列车空气动力性能与流线型头部外形

采用数值计算、动模型试验、风洞试验、实车试验和理论分析等方法,研究列车流线型头部长度、宽度、高度及耦合外形对列车交会压力波、空气阻力和升力的影响,得到一系列理论关系式。研究结果表明:①增加列车流线型头部长度,可以有效地改善列车空气动力性能,列车交会压力波随流线型头部长度增加而呈对数减小,头车阻力、升力绝对值均随流线型头部长度的增加呈线性减小,尾车阻力与流线型头部长度呈二次幂减小;②流线型头部纵向对称面最大控制型线从外凸到内凹,列车空气阻力、空气升力和交会压力波基本不变,减小鼻尖部位过渡曲线的曲率半径可以有效降低列车交会压力波;③流线型头部俯视最大控制型线为方形时产生的交会压力波最小,尖梭形的头车空气阻力和升力绝对值较小;④减小列车空气阻力和降低列车交会压力波,既矛盾又统一,列车气动头部外形设计需要综合考虑各种因素。     

国产磁浮列车外形气动性能分析

基于上海TR08磁浮列车的头部外形,设计了4种国产流线型磁浮列车头部外形。采用大型流场计算软件CFX对5种不同头部外形列车的空气阻力、升力进行计算,并对5种外形的列车交会压力波进行了数值分析。通过对不同外形磁浮列车空气动力性能的分析,提出了国产化磁浮列车气动外形的流线型头部长度取6～7 m,采用单拱,并适当提高纵剖面轮廓线高度的设计原则。     

武汉站高速列车过站列车风的数值模拟研究

应用商业软件fluent对武汉站高速列车过站的列车风进行了数值模拟,计算结果显示列车风的影响主要集中在头部和尾部,头部的列车风侧向影响范围比尾部大,列车风侧向影响范围最大处出现在头部顶端.头部列车风侧向影响范围随列车速度增大而增大.与明线实车测试结果进行对比,列车风的侧向分布数值计算结果和实测结果具有较好的一致性.     

基于最优拉丁超立方设计的高速列车流线型头型减阻优化研究

为研究流线型头型对高速列车气动阻力性能的影响特性,利用B-Spline曲面建立高速列车流线型头型三维参数化模型,并提取5个头型设计变量。在此基础上,结合最优拉丁超立方设计和计算流体力学方法,研究高速列车流线型头型控制型线对高速列车气动阻力的影响特性,确定出关键控制型线。计算结果表明:随着流线型头型控制型线的变化,高速列车气动阻力发生明显改变,变化范围为3 183～3 509 N,相对变化量约为10.2%。最优设计点头型下的气动阻力较原始头型降低3.5%。对高速列车气动阻力影响最为显著的控制型线为纵向对称线,其次是车底最大轮廓线和水平最大轮廓线,而鼻尖高度控制线和中部辅助控制线对高速列车气动阻力的影响相对较小。     

活塞风对接触线气动性能的影响研究

借助流体动力学分析软件Star-CD,利用动网格技术,建立了不同车速下钝形和流线型列车通过隧道时的二维模型.分析了活塞风特性及其对接触网系统中接触线气动性能的影响情况.研究表明:在6m高的接触线处,钝形列车形成的活塞风v的最大值约为流线型的2倍,接触线受到向上的最大抬升力约为流线型的4倍;在其他条件相同时,列车速度每增加10m/s,接触线受到向上的最大抬升力增加约1倍.     

高速列车会车压力波研究

给出高速列车会车压力波的有关计算结果，并据此分析会车压力波与速度、头部长细比、侧墙间距、会车长度、侧墙高度和高中速会车等主要影响因素的关系。     

流线型列车头部外形设计方法

基于流线型的列车头部外形由三维空间自由曲面构成,提出采用NURBS曲线设计外形型线和用三维NURBS曲面描述复杂三维曲面的车头外形设计方法。按照流线型列车头部外形的设计要求,首先生成基本控制型线,根据需要自动生成中间控制型线;对一些型线进行空间动态修改,使所有控制型线构成空间网状结构;将这些控制型线在空间的交点处断开,形成首尾相连的NURBS曲线段;自动将首尾相连的NURBS曲线段连接形成外形曲面片,并保证曲面片在空间相切;最后对外形曲面进行光顺性检查,得到最终的外形曲面。运用NURBS曲线曲面的数学模型,在AutoCAD的ARX及I-deas的Open I-deas开发平台上,开发了流线型列车头部外形设计模块,实现了按照人们的意志,自由、快速地设计复杂的空间三维曲面流线型列车外形。     

列车气动性能评估参数研究

列车外形对列车气动性能起决定性作用。以往常采用长度法定义的长细比(长度长细比)来评估不同头部外形气动性能,这种方法在车身横截面积相同的情况下,致使长度相同外形不同的流线型车头具有相同的长细比而无法进行比较。针对这一情况,对不同外形系列的流线型列车开展了风洞实验研究,在此基础上提出了一组新的列车气动性能评估参数-整体长细比和宽细比。整体长细比考虑了车头流线型部分水平面投影形状(水平长细比)和纵向对称面投影形状(纵向长细比)对空气阻力的影响,宽细比则综合了长度长细比和车头流线型部分水平面投影形状对列车交会压力波的影响。研究结果表明该组评估参数能较好地反映出端车流线型外形对列车气动阻力和交会空气压力波幅值的影响。     

高速铁路隧道压力波动主要影响参数研究

利用所研制的预测列车进入隧道时引起的列车和隧道环状空间的压力波动软件,计算了流线型列车及隧道主要参数对环状空间3s内最大压力变化的影响。结果显示所有影响因素中,速度和阻塞比对压力变化的影响最大。得出单线隧道单列列车通过时,在速度不大于250km·h-1,3s内最大压力变化与列车速度的平方成正比,但速度超过250km·h-1时,压力对速度的依赖关系有所缓和。分析认为在3s内最大压力变化随阻塞比非线性地变化。研究表明列车长度对头部压力变化的影响较小,但对尾部压力变化有明显影响;隧道内会车压力波在3s内变化量随会车位置不同有明显区别,两列车在隧道长三分之一处交会最为不利。     

不同外形列车过隧道实车试验的比较分析

随着列车运行速度的提高，隧道空气动力学问题越来越突出。2005年5月在遂渝线进行了高速列车过隧道试验，对列车和隧道内空气压力变化、隧道内列车风和隧道口微气压波等参数进行了测试。结果表明：隧道内列车风风速与列车运行速度成线性关系，并且与车头和车尾的外形、列车长度、隧道截面面积及其长度等因素有很大关系；隧道壁面压力近似与列车运行速度的平方成正比；同等速度条件下，钝头型的25T提速客车引起的隧道壁面压力变化幅值比流线型动车组的大38．6％；由于双层集装箱列车较高且集装箱间的间距较大，致使同等速度下引起的隧道壁面压力变化最大；隧道入口的压力变化明显大于隧道出口的压力变化，在隧道口附近，三维效应非常明显，且每种车型均不同。因此，将列车和隧道耦合起来设计出合理的隧道和列车截面形状，是减小隧道空气动力学效应的有效途径。