400 km/h速度下编组长度对高速列车隧道交会压力波的影响

基于三维非定常可压缩雷诺时均N-S方程与k-ε两方程湍流模型,采用滑移网格方法,对400 km/h速度等级下不同编组长度(3车编组,8车编组,16车编组)列车于各自最不利长度隧道的等速交会工况进行模拟.对比数值计算与动模型试验结果,两者同一测点压力峰峰值相差不超过3.6％,验证了数值计算的可靠性.研究结果表明:列车表面压力峰峰值由头车至尾车呈下降趋势;随着编组长度由3车增加到16车,列车表面最大压力峰峰值由12.05 kPa增加到15.18 kPa;隧道壁面最大压力峰峰值由14.73 kPa增加至19.19 kPa.     

线间距对交会压力波的影响研究

基于三维、非定常雷诺时均N-S方程和标准k-ε双方程湍流模型,采用滑移网格技术,对高速列车明线交会及隧道内交会时的空气流场进行数值模拟。研究不同线间距对高速列车交会压力波的影响。研究结果表明:明线交会压力波幅值随线间距的减小而增大,线间距从4.6 m变为4.4 m时,交会压力波幅值增大约8.3%;线间距从4.4 m变为4.2 m时,交会压力波幅值增大约8.5%;隧道交会压力波头波幅值随线间距的减小而增大,对非交会时段隧道压力波影响不大,线间距从4.6m变为4.4 m时,车体表面测点交会压力波头波幅值增大5.7%;线间距从4.4 m变为4.2 m时,交会压力波头波幅值增大5.8%;隧道壁面测点压力波幅值增加约2%,且隧道内2车交会,靠近交会位置的测点压力变化要远大于远离交会位置的测点。     

高速列车在隧道内和明线上交会时气动性能对比分析

建立了高速列车在隧道内和明线上交会的数值计算模型。利用有限体积法求解三维、可压、非定常N-S方程和k-ε两方程湍流模型,通过滑移网格技术实现列车的相对运动。分析了列车在隧道内和明线上以350 km/h等速交会过程中车体表面压力、气动荷载的变化规律。研究发现:列车在隧道内交会时,其车体表面压力比在明线上交会时约增加6 kPa,且车体表面压力的波动幅值是明线上交会时的2倍;交错车体表面的负压值比未交错表面的负压值大1.5kPa;气动力(矩)比在明线上交会时略小;头车、尾车气动阻力的变化规律与单车过隧道时相似,但阻力的变化峰值约是单车过隧道时的2.5倍。     

高速列车通过隧道时气动阻力特性的CFD仿真分析

基于可压缩流体的纳维—斯托克斯方程和RNG k-ε模型,以由头车、中间车和尾车3辆车编组的某高速列车1∶8风洞试验模型为研究对象,采用计算流体动力学软件(CFD),建立包括车体和走行部的三维非结构化列车表面离散网格模型和列车与隧道、列车与明线空间的组合计算网格模型,研究高速列车通过隧道时气动阻力的时变特性和规律.结果表明:高速列车在车尾刚进入隧道人口时其气动阻力达到最大值,为同样工况下明线运行时的2.5倍;高速列车完全进入隧道后,其气动阻力在一段时间内处于相对平稳期,为明线运行时的1.8倍;之后在隧道压力波的作用下,高速列车的气动阻力会发生准周期变化,变化幅度接近明线运行时的60％;在隧道长度大于高速列车长度的前提下,高速列车通过不同长度隧道时,其进入隧道时的气动阻力最大值均比较接近,而且在隧道内运行时的气动阻力变化特征和幅值也基本相同.     

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。     

高速列车隧道交会最不利长度实车试验研究

根据隧道压力波传播和叠加理论的分析,分别在两条350km/h等级线路上进行了多个速度级的列车隧道通过和隧道交会的实车试验。结果表明:实车监测压力波特性与一维压力波传播与叠加理论分析相一致,两列列车的车外正压与正压和负压与负压均充分叠加;速度为300km/h时列车隧道交会最大压力变化比是隧道通过的1.98倍,隧道长度越接近最不利长度时压力波叠加更充分。     

高速列车通过短隧道群空气动力学效应分析

针对高速列车通过短隧道群所引起的空气动力学效应问题,利用计算流体力学软件Fluent进行了仿真分析。对列车以不同时速通过不同间距的短隧道群时车体表面及隧道中断面的受力情况进行了研究。结果表明:列车通过短隧道群时车体表面最大负压比通过单隧道时大131%,出现在隧道间距与列车长度相当时;随着速度的增大,车体表面的压力变化幅值增大,且车体表面的压力幅值近似与列车运行速度的平方成正比;列车通过短隧道群第1座隧道时隧道中断面压力变化幅值与通过单隧道时接近,通过第2座及第3座隧道时隧道中断面的压力幅值比通过单隧道时增大,且在隧道间距25~100 m时压力幅值随隧道间距增加而增大。     

基于一维流动模型的高速列车隧道交会空气阻力数值模拟研究

应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,考虑列车交会诱发的空气压力和流速变化,提出高速列车隧道交会空气阻力的计算方法。研究中国标准动车组CR400AF隧道交会列车空气阻力变化规律,分析列车交会位置、隧道长度、阻塞比、列车运行速度和列车长度对列车空气阻力的影响。结果表明:在研究隧道内列车空气阻力和列车周围气流流动时必须考虑压缩波和膨胀波的传播方向,交会位置对平均列车空气阻力的影响较小;在隧道中央等速交会时,列车空气阻力随隧道长度、阻塞比和车速增大而增大,且这3者的影响程度依次增大;平均列车空气阻力与车速的2次方近似成正比,与阻塞比的0.67～0.75次方成正比,与隧道长度的0.01次方成正比;时速300～400km等级16辆编组高速列车的平均列车空气阻力约为8辆编组的1.65～1.70倍。     

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。     

列车高速过站引起车站顶棚瞬变压力研究

采用列车气动性能动模型试验装置,对高速列车以不同速度进出车站气动性能进行研究,模型缩比为1∶20,列车采用2车编组。研究结果表明：列车头部或尾部通过瞬间,将会引起车站顶棚处空气压力发生突变,形成具有破坏性的瞬态冲击压力波;车站顶棚不同测点的压力随着车体壁面距测点的间距增大而减小,且列车进站时引起的测点压力系数幅值比出口大5％左右;当两列车在车站交会时,不仅列车通过测点会引起较大的压力波动,而且两列车交会瞬间也会产生剧烈的交会压力波,使得测点瞬变压力曲线显著不同于单车通过测点情况。     

城际列车越站瞬变压力数值仿真研究

采用三维非定常、黏性、可压缩N-S方程和RNGk-ε双方程湍流模型,基于滑移网格技术,对8节编组的城际列车以160km/h速度通过地下越行车站的空气动力学性能进行模拟,分析列车速度和流线型长度对其瞬变压力的影响。研究结果表明:数值计算得到的车体和隧道表面测点的压力变化曲线与动模型试验的结果吻合较好。车站内部结构多变不对称,列车表面左右对称测点压差不明显,屏蔽门与其对面车站内壁对称测点的压差主要发生在头车通过时,屏蔽门上压力幅值比对面车站内壁大54.32%;屏蔽门表面压力变化幅值沿高度和纵向逐渐减小;流线型长度由1.5 m增加到5.5 m时,列车表面压力最大减小了10.52%,屏蔽门入口段压力变化幅值最大减小了14.06%。     

基于压缩波理论隧道内动车组表面压力极值研究

采用计算流体力学软件FLUENT,在建立3种型号动车组通过隧道和隧道内交会时的空气动力学模型并验证的基础上,分析动车组以不同速度等级在不同净空面积隧道内通过和等速交会时车体表面压力极值;在仿真计算基础上,基于压缩波理论计算公式,给出动车组隧道内通过和等速交会时车体表面压力极值的修正因子。结果表明:仿真计算结果与实车试验结果吻合较好,空气动力学模型能够较准确地反映动车组隧道内通过和等速交会时的压力波变化规律;3种型号动车组隧道内通过和等速交会时,车体表面压力极值均与隧道净空面积成幂指数关系(幂指数约为-1),与车速的平方成正比;动车组隧道内通过和等速交会时,车体表面压力极值的修正因子分别取2.24和5.79。     

地铁列车通过隧道时的气动性能研究

列车通过隧道时引起的空气动力效应会对列车运行的安全性、乘客乘坐的舒适性等产生不良影响。基于列车空气动力学理论,采用计算流体力学软件FLUENT对某型号地铁车辆通过最不利长度隧道时的空气动力学性能进行数值模拟,得到并分析了地铁列车和隧道壁面监测点的压力时程曲线和分布特征。研究表明:车体表面压力峰峰值、3 s内车内压力波动最大值及隧道内附属物压力峰峰值,与列车速度的平方近似成线性关系;隧道断面净空面积越小,车体承受的压力越大;地铁列车通过隧道时需限速,以达到人体舒适性评价标准。     

高速列车通过隧道压力波特性试验研究

近年来,在多条高速线路上对各型高速列车进行了一系列隧道通过和隧道交会试验。现通过对这些空气动力学实车试验数据进行详细分析,获得了高速列车通过隧道和在隧道内交会过程中的压力波特性,以及压力波随列车长度、运行速度和隧道长度等影响因素变化的规律。     

线间距和阻塞比对动车组空气动力学性能影响的分析

以现场试验为主,并辅以仿真计算,针对明线交会、隧道通过、隧道交会等典型工况,研究线间距和隧道截面积对动车组空气动力学及动力学性能的影响。研究表明:明线交会时,线间距从4.4m变化到5.0m对会车压力波有一定影响,但均交会压力波远小于车体容许气动载荷;隧道通过和隧道交会时,线间距对会车压力波影响较小,影响隧道空气动力学性能的主要因素为隧道截面积或阻塞比。线间距改变对动车组动力学性能影响主要体现在车体横向加速度,轮轨力和脱轨系数等指标未见显著变化。     

隧道内高速列车交会时车体两侧压差波动特性数值模拟研究

列车交会时车体两侧压差影响列车运行稳定性、可靠性和舒适度。基于三维、非定常、可压缩流动的雷诺平均N-S方程和SSTk-ω两方程湍流流动模型,采用重叠网格技术,模拟高速列车在隧道中央等速交会,研究了速度(250km/h、350km/h和400km/h)、线间距(4.6m、4.8m和5.0m)对车体两侧压差波动特性的影响。研究结果表明:车体两侧压差时间历程曲线形状相似于明线交会压力波时间历程曲线形状,在通过列车的车头和车尾经过测点时,压差值分别产生先正后负和先负后正的脉冲波,而且车尾通过时产生的压差明显比车头经过时低;车体两侧最大正压差值、最大负差值以及压差幅值均与速度平方成正比,400km/h下压差最值平均比350km/h大26%,350km/h下压差最值平均比250km/h大92%;车体两侧最大正压差值、最大负差值以及压差幅值均与线间距成负指数关系,压差最值随着线间距变化的增长百分比基本在9%左右。     

高速列车通过隧道时产生的列车风研究

采用数值计算方法,对不同编组长度高速列车以不同速度(200,250,300和350 km/h)通过隧道和于隧道中心交会进行模拟,并对产生的列车风进行分析研究。其中,数值计算方法进过实车试验数据验证,波形吻合度较好。研究发现,列车尾流引起的列车风最大,这一现象在靠近列车一侧区域尤为明显。编组长度对隧道内列车风影响显著,长编组引起的列车风明显大于短编组,增幅可达70.49%。单列车通过隧道时产生的列车风与车速近似呈线性关系,而列车于隧道内交会产生的列车风风速与车速关系已不再是线性;且相对单车工况,交会工况列车风增幅可达1.6倍。隧道内列车风峰值在空间分布存在显著差异。     

高速列车通过高海拔大坡度隧道车内外压力波特性

为研究高速列车通过高海拔、大坡度和特长隧道下压力波的特性，基于一维可压缩非定常不等熵流动模型的广义黎曼变量特征线法模拟列车通过隧道时的车外压力，采用时间常数法计算车内压力；分别利用国外数值模拟结果和国内西成高铁实车试验数据，验证方法的合理性和准确性；以速度200 km·h-1的单列8编组高速列车为研究对象，分析列车通过4种海拔、5种坡度和4种长度组成的不同隧道时，车内外压力波动和最值的变化规律。结果表明：隧道内初始压力是影响车内外压力幅值的根本原因；车内外最大正、负压均随隧道海拔的升高而线性减小，随隧道坡度和长度的增加而线性增大；与下坡相比，列车上坡运行时车内的压力舒适性更为恶劣、气密性要求更高；列车上、下坡通过坡度30‰、进口端海拔4 500 m、长42 km隧道时，车外最大正、负压分别为9.85和-9.63 kPa，列车动态气密时间常数不应小于1 713 s。     

CRH2型动车组列车交会空气压力波试验分析

阐述胶济线CRH2型动车组列车交会空气压力波实车测试情况,对测试结果进行详细分析,并将实车试验结果与数值模拟计算结果进行比较.研究结果表明:250 km/ h等速交会情况下,实车试验测得的车体表面交会压力波最大幅值为1 195 Pa,在铁路线间距为4.4 m的条件下不会对列车运行安全产生影响;车厢内最大压力变化幅值为19 Pa,仅为车体表面压力变化幅值的1.6%,车厢内产生的压力变化幅值不会对乘客舒适性产生影响;在4.4 m线间距情况下,被测试的CHR2型动车组上的交会压力波幅值近似与同型号等速交会动车组运行速度的平方成正比;数值计算与实车试验得到的规律基本吻合,计算与试验结果相差5.15%,数值计算结果可信.     

高速列车交会压力波仿真与试验对比分析

建立了某高速列车4辆编组的列车空气动力学交会模型,模拟列车交会时表面空气压力波的变化,并将仿真分析结果与实车试验结果数据进行了对比分析。分析结果表明,仿真模型能够基本模拟列车实车运行时的压力波变化,仿真分析结果可以为新车型设计与改进提供可靠的参考数据。