基于大涡模拟的高速列车横风运行安全性研究

结合高速列车空气动力学和多体系统动力学,研究横风对高速列车运行安全性的影响.首先采用大涡模拟计算方法,研究了不同横风风速下高速列车非定常气动载荷的时域及频域特性,列车周围流场结构及相应的非定常流场特性.然后建立高速列车多体系统动力学模型,将得到的气动力作为外加载荷作用于列车上,研究了不同横风风速下定常气动力和非定常气动力对直线上高速列车运行安全性的影响特性,计算结果表明,与定常气动力相比,作用于车身上的非定常气动力使列车的振动加剧.最后参照高速列车的安全运行标准,对高速列车的安全运行进行分析,为横风下高速列车的安全运行提供参考.     

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...     

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%。     

强侧风环境下CRH1型高速列车气动性能研究

基于三维、定常、不可压缩N-S方程及k-ε双方程湍流模型,采用数值模拟计算方法分别对高速列车CRH1在不同侧风风速、不同风向角工况下的气动性能进行模拟。研究结果表明：对于不同横风风速,车辆的横向力、升力及倾覆力矩均随着横风风速的增大而增大,但其对应的气动力系数基本保持不变;对于不同风向角,车辆的横向力、升力及倾覆力矩均随着风向角的增大而增大,风向角为75°时,气动力增长率变缓,对应的气动力系数变化与之一致。     

高速列车受电弓非定常气动特性研究

受电弓系统的受流特性对高速列车的安全运行至关重要,受电弓的非定常气动特性严重影响受电弓系统的受流状态.本文采用脱体涡模拟(DES),对高速列车受电弓的非定常气动特性进行深入研究.研究表明:受电弓脱体涡的强度、脱落频率对受电弓气动升力系数影响很大.无横风条件下,受电弓受到的升力为负升力,列车运行速度为350 km/h时,其升力的波动幅度达110％,速度增加,其波动幅度增大,频率增大,受电弓的横向受力很小;横风条件下,受电弓的升力振动频率与无横风时有很大不同,升力系数变比不大,侧向力随横风速度的增大而增大.研究结果为高速受电弓的优化设计提供了依据.     

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)。     

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...     

高速列车明线交会对列车的横向振动影响研究

采用数值分析方法,计算高速列车在明线交会过程中列车所受气动载荷,建立列车系统动力学模型,求解列车在气动力作用下的横向振动。采用有限体积法对三维瞬态可压缩雷诺时均Navier-Stokes方程和RNGκ-ε方程湍流模型进行求解,并通过动网格动态铺层技术实现列车的运动,将计算出的气动力和力矩作用于车体,同时对轨道不平顺及气动载荷作用下的动力学进行分析与数值模拟。结果表明:明线列车交会过程中,在考虑气动力时,气动载荷的横向振动频率主要集中在0.5~6.5Hz范围内。列车横向振动加速度及横向平稳性的影响比只考虑轨道不平顺时明显增加,其中头车的影响最为明显。     

不同运行方式对高速地铁气动效应的影响

为了研究时速140km/h高速地铁列车以不同运行方式在隧道中运行时的气动效应,采用三维、可压、非定常N-S方程的数值计算方法,对地铁列车由明线驶入隧道及站间运行时产生的气动效应进行数值模拟,分析不同运行方式对高速地铁隧道气动效应的影响。研究结果表明:列车站间运行时,车体表面测点压力峰峰值沿车长方向基本不变;而列车由明线驶入隧道时,车体表面测点压力峰峰值从头车向尾车逐渐降低。2种运行方式下的隧道壁面测点压力峰峰值均在中间风井处达到最小值。并且列车由明线驶入隧道时的最大车体表面和隧道壁面压力峰峰值分别为列车站间运行时的1.37倍与1.49倍。不同列车密封指数下,列车由明线驶入隧道时的车内压力变化均大于列车站间运行时的车内压力变化。因此,地铁列车由明线驶入隧道时的空气动力学效应比站间运行时更加不利。     

CRH3G动车组横风运行安全性分析

良好的横风运行安全性是实现高速动车组速度能力提升的有效手段.现搭建了基于空气动力学和车辆系统动力学的高速列车车辆横风运行安全性耦合计算模型,根据动车组在不同车速(150～300 km/h)和风速(10～35 m/s)下的气动力和气动力矩计算结果,分析了不同气动载荷对动车组动力学性能的影响.在此基础上,提出了CRH3G动车组的横风运行安全速度域.     

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。     

强侧风对高速列车运行安全性影响研究

在列车空气动力学和系统动力学相结合的基础上完成了相关研究工作。论文首先在研究列车受侧向风力的气动力特性基础上,利用流体力学计算软件FLUENT进行数值计算,得到不同侧风风速和列车车速下作用于车体的侧风载荷值;接着,利用所建立的高速列车动力学模型,将得到的风载荷值作为外加载荷作用于列车,研究了侧向风速对直线运行列车运行安全性的影响特性;最后,参照高速列车运行安全性相关限定标准,提出不同侧风风速下高速列车的最高安全运行速度,为特殊风环境下我国时速200 km/h及以上动车组安全运行提供理论依据。     

横风对列车通过曲线限制速度影响的数值研究

在简化列车外形的情况下,针对列车在不同风速下的气动力进行计算.为计算气动力,将三维雷诺平均N-S方程(RANS)结合k-ε湍流模型,用有限体积法将控制方程离散求解.用SIMPLE法耦合压力-速度场.在得出气动力的基础上,使用本文推导的横风作用下列车通过曲线轨道的限制速度公式,分析了气动升力、气动阻力对限制速度的影响.模拟计算结果显示,增大列车运行速度或横风速度都会增大列车的气动升力和气动阻力,并使之呈非线性增大的趋势.列车在高速、大横风情况下运行,以上2种非线性风险的影响使行车的安全性受到严重的威胁.升力的作用一般使列车通过曲线轨道的限制速度降低,而阻力对限制速度的影响主要取决于风向.     

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。     

风沙环境下路堤上列车的气动性能分析

利用CFD软件研究风沙环境下列车在路堤上运行的横风气动性能,计算分析了列车横风气动力与沙尘浓度和横风速度之间的关系。计算结果表明,随着风沙环境强度的提高,车体表面的正压区及负压区增大,且列车的气动性能变差;随着沙尘浓度的增加,侧力增幅最大;在同一沙尘浓度环境下,随着横风速度的增加,列车气动力变化剧烈,且与对应的不同强度风沙环境下列车气动力的变化趋势相似。风沙环境下列车气动性能对横风更为敏感,而沙尘仅加剧了列车气动力值的增幅,增加了列车的运行危险性。     

考虑风载的高速列车受电弓静强度分析

铁路高速化在带来方便快捷运输条件的同时,也使列车及其相关结构所受的空气阻力急剧增大,为保证受电弓的安全运行,有必要开展气动载荷作用下的受电弓静强度分析。基于ANSYS Workbench的静强度分析功能,现对气动载荷作用下的受电弓静强度分析方法进行了探索,分析了气动载荷的影响效果,并实现了气动力作用下V500高速受电弓的静强度校核。结果表明,V500高速受电弓弓头在气动力作用下呈抬升趋势,该型弓具有良好的气动性能;对比开、闭口运行工况下的结构承载分布情况和部件应力,V500高速受电弓闭口运行性能略优于开口运行性能;受电弓平衡臂、弹簧盒、上臂杆和底架的应力主要由气动载荷引起;V500高速受电弓各部件均通过强度校核,满足静强度设计要求。     

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。     

横风条件下跨座式单轨车辆曲线通过稳定性研究

研究了不同横风风速下,列车在通过曲线道路时空气动力性能并进行仿真分析。根据计算得到的数据,分析了不同横风速度时相应的车体纵、横向气动力变化和列车的倾覆系数。参照有关高速列车曲线通过稳定性评定标准,给出了9级横风风速下单轨列车安全运行的速度限值,为今后单轨列车在横风作用下的运行安全性提供一定的依据。     

横风环境下跨海大桥列车-桥梁系统耦合振动仿真研究

基于计算流体力学及弹性体在多体系统中的耦合理论,将计算流体力学、多体系统动力学及有限元结合起来,构建横风环境中列车-桥梁系统耦合振动的仿真平台,并以平潭海峡大小练岛水道斜拉桥为研究对象开展研究。列车-桥梁系统的气动模型构建采用局部动态层网格方法,计算列车-桥梁系统在不同风速和车速下的气动荷载。基于有限元方法和多体系统动力学方法建立列车-桥梁系统多体动力学模型,以时间激励方式施加气动荷载,仿真计算双线会车时不同风速和车速工况下列车-桥梁耦合系统的动力响应。研究结果表明:(1)随着风速的增大,桥梁主跨跨中竖向位移变化很小,而跨中横向位移显著增大,跨中竖向和横向振动加速度亦明显增大。风速和车速分别在30 m/s与300 km/h以内时,桥梁的挠度和振动加速度均能满足要求。(2)横风环境下列车在桥梁上运行时,头车的动力特性最为不利。随着风速和车速的增大,车辆的动力学指标均呈增大趋势。(3)列车行至桥梁跨中时轮重减载率出现最大值,两车交会时车体横向加速度发生突变且出现最大值,部分动力学指标不满足要求。(4)双线会车时,风速在10、20、30 m/s时的临界安全车速分别为296、256、147 km/h,临界舒适车速分别为166、150、106 km/h。     

侧风下高速列车临界倾覆风速研究

采用数值模拟方法计算横风下高速列车的气动力及力矩系数,利用EN14067的五质量模型研究横风下车辆临界倾覆风速曲线及不同参数对其倾覆的影响。研究结果表明:临界倾覆风速随着车速的增大而减小,随着风向角的增大先减小后增大,最小值在80°左右时出现,且随着未平衡横向加速度增大而减小。五质量模型中增加考虑的点头力矩和摇头力矩对临界倾覆风速有一定影响,其中若不考虑点头力矩,设置车辆临界风速限制时偏高,对于车辆运行安全性有不利影响。一系悬挂和二系横向刚度对倾覆系数影响不大。随着二系垂向刚度增加,前转向架轮对倾覆系数减小,后转向架增大。横向止挡间隙增大前后倾覆系数均增大。当抗侧滚扭杆减小到原值60%以上时倾覆系数略有增大,幅度不超过10%。车辆质心越偏向车辆前端时,前倾覆系数增加,后倾覆系数减小。