编组长度对高速列车表面交变压力载荷的影响

基于标准κ-ε双方程湍流模型,采用滑移网格方法,对不同编组长度(3车编组,4车编组,5车编组和8车编组)高速列车明线交会以及于各自最不利长度隧道通过和交会工况进行模拟,并对车体表面产生的交变压力载荷进行研究。数值计算结果和实车试验结果进行对比,波形吻合度高,误差不超过6%。研究结果表明:列车明线交会时,列车压力波尾波幅值由3车编组到8车编组减小11%;列车于各自最不利长度隧道通过和交会时,编组长度不改变列车车体表面压力波变化规律,但对幅值有较明显影响;列车通过隧道时压力波峰峰值由3车编组到8车编组增大14.0%,列车于隧道中心处交会时该值增大26.4%。     

高速列车交会空气压力波的研究

对高速列车交会空气压力波的研究方法作了较为全面的分析与介绍，并对我国首次设计的高速列车外形进行了列车交会空气压力波风洞模拟试验，所得结果与德国研制ＩＣＥ时所作同类试验基本一致。     

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。     

列车交会压力波与运行速度的关系

随着列车速度的提高,列车交会时产生的瞬态压力冲击对行车安全、旅客舒适性均产生严重影响。根据多次实车试验结果和理论分析,将列车交会分为列车静止交会、等速交会和不等速交会3种工况,研究了3种工况的列车交会压力波与运行速度之间的关系,得到一系列回归关系式。研究结果表明:静止列车上的压力波与交会列车运行速度的平方成正比;两列车等速交会时,列车上的压力波幅值与两交会列车的运行速度和相对速度的平方成正比;两列车不等速交会时,高速列车承受的压力波幅值小于与之交会的低速列车所承受的压力波幅值;两列车等速交会时的压力波大于一方列车静止时交会的压力波。     

列车空气动力性能与流线型头部外形

采用数值计算、动模型试验、风洞试验、实车试验和理论分析等方法,研究列车流线型头部长度、宽度、高度及耦合外形对列车交会压力波、空气阻力和升力的影响,得到一系列理论关系式。研究结果表明:①增加列车流线型头部长度,可以有效地改善列车空气动力性能,列车交会压力波随流线型头部长度增加而呈对数减小,头车阻力、升力绝对值均随流线型头部长度的增加呈线性减小,尾车阻力与流线型头部长度呈二次幂减小;②流线型头部纵向对称面最大控制型线从外凸到内凹,列车空气阻力、空气升力和交会压力波基本不变,减小鼻尖部位过渡曲线的曲率半径可以有效降低列车交会压力波;③流线型头部俯视最大控制型线为方形时产生的交会压力波最小,尖梭形的头车空气阻力和升力绝对值较小;④减小列车空气阻力和降低列车交会压力波,既矛盾又统一,列车气动头部外形设计需要综合考虑各种因素。     

列车交会空气压力波研究及应用

列车交会空气压力波是高速轨道交通特有的空气动力学问题,它对高速轨道运输行车安全、旅客舒适度均产生重大影响。讨论了列车交会空气压力波数值计算方法、动模型及在线实车试验技术,论述了非对称滑移网格技术。根据对我国提速,200km/h速度等级及其以上高速列车进行计算、试验和理论分析,建立了列车交会压力波与运行速度、复线间距、车体宽度、附面层、外形以及编组方式等之间的关系,讨论了列车交会行车安全评估方法,提出了我国既有线上各种列车车体和车窗结构承受瞬态交会压力冲击安全运行极限值。     

地铁列车与高速铁路列车交会压力波的仿真研究

列车在高速会车时产生的空气压力波会给交会车辆的侧窗造成很大的冲击,有可能出现破窗事故,给乘客和列车运行带来安全隐患。基于三维、非定常两方程湍流模型,利用计算流体软件Fluent,对某型地铁车辆与不同型号的铁路高速列车(CRH380A、CRH2、CRH3型)交会时的空气动力学性能进行了数值仿真,得到侧窗上的会车压力波变化曲线。仿真计算结果表明:在地铁列车与铁路高速列车的交会过程中,地铁列车所受到的侧力远大于高速铁路列车所受到的侧力,交会产生的瞬变压力波对地铁列车侧窗的影响也更大。当地铁列车与CRH380A型高速列车交会时,与其和其它两种型号的列车交会相比,地铁列车侧窗所受到的压力波幅值最小,而当地铁列车与CRH2型铁路列车或CRH3型铁路列车交会时,地铁列车侧窗所受到的压力波幅值均较大,其波动的峰峰值也更大。     

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。     

准高速列车交会空气压力波试验研究

根据在广深准高速线上首次成功地进行列车交会压力波试验所得结果，本文分析了列车交会压力波幅值大小与列车运行速度、交会列车相对速度、线间距、车体截面形状、车头形状的关系，以及高速车对低速车的影响。     

高速列车通过截面突变隧道时压力波的数值模拟研究

高速铁路隧道压力波是铁路高速化中日益突出的问题之一,而高速列车通过截面突变隧道时压力波特性目前研究较少。本文根据高速列车通过隧道过程中引起空气流动的特点,在对复杂空气流动现象进行合理简化的基础上,采用一维可压缩不等熵非定常流体流动模型和广义黎曼变量特征线法发展了截面突变隧道压力波的数值计算方法,并给出了相应的边界条件,随后与国外典型试验数据进行了比较,证明本方法的正确性。在此基础上本文分别对单车和会车通过截面突变隧道的压力波进行了数值分析,对揭示截面突变隧道内压力波特征及截面突变对隧道压力波的影响有一定的意义。     

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。     

高速列车过隧道时对接触网安全性的影响分析

为研究高速列车过隧道时对接触网系统安全性的影响,采用数值模拟的方法,利用滑移网格技术,对不同编组的高速列车以350 km/h的速度分别通过单线隧道和双线隧道的过程进行仿真,通过监测吊柱位置处的气流速度和气体压力,得到隧道内活塞风特性;基于气动特性仿真结果,对接触线风振响应进行模拟仿真,得到隧道内接触线位移偏量范围。结果表明,列车编组越多,隧道断面越小,列车车速越大,形成的列车风速度越大,气动特性越显著;列车进入隧道入口瞬间,接触线有最大正向位移偏量为2.92 mm。     

基于FlUent二次开发研究高速列车通过隧道时的瞬变压力

研究目的:针对采用通用CFD软件Fluent进行高速列车隧道空气动力学效应数值模拟中存在的问题,对 以Fluent为平台、利用VC 语言进行二次开发的一些关键性技术进行了研究。 研究方法:本文采用三维粘性、小等熵、可压缩、非定常流的Navier-Stokes方程,用有限体积法进行区域离 散,对高速列车通过隧道时隧道内和列车内外瞬变压力的变化进行了三维数值模拟。 研究结果:将隧道内瞬变压力的波动情况与列车的运行情况相结合,对此过程进行了详细的描述和解释。 研究结论:计算过程中,Fluent的命令流能灵活地实现CFD分析中的众多相关功能,为工程设计和研究提 供了有力的开发平台和分析工具。Fluent不仅具有完备的系统开放性,还可利用C语言编制自己的程序模块来 丰富其功能,在工程上有着非常广阔的应用前景。     

缓冲结构对列车突入隧道时的瞬变压力的影响

列车突入隧道时 ,会产生一系列气动效应。引起车厢内部压力变化 ,降低列车乘坐的舒适度。同时 ,还会在隧道出口形成噪声污染 ,在隧道口修筑缓冲结构是解决这一问题的有效措施。本文通过实验 ,对瞬变压力以及压力变化率与列车车速之间的关系进行了研究 ,并对缓冲结构的长度与降低瞬变压力的效果进行了分析比较 ,确定了相对最优的缓冲结构长度。     

明线上与隧道内高速列车流场结构及气动噪声源

基于成熟的明线上高速列车气动噪声计算模型和可压缩大涡模型,考虑声学无反射边界条件,利用计算流体力学软件Fluent建立无限长隧道内高速列车气动噪声计算模型,对比分析高速列车在明线上与隧道内运行时的流场组织结构和气动噪声源。结果表明:高速列车在明线上与隧道内运行时具有类似的流场结构和气动噪声源分布规律,但隧道内的流场结构尺度与强度、气动噪声源强度均比明线上大;车速为350 km·h-1时,隧道内头车排障器尖点扰动区的速度幅值约为明线上的1.2倍,列车尾流区长度约为明线上的1.7倍,整车、1位转向架、头车流线型车底及中间车上部的等效声源声功率分别约为明线上的3.2倍、1.6倍、2.7倍和4.2倍;隧道内活塞效应并不是在全频率范围增加等效声源声功率,而是在包含峰值频率较狭窄的频率范围显著地增加等效声源声功率。     

不同外形列车过隧道实车试验的比较分析

随着列车运行速度的提高，隧道空气动力学问题越来越突出。2005年5月在遂渝线进行了高速列车过隧道试验，对列车和隧道内空气压力变化、隧道内列车风和隧道口微气压波等参数进行了测试。结果表明：隧道内列车风风速与列车运行速度成线性关系，并且与车头和车尾的外形、列车长度、隧道截面面积及其长度等因素有很大关系；隧道壁面压力近似与列车运行速度的平方成正比；同等速度条件下，钝头型的25T提速客车引起的隧道壁面压力变化幅值比流线型动车组的大38．6％；由于双层集装箱列车较高且集装箱间的间距较大，致使同等速度下引起的隧道壁面压力变化最大；隧道入口的压力变化明显大于隧道出口的压力变化，在隧道口附近，三维效应非常明显，且每种车型均不同。因此，将列车和隧道耦合起来设计出合理的隧道和列车截面形状，是减小隧道空气动力学效应的有效途径。     

高速列车隧道内等速交会对车辆动力学性能的影响

基于风压载荷空气动力学控制方程,利用计算流体力学软件FLUENT,分析高速列车在不同线间距隧道内,以不同速度级等速交会时的车体表面风压和受到的气动力;将隧道内交会时受到的气动力以时程荷载的形式施加到车辆动力学模型中,分析其对各项车辆动力学性能的影响规律,并进行安全性和平稳性指标分析。结果表明:列车在隧道内等速交会时,头车所受的气动阻力、升力、横向力最大;高速列车表面所受的风压极值与速度的2.2~2.3次方成正比,所受的气动阻力、升力、横向力与速度的1.8~2.4次方成正比;隧道内高速交会对车辆安全性指标影响不大,仅在交会瞬间产生较大的车体横向振动,当运行速度达到400km·h^-1时各项安全性、舒适性指标均满足限值要求。     

高速列车突入隧道时的三维非定常流的数值模拟

给出高速列车突入隧道形成压力波的三维粘性流场数值模拟过程,控制方程三维粘性、可压缩、不等熵、非定常流的Navier Stokes方程。空间离散采用中心有限体积法格式,时间采用预处理二阶精度多步后差分格式进行离散,对列车与隧道之间的相对运动采用滑动网格技术。真实地描述列车进入隧道所形成压缩波的过程。计算结果与国内外的试验结果相符。计算结果表明:隧道内的压缩波呈现三维特性;同一断面上的压力变化的差异性与列车的运行方式有关。     

高速列车振动荷载作用下沉管地基整体稳定性研究

通过数值模拟方法研究高速列车在通过沉管隧道时,对沉管地基的影响,分析评价沉管地基在高速列车作用下的液化可能性。利用车轨动力相互作用模型,重新研究确定高速列车在不同速度下作用于沉管隧道整体道床上的动荷载;对沉管隧道的三个典型断面,计算高速列车动载作用下地基的最大剪应力分布;最后确定了沉管地基3种等效振次的抗液化剪应力。结果表明长江沉管隧道地基有足够的能力抵抗列车的周期性荷载。