高速列车侧风效应的数值模拟

在侧风作用下,高速列车的空气动力学性能发生显著改变．基于三维定常可压缩流动的N-S方程,采用SST k-ω两方程湍流模型和有限体积法,对某型高速列车以350km／h的速度在25m／s侧风环境中运行的流场结构和气动力进行了数值模拟计算,分析了不同风向角的侧风对列车全车,以及受电弓、转向架和风挡等局部区域的作用．结果表明：在侧风作用下,列车的周围包括转向架处均产生复杂的涡流,压力分布十分复杂,转向架对流场的影响不容忽视;随着风向角（0～90°）的增大,侧向力系数及倾覆力矩系数也增大,列车倾覆及脱轨的风险性增加,且头车的倾覆力矩系数远大于中间车和尾车的倾覆力矩系数,应注重对头车的气动性能研究．     

风屏障对平层公铁桥上列车防风效果分析

为探讨风屏障的防风效果,对侧风作用下平层公铁桥梁-列车-风屏障系统气动特性进行了风洞试验研究,针对两类风屏障的不同透风率和高度对不同风偏角下桥上中间列车的三分力系数进行测试,研究了风屏障在不同风偏角下的倾覆力矩系数的折减系数.研究结果表明:风屏障在桥面上安装位置不同,对列车气动力特性影响有明显区别;设置风屏障能够有效减小作用在车辆上的三分力系数,给桥上列车提供更有利的行驶环境;风屏障的透风率比高度对列车气动特性的影响要大.无风屏障作用时,侧风下单车上游时列车的倾覆力矩系数最大,受风荷载影响最显著.由于上游车的挡风作用,双车交会时下游列车三分力系数较小,受风屏障和风偏角影响也较小.风偏角在0°～15°时,风屏障透风率和高度对风屏障防风效果影响不明显;风偏角60°≤β≤90°时,设置风屏障A的风速折减率要大于设置风屏障B的,防风效果更佳.     

全尺寸高速列车头型气动噪声分析方法

建立高速列车头型气动噪声分析方法有利于了解头型与空气相互作用产生的气动噪声特性及其对车内外的影响.为此,先后建立了两个头型的1∶8缩比三节编组气动噪声仿真模型,并开展气动噪声仿真计算,得到外场测点平均总声压级.通过与风洞试验结果相比较,两者量值相差小于3 d BA,且头型1均小于头型2,验证数值仿真结果.为了实现全尺寸高速列车头型气动噪声数值仿真,提出在三节编组的计算域中截取一部分—子域法.子域法和整车得到头型部位的气动特性一致性间接表明子域法的合理性.利用子域法开展了全尺寸头型1和头型2气动噪声仿真计算,得到头型表面声功率、表面和外场总声压级,可为头型选型和优化提供依据,从而建立了基于数值仿真的全尺寸高速列车头型气动噪声分析方法,解决了以往无法通过风洞试验和数值仿真进行全尺寸高速列车头型气动噪声分析.     

中国高速列车气动减阻优化综述

研究了中国高速列车气动减阻优化进展,总结了典型部件的压力分布特性与各部件在列车气动阻力中的贡献占比,评析了惰行试验、风洞试验与数值模拟3种列车气动阻力研究方法,论述了和谐号、复兴号等系列列车头型气动性能的差异,阐述了高速列车头型气动减阻优化方法与技术,梳理了转向架区域、车端连接处、受电弓及导流罩等局部不平顺区域的气动减阻措施,归纳了适用于高速列车的前沿减阻技术。研究结果表明:数值模拟和风洞试验各有优缺点,经过风洞试验有效验证的数值模拟是准确计算列车气动阻力的有效途径; 列车气动阻力中贡献占比的主要部件为头车、尾车、转向架、受电弓与车端连接处; 由于现有高速列车的高度流线化,头型优化较难实现大幅度的减阻,改善转向架区域裙板、设计全包外风挡与优化受电弓和导流罩外形是进一步减阻的有效措施; 减阻降噪、提升运行平稳性和舒适性等多目标优化是列车头型设计的发展趋势,通过直接寻优计算或者代理模型寻优计算能够提高优化效率与降低优化设计成本; 未来应重点研究高速列车的仿生表面微结构、吹吸气流动控制、等离子体减阻与涡流发生器减阻技术,实现中国高速列车的绿色、节能、高速化发展。      

矩形拱肋定常气动力系数识别研究

采用物理风洞试验和数值风洞模拟相结合的方法,对宜宾岷江二桥矩形拱肋进行了静风三分力系数识别.定常气动力以阻力为主,不同风攻角下的阻力系数变化幅值不大;升力系数与升力矩系数数值较小,变化范围也很小;在相同试验条件下,紊流场下的阻力系数识别结果小于均匀流场的阻力系数.     

强降雨环境下高速列车空气动力学性能

为研究强降雨对高速列车空气动力学性能的影响, 利用Euler-Lagrange方法建立了强降雨环境下高速列车空气动力学计算模型; 空气建模为连续相, 采用Euler方法描述, 雨滴建模为离散相, 采用Lagrange方法描述, 并采用相间耦合方法对降雨环境进行模拟; 分别开展列车气动性能计算及雨滴降落仿真, 并与试验数据进行对比, 验证计算方法的准确性; 数值仿真了强降雨环境下高速列车的流场结构和气动特性。计算结果表明: 随着降雨强度的增加, 在雨滴的冲击作用下, 流线型头型前端区域的正压逐渐增大, 流线型头型后端区域的负压逐渐减小, 从而导致头车气动阻力增大; 降雨强度对高速列车头车气动阻力系数的影响较为显著, 而对气动升力系数的影响较小; 与无降雨环境相比, 当降雨强度为100~500 mm·h-1时, 200 km·h-1车速下的气动阻力系数增加0.004 0~0.020 4, 气动阻力增加85~432 N, 增大率为2.64%~13.46%;300 km·h-1车速下的气动阻力系数增加0.002 7~0.013 7, 气动阻力增加129~652 N, 增大率为1.78%~9.05%;400 km·h-1车速下的气动阻力系数增加0.002 3~0.009 8, 气动阻力增加195~829 N, 增大率为1.52%~6.49%, 因此, 不同车速下, 气动阻力系数随着降雨强度的增加而增大, 且与降雨强度近似呈线性关系; 当车速为300 km·h-1, 降雨强度为100 mm·h-1, 雨滴粒径由2 mm增加为4 mm时, 气动阻力系数由0.152 0增大到0.154 9, 气动阻力增加138 N, 增大率为1.91%, 因此, 高速列车气动阻力系数随着雨滴粒径的增加而增大, 且与雨滴粒径近似呈线性关系。      

高速列车头型多目标气动优化设计

为提高明线运行的高速列车气动性能,以头车气动阻力和尾车气动升力为优化目标,对高速列车头型进行了多目标自动优化设计.以某新型高速列车为原型,建立了包含转向架区域的高速列车参数化模型,提取了7个设计变量,分别控制鼻尖高度、端盖开闭机构顶端高度、驾驶室车窗高度、水平最大外轮廓线横向宽度、头型中部辅助控制线凹凸度、转向架区域横向宽度和隔墙倾角,并基于计算流体动力学理论,建立了高速列车空气动力学模型.应用该模型计算作用在列车上的气动力,通过多目标遗传算法自动更新设计变量,实现了高速列车头型的自动优化设计.对优化目标与设计变量的相关性进行分析,结果表明:驾驶室车窗高度和转向架区域横向宽度对头车阻力影响最大,头型鼻尖高度和中部辅助控制线凹凸度对尾车升力影响最大;优化后得到6个Pareto最优头型,与优化前的头型相比,头车阻力最多减小3.15%,尾车升力最多减小17.05%.      

顺向斜风作用下桥面运动车辆气动特性试验研究

顺向斜风对行车安全的影响不容忽略,为考查顺向斜风对运动车辆气动特性的影响,采用移动车辆模型风洞试验装置,针对缩尺比为1/20的车辆和桥梁模型,测试了顺向斜风作用下运动车辆的气动特性,讨论了风速、风向和风屏障等因素对移动车辆气动特性的影响. 结果表明:移动车辆的五分力系数在不同风速时吻合较好;侧向阻力系数、升力系数和点头力矩系数随着合成风偏角的增大而减小;风偏角较小时,风向角对车辆的升力系数有较明显的影响;风屏障使车辆的气动力系数接近0,且明显地改变了车辆气动力系数随风偏角的变化规律;设置风屏障后,车辆阻力系数的变化率受风偏角、车速和风速等条件的影响.      

新一代高速动车组380CL头型与原型车气动特性比较

为研究时速380 km/h的新一代高速列车,北车长客公司设计了新一代头型,通过数值模拟技术,对比研究了新头型与原型车的气动特性,模拟结果表明:计算结果与风洞试验结果吻合良好,CRH380CL头型气动性能全面优于CRH3C头型;各项减阻措施中,头型优化、车底整流均有明显减阻效果,特别车底整流的减阻效果可以推广应用于长大编组情况.     

抗侧滚扭杆对出防风明洞列车安全性影响研究

针对高速列车驶出兰新第二双线特有防风明洞工程时存在突变气动载荷,探讨了抗侧滚扭杆对国内某型高速列车抗倾覆安全性的影响.采用日本Yu Hibino详细解析式方法,针对国内某型高速列车建立其车辆倾覆受力及倾覆力学模型,对车速、风速和风向角变化时,抗侧滚扭杆对该型高速列车的倾覆系数和侧滚角等的影响进行了计算研究.分析结果表明:抗侧滚扭杆有效改善了该型高速列车的抗倾覆性能.增设抗侧滚扭杆后,车辆倾覆系数降低约10%,侧滚角降低约75%.     

气动翼对高速磁悬浮列车升力特性的影响

磁悬浮列车高速运行时受到较大气动升力作用,尤其是尾车向上的气动升力较大,易使悬浮性能恶化,甚至导致悬浮控制系统失效,影响列车的乘坐舒适性及运行安全性,因此亟待开展高速磁悬浮列车的尾车升力特性研究及改善工作. 对开展过风洞试验的高速磁悬浮列车进行数值模拟计算,得到的列车表面压力系数与风洞实验数据吻合较好,并加装气动翼改善高速磁悬浮尾车气动升力,研究了气动翼角度、数量对尾车气动性能的影响. 研究结果表明:仅安装一个气动翼时,其自身的气动升力随角度的增加而减小,但尾车气动升力则呈现先减小后增大的规律,气动翼角度为12.5° 时尾车升力最小,与原始磁悬浮列车相比气动升力系数减小3.9%,气动翼及尾车气动阻力略有增加;以气动翼与车体切线角度保持不变为基准在尾车安装多个12.5° 气动翼,不同位置气动翼的气动阻力基本相同,气动翼数量增加后尾车气动阻力随之增大;不同位置气动翼的气动升力存在差异,向鼻尖方向气动翼的气动升力递减,尾车气动升力随气动翼数量增加先减小后趋于稳定;各方案中安装2个气动翼的磁悬浮列车气动性能相对更优,与原始磁悬浮列车相比尾车气动升力减小4.6%,整车阻力仅增加1.4%.      

桥隧过渡段高速列车行车抗风安全分析

列车由隧道驶上桥梁时会承受突变的风荷载，列车的响应发生突变，导致列车的行车安全受到威胁. 以某客运专线桥隧过渡段为研究背景，通过计算流体动力学 （CFD） 数值模拟和车桥耦合振动分析，计算了CRH3型列车通过桥隧过渡段时受到的气动力及车辆响应；对比分析了头车、中间车及尾车的气动力及列车响应，研究了大风攻角对列车气动力及行车响应的影响，探讨了最不利的安全指标. 研究结果表明:越靠近车头的车体，气动力突变与列车响应越大；相比0° 攻角，正风攻角对行车相对有利，+7° 的风攻角下列车受到的气动阻力和力矩减小了约10%；负风攻角会增大列车的气动力突变效应和行车响应，?7° 风攻角下列车受到的气动阻力和力矩增加了约10%；风速在22.5 m/s以下时，CRH3列车能够以200 km/h的车速安全通过桥隧过渡段；20 m/s风速时，车速在325 km/h以下时列车能够安全通过桥隧过渡段；随着车速与风速的增加，轮轴横向力是首先超限的安全性指标.      

高速磁浮列车气动阻力性能数值模拟与参数化评估

基于粘性流体力学理论,按三维可压缩粘性流对具有流线型头部形状的TR08列车以及通过变化流线型头部纵剖面高度或流线型头部长度设计出的4种新头型列车的周围流场进行了数值模拟。为评估不同流线型头部外形的气动阻力性能,定义了表示其形状特征的整体长细比作为评估依据,综合考虑了流线型头部水平投影形状和纵向对称面投影形状对气动阻力性能的影响。通过对5种不同头型列车的模拟结果进行对比分析,得出了流线型头部外形对气动阻力性能影响的规律:随着流线型头部长度增加,气动阻力降低,而中间车阻力变化不大;在头部流线型长度相当的情况下,纵剖面轮廓线上凸的头车气动阻力比下凹的小,而尾车气动阻力大。计算得到的不同流线型列车的整体长细比大小排序与其气动阻力系数排序完全一致。分析结果表明,增加流线型头部长度是减小气动阻力的有效途径;整体长细比能较好地反映流线型头部对列车气动阻力性能的影响。     

计算网格对列车空气动力学不确定性的影响

为评价计算网格对明线列车空气动力学数值仿真计算结果的影响,基于计算流体力学,研究了计算网格对列车气动特性的不确定性. 首先根据3种不同尺寸的计算网格及其计算结果,提出了计算网格对列车气动力和表面压力不确定性的计算方法;其次以ICE2列车为研究对象,划分了3种不同尺寸的计算网格,数值仿真得到了列车气动力和典型截面的压力;最后研究了该列车头车气动力和典型截面压力的不确定性. 研究结果表明:数值仿真得到的气动侧力系数与试验数据的误差仅为0.31%;车身迎风侧表面压力的不确定性接近于0;车身表面压力不确定性较大的位置主要位于车体底部,其最大不确定度达到1.42;头车侧力系数的不确定度为0.002 6,而头车升力系数的不确定度为0.509 3.      

侧向风作用下车-桥系统的气动特性——基于风洞试验的参数研究

为考虑侧向风作用下车辆运动对车-桥系统气动特性的影响,基于研制的移动车辆模型风洞试验系统,针对轨道交通车辆和公路交通车辆,分别采用三车模型和单车模型,测试了不同工况下车辆、桥梁的气动力系数,讨论了车速、风向角、车辆在桥上所处轨道位置以及车辆类型等因素对车辆和桥梁气动特性的影响.研究表明,随着车速的增大和合成风向角的减小,车辆阻力系数和升力系数存在增大的趋势,车速对单车模型气动力系数的影响更显著;车辆在桥上所处轨道位置不同对车辆、桥梁气动力系数的影响均较大,桥梁气动力系数对车速和合成风向角不敏感.