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。     

横风强度对平原上集装箱列车横向稳定性的影响

应用平原大气边界底层速度型,对平原上运行速度为120 km/h的集装箱列车在横风角为90°8～12级横风下的空气动力载荷进行数值研究.研究对象分别为机车牵引装载着12.192 m(40英尺)集装箱的3辆NX70型平车和3辆X6K型平车的计算模型.结果表明,平原上X6K型平车装载集装箱所受升力的平均值约为NX70型平车集装箱的25%左右;2个列车模型中位置相同的集装箱所受侧向力基本相等,集装箱所受翻滚力矩约为NX70型平车集装箱的60%左右.铁路集装箱车辆的设计对其在平原上装载集装箱所受升力的影响很大,对集装箱所受侧向力的影响很小;集装箱平车底架的大面积空隙有利于列车底部和集装箱底部之间的空气流通,可有效降低集装箱所受升力和翻滚力矩;合理的铁路车辆设计可在一定程度上提高平原上集装箱车辆运行的横风稳定性.     

侧风风场特征对高速列车气动性能作用的研究

侧风风场特征,如均匀风和大气底层边界速度型对高速列车在侧风环境下运行的安全性评估有直接影响.为了准确地评估侧风对在平原上运行的高速列车的影响,基于三维定常可压缩流动的NS方程,采用SSTk-ω两方程湍流模型和有限体积法,对时速350 km的动车组在均匀风和大气底层边界速度型风场中的流场和气动力特性分别进行了数值模拟计算和分析.结果表明:对在平原上运行的高速列车而言,作用于列车的气动升力、侧向力及倾覆力矩均随侧风风向角的增大而迅速增大;当风场为大气底层边界速度型时,列车顶部与底部及两个侧面的压力差小于风场为均匀风时的压力差,侧向力及倾覆力矩均小于风场为均匀风时的力及力矩,升力则随侧风风向角的增加具有不确定性.采用均匀风场评估高速列车在平原侧风环境中运行的安全性,会高估侧风对列车运行安全影响的风险,使得过低地限制列车的安全行驶速度,从而影响列车的正常运行效率.建议采用大气底层边界速度型风场进行评估.     

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。     

平原上不同长度集装箱列车横风载荷的数值研究

对在横风角为90°的10级横风作用下平原上以120 km/h速度运行的集装箱列车的空气动力载荷进行数值研究。采用平原大气边界底层速度型模拟运行环境,研究对象包括5种模型:机车分别牵引2辆、3辆、10辆载有集装箱的平车的列车模型以及1辆、3辆集装箱平车的周期边界模型。结果表明,机车尾流会削弱第1辆车所载集装箱的升力,第2辆车所载集装箱受到的升力最大;前车尾流导致后车的来流风向角和侧向力依次减少,第1辆车集装箱所受侧向力最大;第2辆车集装箱所受翻滚力矩最大,前3辆车集装箱所受翻滚力矩值比较接近;随列车长度增加,气动载荷在达到其最大值后呈逐渐下降趋势,尾车的绕流作用导致尾车集装箱的气动载荷迅速减少。用周期边界模型模拟长集装箱列车中段的空气动力载荷,其集装箱所受翻滚力矩约为整列车中最大值的80%～84%。     

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。     

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。     

横风作用下敞车的气动性能研究

以C64型敞车为原型车,利用二维定常不可压缩Navier-Stokes方程和两方程紊流模型,采用有限体积法,对横风作用下静止的无导流板满载敞车、无导流板空敞车、有导流板空敞车的气动力进行数值模拟计算。计算结果表明:当横风速度在20.7~46.1 m.s-1时,气动力系数的变化幅度不大,可近似作为常数来对待。在20.7 m.s-1的横风速度下,满载敞车所受侧向力小于空敞车,而升力和倾覆力矩则有所增加,因此敞车装载情况对横风作用下敞车受到的气动力有比较大的影响。敞车侧墙加装导流板后,所受到的气动力没有明显变化。     

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。     

强横风下青藏线棚车气动性能研究

采用非结构网格,对强横风下青藏线桥梁上运行的棚车气动性能进行数值模拟,并对部分数值模拟的结果进行风洞实验验证。计算结果表明:实验结果和数值模拟的结果较吻合;在指数风条件下,棚车的气动力随桥梁高度和横风速度的增加而迅速增加;而列车的减速运行,将使棚车所受到的气动力和倾覆力矩降低,有助于棚车安全通过风区桥梁。     

强侧风不同挡风墙下棚车气动性能

选用车型为棚车,采用SIMPLEC算法和QUICK精度格式的数值计算方法对强侧风下不同挡风墙类型、不同路堤和挡风墙高度组合棚车的气动性能进行研究.研究结果表明:在防风效果上,土堤式挡风墙最差,加筋对拉式挡风墙相对最优;挡风墙类型为加筋对拉式,当路堤高度一定时,随着挡风墙高度的增加,棚车的倾覆方向由顺风倾覆向逆风倾覆转变...     

列车编成辆数对高速列车横风气动特性影响的数值分析

对3～8辆编组列车以350km· h-1速度运行时,不同速度横风作用下的气动特性进行仿真研究,并建立列车的阻力系数与列车编组辆数之间的无量纲关系.研究结果表明:对3辆车编组列车的气动特性分析不能取代对其他编成辆数列车的几动特性分析;不同编成辆数列车阻力系数随着横风风速的增加而增大,3辆车编组列车的阻力系数不超过8辆车编组的列车的一半;列车的侧向力系数和倾覆力矩系数随着列车编成辆数的增加而减小;列车编成辆数对头车的阻力系数、升力系数、侧向力系数和倾覆力矩系数影响较小,但是对尾车的影响较大;头车的侧向力系数和倾覆力矩系数明显高于尾车和中间车,尾车的倾覆力矩系数最大值不超过0.4,而头车的最大可达0.7;由于头车的气动安全性比其他位置车辆的低,用头车的气动安全性评估整个列车的气动安全性会偏于保守,但合理、可行.     

兰新铁路现有土堤式挡风墙局部加高优化

随着兰新线上通过列车速度的提高,现有土堤式防风墙的防护效果亟需改善,考虑在原有挡风墙顶部进行局部加高改造。基于三维定常、不可压N-S方程与κ-ε双方程湍流模型,采用棚车为代表车型,在横风风速为50 m/s时,分别对不同加高高度的对称和非对称土堤式挡风墙条件下运行速度为120 km/h的货物列车所受气动力进行了数值模拟,以车辆倾覆力矩为考核指标分析挡风墙加高高度对棚车气动性能的影响。研究结果表明,在现有土堤式挡风墙顶部局部加高能有效地提高其对列车的防风作用;其对称土堤式挡风墙合理加高高度为0.28 m,迎风侧高度1 m和2 m的非对称土堤式挡风墙合理加高高度分别为0.62和0.49 m。结果为工程实际应用提供了理论依据。     

高架桥高度对高速列车气动特性的影响

文章采用计算流体力学方法,针对高架桥高度变化对列车气动特性的影响进行了研究。结果表明,随着高架桥高度的增加,头车的倾覆力矩系数略微增大,而中间车的倾覆力矩系数逐渐减小,尾车的倾覆力矩系数基本不变。高架桥高度达到15m后,列车的气动六分力基本不随高架桥高度的增加而变化。     

大风环境列车横截面外形优化

列车经过大风环境时引起的列车稳定性变化影响列车行车安全与乘坐舒适性。优化列车横断面可以提高列车在横风作用下气动性能,降低倾覆危险。借助数值模拟手段,通过优化截面内倾角位置高度等7个几何参数,得到倾覆力矩随参数变化的规律,确定优化中需重点关注的参数。研究结果表明,倾覆力矩随顶部折角与底部折角的变化为非单调增长,而随其他部位的变化呈现单调趋势,优化得到的组合截面比原始截面横向力下降28. 28%、升力大小下降42. 85%、倾覆力矩减小45. 91%。优化后的列车横截面模型与原始断面相比,横向力增长了24. 28%,升力和倾覆力矩分别下降了75. 99%和27. 19%。倾斜条件下,优化后的列车截面模型倾覆力矩较原车模型下降了11. 22%。     

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。     

横风下高速列车非定常空气动力特性研究

通过大涡模拟(LES)数值计算方法,对均匀定常横风下高速列车的非定常空气动力特性进行了研究。计算得到横风下列车车体所受空气动力的时域及频域特性、列车周围非定常流动结构及相应非定常流场特性。对计算结果分析表明,即使在均匀定常横风下,列车所受空气动力也存在明显的非定常性。对于所研究车型,这种非定常空气动力的特征频率出现在11 Hz以下,并且主要峰值集中在0~3 Hz区间,这与列车系统本身的固有振动模态频率接近,存在横风引起列车系统共振,进而发生列车倾覆的可能;同时研究表明,横风下列车周围流场非定常特性与列车所受非定常空气动力特性在频域中存在对应关系,可以通过测量非定常流场确定列车非定常空气动力特性。