横向紊流风作用下桁架梁上列车气动特性的试验研究

在风洞试验室建立2种大气紊流场,并以某钢桁梁和1列高速列车为例建立1∶29.7的车桥节段模型,进行横向紊流风作用下桁架梁上列车气动特性的试验。采用同步测压法得到静止列车上的气动力分布,研究列车在不同位置、不同风攻角以及不同紊流场下的侧向力系数和气动导纳函数。结果表明:两车交汇时位于迎风侧列车的侧向力系数最大,列车单车位于背风侧时的侧向力系数相对最小,在-3°风攻角时的列车侧向力系数比+3°风攻角时大,紊流场对列车的侧向力系数有一定的影响,高紊流场中的列车侧向力系数相对更大;列车位于迎风侧(单车迎风侧和双车迎风侧)时,其侧向力气动导纳相对较小,而升力气动导纳相对较大;当折减频率小于0.1时,列车侧向力气动导纳在+3°风攻角时最大,升力气动导纳在-3°风攻角时最大;紊流积分尺度越大,列车气动导纳相对越大。在对试验影响因素总结的基础上,提出列车侧向力和升力的气动导纳函数拟合公式。     

公铁平层超宽钢箱梁-列车系统气动参数数值模拟研究

采用数值模拟方法对公铁平层超宽流线形钢箱梁上列车与主梁的气动力特性进行了分析.测试了车桥组合下列车与桥梁的平均气动力系数,讨论了风攻角、列车位置对列车气动力的影响;研究了列车及主梁的二维气动导纳.结果表明:列车位于迎风侧(Ⅰ车道)时离桥梁前缘较近,直接受来流风作用,列车的阻力系数比位于其他车道时偏大;列车位于背风侧(Ⅱ...     

南京大胜关长江大桥地铁列车运行气动性能研究

以南京大胜关长江大桥地铁搭载段为研究背景，通过风洞试验，探究不同风攻角、列车位置及附属设施状态下地铁列车气动力系数变化规律，进而揭示地铁列车气动特性对列车运行稳定性影响的规律。研究结果表明：风攻角对双线在轨列车稳定性影响更大；当桥梁无附属设施，风攻角的增大不利于迎风侧列车稳定性，双线在轨列车比单线在轨列车更稳定；当桥梁有附属设施，且列车位于边跨时，风攻角越大迎风侧列车越稳定，而背风侧列车则相反，当列车在中跨运行时，列车侧向力及侧向倾覆力矩系数大于边跨，而升力系数小于边跨，表明桥梁桁架改善了列车的抗倾覆性能；桥上增加附属设施后，列车的侧向力及侧向倾覆力矩系数降低，表明附属设施有一定的格挡作用。     

悬挂式单轨简支梁风车桥耦合动力分析

研究目的:悬挂式单轨梁梁部活恒载荷比大、宽跨比小,具有结构刚度小、阻尼比小等特点,易发生风致振动,从而影响悬挂式单轨列车乘坐舒适性、结构耐久性及安全性。本文采用ANSYS软件建立桥梁模型,在SIMPACK软件中建立车辆模型,对车辆和桥梁子系统施加静风力和脉动风力,建立风车桥耦合动力系统。以某悬挂式单轨双线7跨30 m简支梁方案为例,进行不同风速激励下双线列车交会的系统动力响应分析。研究结论:(1)采用通用软件可以开展悬挂式空轨风车桥耦合动力分析;(2)气动三分力系数在不同车桥组合下变化明显,横风对双车交会过程中背风侧车辆的风载突变效应强于迎风侧车辆;(3)梁部跨中横向位移在风速15 m/s到25 m/s区间随着风速的增大而增大,平均风对迎风侧轨道梁横向位移的影响比背风侧大;(4)双车交会过程中,迎风侧车辆横向加速度变化不明显,由于背风侧车辆三分力系数的显著变化,横向加速度在交会开始和结束时变化明显,风载突变效应显著;(5)本研究成果可为悬挂式单轨交通系统的结构设计与运输管理提供参考。     

风屏障对公铁两用桥上车辆气动特性的影响

以某公铁两用桥为研究背景,通过大比尺节段模型风洞试验,使用天平测试有无风屏障时公路和铁路车辆气动特性,采用风速仪测试了桥面的风剖面分布,研究了车道和车辆类型对公路桥面车辆气动特性的影响。结果表明:设置风屏障有效降低了公路和铁路桥面的局部风速和车辆的气动力系数;公路桥面车辆气动力系数总体上随车道距风屏障距离的增加而减小,相同风屏障对大货车气动特性的降低程度相对于小货车和客车更为明显;设置风屏障后铁路桥面迎风侧和背风侧列车阻力系数的折减率基本接近,但升力系数的折减率差异较大。     

侧向风作用下车桥系统气动性能及风屏障的影响研究

采用计算流体力学软件建立桥梁单体、车辆单体以及车桥组合体模型,湍流模型取标准κ-ε模型,计算各模型在不同风攻角时侧向风作用下的气动力系数.考虑风屏障对车辆、桥梁气动性能影响,建立风屏障、桥梁与车辆组合体模型,分析风屏障不同开孔率时车辆、桥梁气动力系数变化规律.结果表明:车辆位于桥上时,桥梁阻力和车辆侧力会增大;桥上车辆侧滚力矩系数明显大于车辆单独存在的情况,且车辆位于桥上迎风侧大于背风侧的情况;安装风屏障后,桥梁阻力和力矩系数随开孔率增大而降低,车辆侧力系数和力矩系数随开孔率增大而增大;为保证风屏障有效性,风屏障开孔率应小于40％.     

高速列车隧道内等速会车时气动作用力的数值模拟

基于三维非稳态黏性Navier-Storkes方程及k-ε两方程紊流模型,利用包含移动网格技术的计算流体动力学方法,对高速列车在长隧道内等速交会过程进行动态数值模拟,模拟2列相同外型的列车以4种车速交会时的流场,分析会车过程中交会列车所受气动侧向力、侧翻力矩及偏转力矩的变化情况,初步得到隧道内会车时气动作用力的变化规律。计算结果表明:隧道内列车交会过程使列车受到较大的侧向力、侧翻力矩和偏转力矩;每节车厢侧向力和侧翻力矩方向经历2次变化;偏转力矩方向经历4次变化。气动力与力矩的大小是车速的二次方函数。气动力及气动力矩的变化率与车速的三次方成正比。     

风沙环境下高速列车气动特性分析

基于SST k-ω湍流模型和Euler-Lagrange离散相模型，建立了风沙环境下高速列车空气动力学计算模型，研究了不同沙粒浓度、不同风速及不同车速条件下的列车空气动力学性能。计算结果表明：风沙环境下，列车头车迎风侧主要受正压力影响，背风侧主要受负压力影响，最大正压力区域由鼻尖逐渐向迎风侧偏移；由于横风的影响，随着沙粒浓度的增强，头车迎风侧沙粒质量浓度增大，背风侧沙粒质量浓度变化较小；对于固定的车速和风速，头车气动力系数随沙粒浓度的增强而增大，且与沙粒浓度近似呈线性关系；沙粒浓度固定时，头车气动力系数随风速的增大而增大，随着车速的提升，头车气动力系数反而下降；风沙环境下，头车侧力系数、头车侧滚力矩系数可近似拟合为沙粒浓度、侧偏角及合成风速的二次多项式；头车升力系数可近似拟合为沙粒浓度、侧偏角及合成风速的三次多项式。     

新疆单线铁路土堤式挡风墙坡角优化研究

为提高新疆单线铁路土堤式挡风墙的防风效果,防止列车倾覆,提出只改变挡风墙的迎风侧坡角而背风侧坡角不变(方案1),以及挡风墙的迎风侧坡角和背风侧坡角相等且同步改变(方案2)的2种优化方案。采用数值模拟计算方法对比这2种优化方案对列车气动力系数的影响。结果表明:在列车处于静止状态下,方案1中挡风墙迎风侧最佳坡角为57°,方案2中挡风墙迎风侧和背风侧最佳坡角均为69°;在列车以20～120km.h-1速度运行的动态状态下,按方案1,为达到列车倾覆力矩为0的最佳防风效果,挡风墙迎风侧坡角也必须随着列车运行速度的增大而增大;而按方案2,挡风墙的迎风侧和背风侧坡角基本不随列车速度的变化而变化。因此建议在实际工程中采用方案2进行土堤式挡风墙坡脚的优化设计。     

侧风下高铁列车交会运行时车—桥耦合振动

采用流体力学计算软件FLUENT和动网格技术建立侧风下2列3节列车交会的气动力计算模型,通过自编UDF程序实现列车交会运动,分析列车交会过程中的气动力。根据列车中间车厢气动力的相似性扩展得到2列8节列车交会的气动力时程,将列车真实非定常的气动力以力元的方式加载到由有限元软件ANSYS和多体动力学软件SIMPACK联合建立的高速列车—多跨简支梁三维动力分析模型中,进行侧风下高速列车交会运行时车—桥耦合振动研究。结果表明:列车交会气动力对列车轮轴横向力、脱轨系数以及竖向加速度的影响较小,但会增大列车的轮重减载率,并显著增大列车的横向加速度;侧风显著增大列车的轮重减载率、轮轴横向力和脱轨系数;列车轮重减载率是控制列车车速阈值的控制因素;列车交会气动力对列车运行安全性的影响不应忽视,在[0,15),[15,20)和[20,25) m·s~(-1)风速的侧风下,列车车速阈值分别为350,275和200 km·h~(-1)。     

不同侧偏角下跨坐式单轨列车侧向气动特性分析

侧向气动特性在很大程度上影响着跨坐式单轨车的运行安全性。基于CFD方法对不同侧偏角影响下的某跨坐式单轨列车侧向气动特性进行模拟分析。通过比较分析不同方案下的侧向气动力计算结果及列车周围流场结构,得出随侧偏角的增加跨坐式单轨列车侧向气动力逐渐增大,头车受到的侧向力和侧倾力矩最大,因而侧风对头车的运行安全性影响最大的结论。     

高速列车运行对铁路简支箱梁空气动力特性的影响

列车—桥梁系统的空气动力特性不仅受组合断面上的气动绕流影响,而且在顺桥向列车对桥梁的影响还呈现出非均匀性及动态变化。以高速列车通过铁路双线32 m简支梁桥为例,分析头车前35 m至尾车后35 m范围内的桥梁三分力系数变化规律,得到了高速列车运行对该型桥梁不同位置断面空气动力特性的影响规律。研究发现,在任意时刻列车对铁路桥梁的空气动力特性影响都可划分为覆盖区、过渡区和无影响区3个区段,且随着列车在桥上的运行,列车对桥梁的影响区域在动态变化。提出了一种移动窗口模型方法来动态更新桥梁不同部位的气动力系数。该方法真正实现了列车—桥梁系统的动态气动耦合,能够更为精确地模拟风—车—桥系统耦合分析中的动态风荷载。     

非定常气动荷载对桥上列车行驶安全舒适性影响分析

为了研究非定常气动力荷载对桥上列车行车安全性和舒适性的影响,结合有限元软件ANSYS和多体动力学软件SIMPACK,建立列车-轨道-桥梁三维多体系统模型,计算风-列车-桥梁耦合系统的动力响应;对比分析定常与非定常气动力荷载作用下桥上列车的行驶安全与舒适性,研究非定常气动力荷载作用下不同横向风速对列车行驶安全的影响。研究结果表明:列车行驶速度为200~300km/h,无风荷载情况下,各安全性与舒适性指标值均满足要求且均小于风荷载作用。横风作用下平均风速为20 m/s,考虑非定常气动力荷载的影响不仅会使列车行驶安全评估结果更安全,还会使列车舒适性评估结果偏于保守。平均风速不超过20 m/s,车速控制在250 km/h,桥上列车行车安全、舒适性均满足要求,且平稳性等级可达到"良好"以上。通过对不同横向风速下桥上列车行驶安全分析,给出桥上列车安全行驶的阈值,为列车的安全运营提供依据。     

高速列车通过峡谷风区时气动性能研究

基于三维非定常可压缩雷诺时均N-S方程和RNGκ-ε双方程湍流模型,采用滑移网格技术,对峡谷风作用下8车编组的高速列车进出隧道气动性能进行模拟,并对沿线风速进行监测。研究表明:列车平地上非定常数值计算所得气动力系数均方根与风洞试验结果规律一致,两者吻合较好。由于受狭道效应和峡谷中地形地貌的共同作用影响,桥上各监测点的风速呈非对称分布。列车从隧道中驶入峡谷风区和从风区驶入隧道中两过程,列车气动力系数变化有明显差别。列车在峡谷风区高速行驶过程中,列车气动力及力矩系数会因受到以峡谷风为主的地形风影响而出现明显波动,其中尾车侧向力系数和头车升力系数受影响变化最大,分别为67%和216%。     

高速铁路封闭式声屏障的风压荷载试验研究

针对高速铁路封闭式声屏障在列车风与横风作用下的风压荷载问题,采用中南大学自主研发的横风-移动列车风洞试验系统,研究横风和列车风作用下声屏障的风压荷载分布.研究结果表明:圆形断面封闭式声屏障外壁风压系数分布沿环向先减小后增大,与单圆柱的风压分布大致相似,给定风速下最大负风压系数-3.38;单车通过声屏障时脉动风压幅值与车速平方近似成正比,同一截面风压沿环向非均匀分布,近侧的压力峰值高于远侧,最大相差16％;2车交会时,交会区域风压峰值明显增大且极值风压出现在交会截面,其值约为单车通过时极值风压的2倍.     

自然风对高速磁浮列车气动特性的影响

基于可压缩黏性流体的N—S方程和k—ε两方程湍流模型,采用有限容积法对磁浮列车受自然风作用下的气动力特性进行计算分析,结果表明:自然风导致列车表面的压力分布发生变化,除了列车头、尾部压力峰值点发生偏移外,列车迎风侧面的压力随着自然风速的增加而增大,随着自然风与列车之间夹角的增大呈现先增大后减小的变化规律;列车受到气动升力、侧向力以及侧滚力矩、俯仰力矩和偏转力矩的作用也随着自然风与列车之间夹角的增大呈先增大后减小的变化规律,且在自然风向与列车运行方向垂直时达到最大,此时列车受到的气动力及力矩作用均随自然风速的增大而单调增加。     

"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。     

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。     

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。     

路堤上运行的高速列车在侧风下的流场结构及气动性能

强侧风产生的气动力时高速列车的运行安全性有显著的影响。基于三维、定常、不可压N-S方程以及k-ε双方程湍流模型,采用有限体积法,对侧风作用下路堤上运行的高速列车进行数值模拟计算,所模拟的列车时速达350 km。通过分析侧风条件下列车周围的流场结构,得到了风速、车速与气动力之间的变化关系。研究结果表明,尽管所计算的列车外表几何形状简单,但其流场仍然非常复杂,列车背风侧将产生数个漩涡,漩涡的位置随车速、风速发生变化。车辆气动力随风速、车速的增加而逐渐增大。头车所受倾覆力矩最大,且其增长率也最大。