计算。     

列力通过隧道诱导的气动变化规律的试验研究

以普速钝形列车通过隧道时的列车风和动气压力波的现场运行试验研究为基础，讨论了隧道内列车风和隧道侧壁气动压力波的特性。揭示了带有普遍性的一些规律，为高速铁路隧道空气动力学学科的建设和高速铁路隧道设计提供了部分试验依据。     

无竖井单线隧道活塞风影响因素分析

采用非恒定流活塞风计算理论,按列车行驶在单线无竖井隧道中的不同位置,分四种情况(列车部分进入隧道,列车全部进入隧道,列车部分驶出隧道,列车全部驶出隧道后活塞风的衰减过程)建立了简化的活塞风分析数学模型.在此基础上,通过MATLAB软件进行数值求解,得到列车经过某区间隧道时的活塞风速度变化情况.分析了列车运行速度、列车长度、列车对隧道的阻塞比以及区间隧道长度对活塞风的影响.本方法可以作为列车以不同速度行驶在各种单线、无竖井隧道内活塞风速度的试用计算工具.     

运行中地铁列车的车内外压力变化特性研究

通过对我国某型地铁列车进行隧道空气动力学实车线路试验,得到地铁列车实际运行过程中车内、外压力变化规律。试验结果表明:该型地铁列车车内压力变化满足我国地铁设计规范舒适度评价标准及美国地铁人体舒适度评价标准。地铁列车运行过程中,最长隧道区间的车内、外压力变化幅值明显大于其它隧道;列车以不同速度和模式运行中,车内1.0 s、1.7 s、3.0 s时的压力变化幅值和车外各测点压力变化幅值均不相同,车体表面测点压力变化由车头至车尾方向呈逐渐减小的趋势。     

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。     

列车交会压力波与运行速度的关系

随着列车速度的提高,列车交会时产生的瞬态压力冲击对行车安全、旅客舒适性均产生严重影响。根据多次实车试验结果和理论分析,将列车交会分为列车静止交会、等速交会和不等速交会3种工况,研究了3种工况的列车交会压力波与运行速度之间的关系,得到一系列回归关系式。研究结果表明:静止列车上的压力波与交会列车运行速度的平方成正比;两列车等速交会时,列车上的压力波幅值与两交会列车的运行速度和相对速度的平方成正比;两列车不等速交会时,高速列车承受的压力波幅值小于与之交会的低速列车所承受的压力波幅值;两列车等速交会时的压力波大于一方列车静止时交会的压力波。     

高速列车隧道内等速交会对车辆动力学性能的影响

基于风压载荷空气动力学控制方程,利用计算流体力学软件FLUENT,分析高速列车在不同线间距隧道内,以不同速度级等速交会时的车体表面风压和受到的气动力;将隧道内交会时受到的气动力以时程荷载的形式施加到车辆动力学模型中,分析其对各项车辆动力学性能的影响规律,并进行安全性和平稳性指标分析。结果表明:列车在隧道内等速交会时,头车所受的气动阻力、升力、横向力最大;高速列车表面所受的风压极值与速度的2.2~2.3次方成正比,所受的气动阻力、升力、横向力与速度的1.8~2.4次方成正比;隧道内高速交会对车辆安全性指标影响不大,仅在交会瞬间产生较大的车体横向振动,当运行速度达到400km·h^-1时各项安全性、舒适性指标均满足限值要求。     

高速列车头车外形结构优化风洞试验研究

我国最新一代高速列车为CRH380A,最高运营时速为350 km/h。现以500 km/h的高速列车为研究背景,对CRH380A高速列车头车外形结构进行优化,在中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所的8 m×6 m风洞中对四种不同优化方案的高速列车头车的气动特性及其对有限编组列车气动性能的影响进行试验研究。试验结果表明:当侧偏角为0°时,在35～70 m/s的试验风速范围内,风速的变化对头型NEW-A的气动特性的影响很小;当侧偏角不变时,模型NEW-A的头车、中间车和尾车气动阻力最小,4种头型当中NEW-A头型的空气动力性能最好。     

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%。     

基于延迟脱体涡算法高速列车通过隧道时的绕流特性

基于延迟脱体涡算法和滑移网格技术,建立CRH380A型列车的含有转向架的三维可压缩瞬态仿真模型,模拟研究高速列车气动力、速度场和表面压力这3大绕流特性的变化规律。结果表明:延迟脱体涡算法能较好地捕捉列车通过隧道时的气动特性;当列车头部刚驶入隧道时,气动阻力迅速升高并在车头完全进入隧道时达到最大值,列车下方2侧的速度纵向分量会急剧增加,位于靠近设备舱位置的速度纵向分量会显著降低;当尾车刚驶入隧道时,隧道内壁与列车侧面之间的流场会出现回流区;当尾车全部刚驶入隧道时,气动升力和侧向力骤然增加;当列车全部驶入隧道后,气动力的波动幅值均明显升高;列车通过隧道过程中,列车侧面压力整体上呈现先增后减、最后维持周期性波动的趋势,处于尾流区的车尾部位具有更强烈的波动特征;列车裙板和车底的表面压力整体上均呈先减后增、最后维持在较高幅值波动的趋势,对列车相关结构的疲劳强度产生不利影响。     

明线上与隧道内高速列车流场结构及气动噪声源

基于成熟的明线上高速列车气动噪声计算模型和可压缩大涡模型,考虑声学无反射边界条件,利用计算流体力学软件Fluent建立无限长隧道内高速列车气动噪声计算模型,对比分析高速列车在明线上与隧道内运行时的流场组织结构和气动噪声源。结果表明:高速列车在明线上与隧道内运行时具有类似的流场结构和气动噪声源分布规律,但隧道内的流场结构尺度与强度、气动噪声源强度均比明线上大;车速为350 km·h-1时,隧道内头车排障器尖点扰动区的速度幅值约为明线上的1.2倍,列车尾流区长度约为明线上的1.7倍,整车、1位转向架、头车流线型车底及中间车上部的等效声源声功率分别约为明线上的3.2倍、1.6倍、2.7倍和4.2倍;隧道内活塞效应并不是在全频率范围增加等效声源声功率,而是在包含峰值频率较狭窄的频率范围显著地增加等效声源声功率。     

环境风对路堤上快运集装箱平车气动力性能影响

基于三维、定常、不可压Navier-Stokes方程和k-epsilon双方程湍流模型,采用FLUENT流场计算软件对环境风作用下铁路快运集装箱专用平车(简称集装箱平车)所受气动力进行数值模拟计算。分析列车在铁路路堤上运行时车速和风速对车辆气动性能的影响,得出车辆气动力与车速、风速之间的变化关系。研究结果表明,在环境风作用下,10 m路堤上运行的集装箱平车:1)迎风面处于较大的正压区内,背风面处于负压区内,集装箱平车的背风面、顶部以及底架附近,均有漩涡产生;2)风速为32 m/s、风向角为90°时,车辆所受横向力、升力和倾覆力矩均随着车速的增大而增大;3)车速为160 km/h、风向角为90°时,车辆所受横向力、升力和倾覆力矩随风速的增大而增大;其中倾覆力矩近似与风速的1.6次方成正比。     

基于无限大障板圆形活塞辐射原理的隧道微压波计算方法

高速列车驶入隧道端口瞬间在车头前形成压缩波。该压缩波沿隧道以声速向出口端处传播,并在洞外形成微压波。本文根据声学中无限大障板圆形活塞的辐射模型,开发了已知隧道出口端内压缩波压力梯度和大小时的微压波计算程序,并采用国外试验结果验证了程序的正确性。结合拟议的我国高速铁路隧道特征,初步分析了洞口微压波的主要影响因素,显示列车速度、隧道断面面积影响较大。微压波的大小与观测点有很大关系,这对于判断微压波的强弱、危害及其标准研究有很大关系。结果分析也说明所建程序的合理性与简便性,是一种适合工程设计方案比选的方法。