强风沙对高速列车冲蚀的数值模拟研究

高速列车在强风沙环境中行驶对行车安全造成了巨大隐患,因此研究强风沙环境中列车的安全性能十分重要。在研究风沙对高速列车冲蚀情况时,粒子对列车的冲蚀程度可以用冲蚀率来衡量。基于流体动力学理论,利用欧拉-拉格朗日方法模拟风沙对列车头车的冲蚀,基于三维、非定常、不可压缩的Navier-Stokes方程和标准k-ε两方程模型,对不同风沙条件下的列车磨损特性进行数值计算与分析。研究发现:当沙粒入射角度不断增大时,头车最大正压区随之增大,且冲蚀面积也随之增加,其主要冲蚀部位在列车最大正压区;当沙粒入射角度为45°时,头车冲蚀率达到最大值;风速和沙粒浓度不变时,列车头车冲蚀率随沙粒粒径的增加呈先增加后减小,最终趋于稳定的趋势,冲蚀过程存在明显的加速期和稳定期;风速和沙粒直径不变时,头车冲蚀率随沙粒浓度增长呈线性增加。     

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。     

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。     

侧向风作用下桥上列车交会过程的空气动力特性

以CRH3型高速列车为研究对象,采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟方法和动网格技术,通过局部动态层变法实现对侧向风作用下桥上列车交会过程的动态模拟,研究侧向风作用下桥上列车交会过程的空气动力特性。结果表明:无侧风情况下桥上列车交会时所产生的交会压力波是导致列车气动力波动的主要原因;在侧向风的作用下车-桥耦合系统的空气动力特性表现出明显的三维时空特性;与无侧向风作用相比,在侧向风的作用下,两交会列车车体表面的整体压力分布已不再具有对称性,其中迎风侧列车所受风荷载较背风侧列车的大;在列车交会过程中,由于迎风侧列车对侧向风的遮挡效应,使得背风侧列车的风荷载突变更加剧烈,这对背风侧列车过桥的安全性和舒适性更为不利;随着列车运行速度的提高,列车的侧向力系数、倾覆力矩系数逐渐增大,而且其气动力系数在列车交会瞬间的突变更加剧烈。     

风沙环境下列车气动性能的研究

采用数值计算方法分别对在同一车速下相同风速、不同浓度、不同颗粒直径的风沙对动车组列车气动性能的影响,以及同风沙浓度、同风沙颗粒直径下,风速不同对列车气动性能的影响。结果表明在风速和风沙颗粒直径不变的情况下,沙粒颗粒浓度的增加和颗粒直径的增大都导致了列车整体的气动阻力的增大,但影响不大。在风沙颗粒浓度以及风沙颗粒直径不变的情况下,风速的增加使得风沙颗粒对列车整体的气动阻力有明显的增大。     

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。     

风雨联合作用下南京大胜关长江大桥地铁列车运营安全研究

为降低风雨联合作用对大跨度桥梁上城市轨道交通运营安全造成的影响，以南京大胜关长江大桥地铁搭载段为例，建立横风作用下列车倾覆数学计算模型，并研究列车在风雨联合作用下的运营安全性。结果表明：列车在背风侧运行时的临界倾覆风速大于列车在迎风侧运行时；相对于仅有强风作用，风雨联合作用下列车迎、背风侧的临界倾覆风速均有所降低且背风侧降低较为显著；仅强风作用时桥梁附属设施的增加使列车临界风速有所降低，风雨联合作用下桥梁附属设施的增加对列车临界倾覆风速的影响较小；风雨联合作用下，列车在边跨与中跨运行时的临界倾覆风速变化不大；雨强增大时临界倾覆风速降低不大。由此可见，风雨联合作用下对行车安全影响的主要因素是风速。     

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。     

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。     

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。     

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)。     

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。     

大风环境下高速列车加速运行气动特性研究

基于三维非定常不可压雷诺时均N-S方程和Realizable k-ε湍流模型,采用滑移网格对大风环境下高速列车从静止匀加速到200km/h的非定常气动性能进行模拟。将列车匀速运行的非定常气动力系数的均方根值与风洞试验结果对比,两者规律吻合,幅值差小于10%。结果表明:在15 m/s的横风下,列车匀加速的不同时刻,头、尾车和车辆连接处压力波动明显,当列车运行速度与风速大小相等时,压力波动最大;气动力系数的变化率随车速与风速比值的增大而迅速减小;列车以不同的加速度运行时,相同车速受到的气动载荷相等,但随加速度的增加,侧向力、阻力、倾覆力矩的变化率不断增大,将导致短时间内高速列车气动载荷的变化增大。     

龙卷风作用下列车-桥梁系统气动特性数值研究

龙卷风是特异风灾害之一，常导致基础设施严重损毁，对其易发区高速铁路的安全运营有潜在威胁。为研究龙卷风作用下列车-桥梁系统气动特性，采用计算流体力学手段，开展车-桥系统龙卷风作用分析。首先，建立典型龙卷风发生装置数值模型，实现龙卷风流场数值模拟；其次，建立CRH2高速列车模型和典型铁路桥梁节段模型，开展横风作用下车-桥系统气动特性数值分析，并与风洞试验的结果进行对比，验证模型的合理性；最后，将车-桥模型嵌入龙卷风数值风场中，分析车-桥系统在龙卷风作用下的气动特性，研究列车在穿越龙卷风时所受侧力及倾侧力矩的变化规律。结果表明，龙卷风作用下车-桥系统气动性能呈现明显的三维特征，龙卷风涡旋气流的流线和风压分布受车-桥系统影响显著；龙卷风内部形成了负压场，在车-桥系统的影响下，内部负压区向外扩大，压力等值线沿着车-桥轮廓外凸；列车迎风面的压强沿径向增大，最小负压存在于迎风面和顶部转角处；列车在涡核附近区域受到侧力和倾侧力矩达到峰值，列车所受侧力作用最不利位置为迎风侧，所受倾侧力矩最不利位置为背风侧。     

不同风速风向条件下的列车风特性

采用数值计算的方法,并在风洞试验验证其准确性的基础上,研究在不同横风风速和风向角条件下,列车车身周围列车风的压力分布和风速变化。结果表明:在横风条件下,近地表区域列车风的压力峰峰值和风速极值均大于较高空间处的;相对于迎风侧而言,背风侧列车风的压力峰峰值和风速极值更大;随着横风风速的增加,同一位置处列车风的压力峰峰值变化更大,不同位置处列车风的风速极值呈现逐渐上升的趋势;风向角为45°时近地表区域和较高空间处列车风的压力峰峰值达到最大,在风向角从45°增至180°的过程中,列车风的压力峰峰值呈现下降的趋势;8+8编组时,列车风随环境风场的变化和头车附近壁面的压力分布状况与2+2编组时有相近的特征。     

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。     

兰新铁路戈壁地区路基周围风沙流运动特征数值分析

运用FLUENT软件,进行兰新铁路戈壁地区路基周围风沙流场数值分析。结果表明,在路基周围风沙流场中,迎风侧坡脚、路基表面附近和背风侧坡脚出现气流运动的相对低速区,迎风侧路肩上方出现气流运动的相对高速区;在相对高速区产生风蚀沙害;在相对低速区产生积沙,且迎风侧坡脚的积沙多于背风侧坡脚。设置不同高度挡沙墙的路基周围风沙流场数值分析表明,流场中的最大风速区由迎风侧路肩上方前移至挡沙墙的上方,减弱了风沙流对迎风侧路肩的风蚀,且积沙大部分落在挡沙墙的前面,跃过挡沙墙的沙粒在挡沙墙和路基之间相对低速旋流的作用下继续跌落。因此挡沙墙的合理高度应满足:气流中大部分沙粒被挡沙墙拦截,在迎风侧路肩处不出现相对高速区,以避免迎风侧路肩产生强烈风蚀,且相对高低速区界线平稳穿过路基表面。     

风沙两相流对铁路路堤响应规律的数值模拟研究

基于FLENT欧拉双流体模型,对路堤周围风沙两相流运动特性进行数值模拟,并将模拟结果与现场实际调查进行比较。结果表明,所用模型能较好地模拟路堤周围风沙两相流的运动特性,数值模拟与现场调查相吻合。数值模拟分析表明:路堤周围气流速度产生分区,分别形成减速区、加速区、高速区、低速区与紊流区;沙粒速度与风速相互影响,形成一种反馈机制;在过渡区内,当风速大于起沙风速时,沙粒速度与风速呈正相关;正交单向来风条件下,揭示了迎风坡积沙量大于背风坡的形成机理;路堤顶面积沙量呈"正态形"分布,中间多,两边少;迎风坡积沙量随着风速增大而减小,背风坡无明显变化;不同地表条件对风沙流密度及结构影响显著,决定着工程防沙措施。     

400 km/h高速铁路典型路基段风致行车安全研究

以某设计速度400 km/h的高速铁路4种典型路基段结构为研究对象,采用风车路耦合动力分析方法,运用ANSYS和多体动力学软件SIMPACK分别建立路基和列车模型,分析CRH380动车组在环境风速20～40m/s区间工况,以速度400 km/h通过时车辆的动力响应。根据评价准则提出风致行车安全控制指标。结果表明：车体横向加速度反映列车横风稳定性,可以作为风致行车安全的控制指标;脱轨系数随着风速增大而增大,在风速不超过40 m/s条件下,均未达到上限值0.8;4#路基段可以承受的环境风速最大,风致行车安全的效果最好;背风侧的车辆响应指标均明显好于迎风侧,对于横风影响下的动力仿真分析,应将迎风侧作为主要研究对象。