大风区不同路堑结构中高速动车组的气动特性

建立长路堑路段高速动车组运行模型,通过数值模拟得到不同工况下动车组气动力,分析强横风环境下路堑结构对动车组气动特性的影响.研究表明:不同路堑结构中气动阻力均随风速和车速增大而增大,深路堑中动车组气动阻力约为浅路堑的2～2.5倍;在3 m深度的浅路堑结构中,动车组所受升力为正值,升力和横向力均随横风风速增大而增大;而在10 m深度的深路堑结构中,动车组所受升力为负值,升力随横风风速增大而增大,横向力随风速增大而减小;分析车速对气动力的影响:在浅路堑结构中,除阻力外,列车车速对其他气动力影响较小;在深路堑中,动车组气动力大小均随车速增大而增大,在相同风速条件下,当风速高于15 m/s时,车速每增大50 km/h,横向力和倾覆力矩增大约50%.     

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.      

平地上高速列车的风致安全特性

为研究高速列车在强侧风作用下安全行驶问题,基于空气动力学和多体系统动力学理论,建立了高速列车空气动力学模型和车辆系统动力学模型.应用该模型计算了不同风向角、不同风速和不同车速下作用于车体上的侧风气动载荷.根据高速列车整车试验规范,以脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力和轮轨垂向力为运行安全指标,分析了头车、中间车和尾车的运行安全性.研究表明:头车的安全性最差,且风向角为90°时,横风情况下最危险.随着车速的增大,最大安全风速急剧减小.当车速为200km/h时,最大安全风速为29.61 m/s;当车速为400 km/h时,最大安全风速为18.87m/s.     

半堤半堑路况上横风下高速列车气动特性研究

为研究在半堤半堑过渡段上行驶的高速列车在横风下的气动特性,以3编组高速列车作为研究对象,结合SST k-ω两方湍流方程,采用流体仿真软件Fluent对行驶速度分别为250,300 km/h和350 km/h,横风风速分别为15,20,25 m/s下半堤半堑路况上高速列车的气动特性进行了仿真研究。研究结果表明,在相同风速与相同车速下,头车受到的侧向力和倾覆力矩最大,中间车受到的气动升力最大;随着车速与风速的增大,各列车的气动特性值均有不同程度的增大;风速对列车侧向力和倾覆力矩的影响大于车速的影响。     

突变风作用下路堑深度对高速列车气动性能影响

为了保证高速列车在大风环境下路堑中行驶的安全,建立了高速列车—路堑耦合的气动仿真模型,研究了不同风场环境下路堑深度对列车气动性能的影响.研究表明:高速列车的气动特性随着风载荷的突变,气动特性的变化情况复杂.横风环境下,路堑深度的增加有利于降低列车气动力,而在突变风环境下,突变风作用下列车的气动力随风速变化情况更为复杂....     

侧风下高速列车车体与轮对的运行姿态

应用流体动力学理论,建立了高速列车空气动力学模型,计算了作用于高速列车车体上的气动力和气动力矩;应用多体动力学理论,建立了车辆系统动力学模型,分析了在不同风向角、侧偏角与合成风速下高速列车头车车体和轮对的运行姿态。计算结果表明:在不同侧风环境下,头车车体始终向背风侧横摆和侧滚;当风向角为90°时,车体的横向位移和侧滚角最大;当列车车速为350 km.h-1,侧风风速分别为13.8、32.6 m.s-1时,列车头车车体最大横向位移分别为74.2、171.7 mm,最大侧滚角分别为3.1°和8.4°;当列车车速为200 km.h-1,风速不小于32.6 m.s-1,且风向角为90°时,列车头车一、二位轮对均向背风侧横移,背风侧车轮易发生爬轨现象,三、四位轮对均向迎风侧横移,三位轮对迎风侧车轮易发生爬轨现象;四位轮对的横移量和摇头角均小于前三位轮对,相对安全。     

侧风环境下列车高速通过站台的流固耦合振动

为了考察侧风环境下列车能否临靠站台高速安全通过,采用列车空气动力学和列车系统动力学相结合的方法,通过侧风与列车的流固振动分析获得列车姿态的变化;考虑侧风作用下,列车的姿态变化和轨道几何不平顺的影响,分析了侧风环境下,列车临靠站台高速通过时的气动响应.计算结果表明,与无风环境尾车易与站台碰撞不同,在6 m/s侧风环境下,当列车以350 km/h的速度临靠站台通过时,车头前端是离站台最近的位置.     

大风对路堤上运行的客运列车气动性能的影响

为了提高强横风作用下客运列车运行的稳定性,基于三维非定常方程,采用动网格技术,对强横风作用下的青藏线客运列车在路堤上运行情况进行了模拟,分析车速、风速及路堤高度与气动力之间的关系,并将计算结果与风洞实验结果进行对比。研究结果表明:升力、侧向力和倾覆力矩实验结果与模拟结果吻合较好。在路堤高度小于20.00m时,气动力随路堤高度的增加而增大,当路堤高度大于20.00m时,气动力随路堤高度增大而减小;车速一定时,随着横风速度的增大,气动力和倾覆力矩迅速增大;横风风速一定时,列车运行速度从60km.h-1增大至120km.h-1,侧向力、升力及倾覆力矩变化不大。     

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．     

降雨环境下大气底层边界型风场对高速列车气动特性影响

采用大气底层边界速度型风场模拟自然风和Marshall-Palmer雨滴谱模型,应用离散相模型研究了风雨联合作用环境下列车运行时气动特性的变化情况.结果表明:雨滴颗粒的加入扰乱了列车周围气流的正常流动,减轻了列车背风侧气流漩涡的脱落,列车迎风侧和背风侧的压力差减小;降雨强度对列车气动特性影响不大,从20 mm/h增大到100 mm/h,受影响最大的横向力仅增大了9.11%;风雨耦合环境下列车的运行速度对气动阻力影响较明显,列车时速从200 km/h到400 km/h,阻力增大了102%;随着车速增大,车辆所受横向力与升力的变化规律与车辆在列车中的位置相关,头车所受到横向力明显增大,而尾车的横向力则呈减小趋势,而所受升力正好相反,头车呈减小趋势,尾车则明显升高.     

高海拔峡谷地带高墩桥梁风致行车安全性分析

针对青海高海拔地区峡谷地带高墩桥梁行车抗风性能,采用CFD软件Fluent对典型厢式货车进行了车辆一桥梁组合气动特性分析,分别获取了在不同风攻角情况下的车辆、桥梁的气动参数曲线,在此基础上开展了不同路况、路面条件及不同横风风速下的风车桥响应分析和评价,得到对应的限速运营标准。研究结果表明:在100 km/h车速范围内,车辆沿着不同路况等级"干"路面行驶时,车辆行车临界风速均大于35 m/s。在100 km/h车速范围内,车辆沿路况等级为"非常好"和"好"的"湿"路面行驶时,车辆的行车临界风速为30 m/s,路况等级为"一般"时,行车临界风速和车速分别为30 m/s和90 km/h,表明车辆行车安全临界风速和车速均会随着道路等级的变差而降低;在路况等级为"非常好"和"好"时,在给定的风速(15～35 m/s)和车速(60～100 km/h)范围内行驶时车辆均不会发生行车舒适性问题,当路况等级为"一般",车辆的行驶速度超过80 km/h时,车辆总体计权均方根加速度大于0.8时,桥上行车将会对驾乘人员产生不舒适的感受。     

基于流固耦合求解的强横风下轨道力学分析

为研究强横风条件下轨道结构的力学特性，采用计算流体力学和有限元联合仿真，对轨道结构的受力和变形进行了分析. 首先采用SOLIDWORKS软件基于CRH380A型高速列车实际外形轮廓建模，然后通过FLUENT计算得到列车的气动特性，再与有限元软件ABAQUS联合仿真建立列车-轨道耦合模型；模型中完整地保留列车表面所受的气动力，解决了流固耦合中列车气动力的传递问题；最后基于建立的耦合模型，针对强横风作用下轨道结构的力学特性进行系统分析. 研究结果表明，当列车运行速度为350 km/h，风速从0变化到15 m/s时，钢轨背风侧处横向位移从0.177 mm增加到2.100 mm，增大了11.86倍，可见强横风条件下，要重点关注钢轨背风侧处横向力学特性；当风速超过15 m/s时，列车运行速度达到250 km/h，钢轨横向位移超出了最大允许值2.000 mm，表明长期的强横风作用将会导致轨道的几何形位发生改变，但此时轮重减载率和脱轨系数并未超出对应限值0.65和0.800. 因此，横风作用下不仅要考虑列车运行安全性指标，也要考虑轨道结构力学指标的变化.      

基于流动模拟和动力学仿真的高速列车横风运行稳定性研究

以国产CRH3型3节车编组高速列车为研究对象,利用计算流体力学软件Star-CD/CCM＋计算了在不同横风风速和不同车速下的列车气动力荷载;将该荷载导入动力学仿真软件SIM-PACK的列车运行动力学模型中,计算出在不同横风和车速条件下的脱轨系数、减载率和倾覆系数等运行稳定性参数.计算表明：头车的气动性能和运行稳定性受横风的影响最大;根据车辆动力学性能参数确定的列车安全速度限值与横风风速之间并非线性关系.参照有关高速列车运行稳定性评定标准,给出了不同横风风速下高速列车安全运行的速度限值.     

风屏障在中国帽型突变风与列车风耦合作用下的气动响应

建立了风屏障在突变风与列车风耦合作用下的三维仿真模型,分别研究了透风率为30％的风屏障在横风、突变风及车致脉动风耦合作用的气动响应,分析了其表面的气动压力分布特征及原因.结果表明,风屏障受到横风与车致脉动风耦合作用时,车致脉动风产生的压力对风屏障起主要作用,横风作用减小了风屏障所受头波的正压峰值,增大了其尾波的负压峰值.当风屏障在受到突变风(风速平均值13.8 m/s)与车致脉动风耦合作用时,风屏障所受的压力比横风(风速13.8 m/s)作用下大得多,情况复杂也得多,风屏障所受的头波正压峰值扩大了9.7倍,尾波负压峰值扩大了2.4倍,气动压力变化率增大了2.5倍,持续作用时间增大了2.4倍.     

高速列车表面气动噪声偶极子声源分布数值分析

以Lighthill方程为基础,采用边界元法并与计算流体动力学相结合,对高速列车表面气动噪声偶极子声源进行数值分析,以获得高速列车表面气动噪声偶极子声源分布.探讨了不同车速工况下列车车身表面气动偶极子声源的强弱及其分布特征,在此基础上对基于表面气动偶极子声源的列车外部气动声场进行了数值分析.研究表明:列车运行速度为270 km/h、频率为2.5 kHz时,声压级在90 dB以上的气动偶极子声源主要分布在车底转向架附近,其最大声源声压级约97 dB,是高速列车主要的气动噪声源区.     

地震作用下高速列车-线路-桥梁系统动力响应

为分析地震对高速列车通过桥梁时行车安全性的影响,基于高速铁路列车-线路-桥梁动力相互作用理论,建立了考虑地震输入的高速列车-线路-桥梁耦合动力学模型.以跨度32 m的简支箱梁桥和双块式无砟轨道为研究对象,对地震作用下高速列车通过桥梁时系统的动力响应进行了数值计算.结果表明:地震对高速列车-线路-桥梁系统动力响应的影响明显,对桥梁横向振动响应的影响大于对竖向振动响应的影响;地震会降低高速列车通过桥梁时的行车安全性和运行平稳性———在水平1.0 m/s2,竖向0.5 m/s2的规格化El Centro地震波作用下,当列车运行速度超过250 km/h时,轮重减载率超过了安全限值;当列车运行速度达300 km/h时,脱轨系数超过了安全限值.因此,评判地震作用下高速列车通过桥梁时的行车安全性,应考虑行车速度的影响.     

横风下高速列车曲线通过的安全性

为研究高速列车在强横风作用下通过曲线桥梁的安全性问题,基于空气动力学和多体系统动力学理论,建立了高速列车空气动力学模型和车辆系统动力学模型.应用所建立的模型计算了不同风速、不同车速、不同线路条件下作用于车体上的气动载荷,并且以脱轨系数、轮重减载率、倾覆系数、轮轴横向力和轮轨垂向力为运行安全性指标,分析了高速列车通过曲线桥梁的运行安全性.研究表明:横风下高速列车通过曲线桥梁时,列车的安全性受气动力和曲线超高双重影响.在低风速、低车速时,曲线超高对于列车安全性的影响起主要作用;随着风速变大,气动力对于列车安全性的影响远大于曲线过超高对于列车安全性的影响.在各工况中,当风从曲线桥梁的内侧吹向外侧,并且高速列车运行在曲线桥梁的迎风侧时,高速列车的最大安全风速最小,因此,在校核横风下高速列车过曲线桥梁安全性时,可以直接选用该工况来校核列车的安全性.     

横风下复线路堤高度对高速列车气动性能的影响

利用Creo软件建立了某型动车组头中尾3车编组和不同高度的路堤模型,通过Fluent软件模拟列车在车速分别为300和350 km·h-1,横风风速分别为17.10、20.70、24.40和28.40 m·s-1的环境下运行,将获取的高速列车气动力载荷施加到Simpack建立的动力学模型中,计算其动力学性能参数;深入分析了横风工况下高速列车在不同高度复线路堤背风侧运行时车体的压力分布、气流场结构、气动力与风致安全性,并重点探究了头车在不同运行速度和横风风速下的运行安全性。分析结果表明:在相同车速和横风环境下,随着路堤高度的增加,列车受到的侧向力整体呈增大趋势,尾车在横风作用下受到反向侧向力,头车所受侧向力最大,且升力持续增大,中间车所受升力相对较大,尾车所受阻力最大;横风环境下列车压力峰值点位于头车鼻尖处且向迎风侧偏移,各路堤高度工况下气流场结构基本相同,头车背风侧和底部转向架处有明显的涡流,但尾车处的涡流却在迎风侧,这可能是导致尾车反向侧向力的主因;脱轨系数、轮轴横向力、轮轨垂向力和轮重减载率均随路堤高度和横风风速的增大而增大,轮轨垂向力始终在安全限值内,当横风风速分别为24.40和28.40 m·s-1时,列车运行速度应分别低于350和300 km·h-1,以保证列车行车安全。      

高速铁路挡风墙高度和距离优化分析

为探讨挡风墙对列车横向气动性能的影响,基于可压缩粘性流体Navier-Stokes方程和k-两方程湍流模型,采用有限体积法,计算了列车在直线和不同半径曲线线路上运行时,不同挡风墙高度和距离的275种工况下列车侧向力和侧翻力矩,获得了最佳挡风墙高度和距离.研究结果表明:在列车速度为200~400 km/h,风速为20~40 m/s的条件下,列车在直线线路上运行的最佳挡风墙高度和距离分别约为1.90和3.90 m;当弯道半径为1 000~7 000 m时,曲线线路最佳挡风墙高度随弯道半径增大线性减小,最佳挡风墙距离与弯道半径关系不大,约4.50 m;风速和列车速度对挡风墙的最佳高度和最优距离影响很小;如果挡风墙高度过低或距离过近,头车和尾车所受侧向力和侧翻力矩方向不同.      

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。