高速列车优化外形的数值分析

本文利用作者博士研究生期间提出的三维钝体湍流绕流数值计算方法和计算程序，在国内首次对高速列车头型及车体横截面优化进行数值模拟研究，了解流线型头型各几何参数与形阻关系以及横截面各几何参数对横风下列车稳定性、安全性的影响。为京沪线高速列车推荐出综合考虑气动阻力、压力波特性的最佳头型，计算结果与西南交通大学ＸＮＪＤ－１风洞试验结果吻合很好。     

中国高速列车气动减阻优化综述

研究了中国高速列车气动减阻优化进展,总结了典型部件的压力分布特性与各部件在列车气动阻力中的贡献占比,评析了惰行试验、风洞试验与数值模拟3种列车气动阻力研究方法,论述了和谐号、复兴号等系列列车头型气动性能的差异,阐述了高速列车头型气动减阻优化方法与技术,梳理了转向架区域、车端连接处、受电弓及导流罩等局部不平顺区域的气动减阻措施,归纳了适用于高速列车的前沿减阻技术。研究结果表明：数值模拟和风洞试验各有优缺点,经过风洞试验有效验证的数值模拟是准确计算列车气动阻力的有效途径; 列车气动阻力中贡献占比的主要部件为头车、尾车、转向架、受电弓与车端连接处; 由于现有高速列车的高度流线化,头型优化较难实现大幅度的减阻,改善转向架区域裙板、设计全包外风挡与优化受电弓和导流罩外形是进一步减阻的有效措施; 减阻降噪、提升运行平稳性和舒适性等多目标优化是列车头型设计的发展趋势,通过直接寻优计算或者代理模型寻优计算能够提高优化效率与降低优化设计成本; 未来应重点研究高速列车的仿生表面微结构、吹吸气流动控制、等离子体减阻与涡流发生器减阻技术,实现中国高速列车的绿色、节能、高速化发展。     

高速动车组气动外形多学科优化设计

基于流固耦合技术及阻力、升力、运行安全性与平稳性、气动噪声等多个性能指标驱动的多学科优化设计方法,兼顾各系统结构与功能,通过仿真分析和风洞试验等手段,系统研究了CRH3动车组气动外形与空气动力学、动力学、噪声等性能的耦合关系,对车辆间连接结构、转向架区域、车顶设备导流区域等部位进行了优化,提出了CRH380BL动车组的最佳气动外形方案,实现了预期设计目标.在线试验结果表明,CRH380BL动车组比CRH3动车组实测单位阻力降低7%,同时动车组运行稳定性提高、气动噪声有效降低,满足了持续运营速度350 km/h、最高运行速度380 km/h的技术要求.     

高速列车湍流绕流三维数值模拟研究

本文在般曲线坐标系下，采用Ｋ－ε双方程模型及壁面控制函数，借助于代数变换建立起以协变速度分量为独立变量的三维复杂钝体湍流绕流数值计算方法，建立了一套适合于近地大长细比复杂几何体的三维网格生成与控制方法，同时采用交错网格，成功地解决了压力－速度耦合关系。首次对高速列车三维湍流绕流场压力分布、速度分布以及气动阻力进行研究。本文的研究工作对进一步解决近地大长细比复杂几何体湍流绕流数值模拟是一个良好的开端     

高速列车气动噪声研究综述

根据近年来高速列车气动噪声相关研究,从试验研究、理论分析和数值模拟方面介绍了当前高速列车气动噪声研究现状和研究成果, 分析了高速列车气动噪声源分布和产生机理,探讨了高速列车关键区域气动噪声降噪措施,展望了未来研究方向。研究结果表明：高速列车运行产生的气动噪声主要声源为几何体表面偶极子声源,分布在转向架、受电弓、车厢连接处、头车与尾车等区域;转向架区域存在着车体表面结构不连续性,气流流经时产生流动分离和流体相互作用,形成较强气动噪声源,可以采用转向架舱外设置裙板和舱内壁与周围铺设吸声板等措施进行降噪;受电弓各部件受到流动冲击作用,产生周期性涡旋脱落诱发的单音噪声,可通过减少受电弓结构部件、改变受电弓杆件截面形状、安装受电弓导流罩、受电弓两侧设置隔声板和射流控制等措施进行气动噪声有效控制;无封闭式车厢风挡形成开放式环形空腔,气流流经时产生较强的气动噪声和气动声学耦合,采用全封闭风挡可有效降低气动噪声产生;头车部位气流流动分离以及尾车部位由于尾涡脱落和非定常流动结构形成与发展,诱发气动噪声产生,头车、车身与尾车减少突出部件,保持几何体表面光滑和连续性,有利于取得较好的降噪效果;随着未来更高速度级高速列车研发,有必要进一步深入研究高速列车气动噪声理论与数值模拟方法,提升气动噪声降噪技术水平,有效控制气动噪声。     

高速列车受电弓气动噪声研究综述

为更深入全面了解高速列车受电弓气动噪声研究现状,阐明高速列车受电弓气动噪声机理与规律,总结了近年来国内外高速列车受电弓气动噪声的研究,概括了中国、日本、德国与法国高速列车受电弓的发展历程,分析了受电弓气动噪声源、辐射气动噪声特性以及高速列车受电弓气动噪声研究方法,探讨了高速列车受电弓气动噪声生成机理与抑制方法,总结了当前研究的主要成果。分析结果表明：受电弓作为列车顶部的重要受流装置,由多个杆件组成,在高速气流中会产生显著的有调噪声,是高速列车环境噪声污染主要来源之一;高速列车受电弓主要气动噪声源分布在弓头、铰链机构、绝缘子、底架等部件的迎风侧位置,研究受电弓气动噪声的手段有实车试验、风洞试验以及数值模拟;增加附属装置可以有效控制气动噪声,如增加导流罩、喷射气流、等离子体驱动器等,但这些方法增加了系统的复杂度;基于仿生学原理改变杆件表面微结构,可以显著抑制受电弓湍流旋涡的生成,从而大幅降低气动噪声;优化杆件截面形状以及空间结构设计,可以减少阻力及湍流旋涡的生成,进而有效控制气动噪声。可见,多种途径可以降低受电弓气动噪声,但工程落地的可行性、气动噪声与气动阻力及弓网接触稳定性的耦合关系,仍需进一步深入研究。     

高速列车座椅舒适度优化

为了提升高速列车乘坐舒适性,对CRH2犁高速列车座椅舒适度进行了问卷调查.根据调查结果、中国人体数据、座椅设计理论和人机工程学,用多元回归分析方法,确定了影响座椅舒适度的因素.提出了适合中国人体的座椅尺寸:靠背倾度100°～120°,椅背宽度不大于415 mm,椅背高度不低于729 mmm,头靠应距离座椅面?骀 700～859 mm.     

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．     

基于气动噪声的城际列车空调导流罩外形优化

采用NLAS方法对某时速250 km/h城际列车进行气动噪声数值分析,重点研究了空调区域噪声源的分布特性.根据仿真分析结果对客室空调导流罩的四个边缘和四个角点进行了优化,优化后导流罩的最大声压级为110 d BA,比原方案的声压级降低6 d BA.     

高速列车进入隧道的气动作用数值模拟

为了寻求减小气动作用的方法,基于三维非稳态粘性流的雷诺平均Navier—Storkes方程及两方程紊流模型,采用包含移动网格技术的计算流体力学方法,对高速列车进入隧道的气动作用进行了动态数值模拟;计算了2种车型（ICE和新干线300系）、5种车速（200,250,300,350和400km／h）和5种隧道断面尺寸的列车-隧道流场,获得了隧道内压力和列车气动阻力的变化趋势,并分析了列车速度、阻塞比、车头形状和线路状况等因素的影响．研究表明,列车速度和阻塞比对气动作用的影响具有一定规律．     

高速列车头型多目标气动优化设计

为提高明线运行的高速列车气动性能,以头车气动阻力和尾车气动升力为优化目标,对高速列车头型进行了多目标自动优化设计.以某新型高速列车为原型,建立了包含转向架区域的高速列车参数化模型,提取了7个设计变量,分别控制鼻尖高度、端盖开闭机构顶端高度、驾驶室车窗高度、水平最大外轮廓线横向宽度、头型中部辅助控制线凹凸度、转向架区域横向宽度和隔墙倾角,并基于计算流体动力学理论,建立了高速列车空气动力学模型.应用该模型计算作用在列车上的气动力,通过多目标遗传算法自动更新设计变量,实现了高速列车头型的自动优化设计.对优化目标与设计变量的相关性进行分析,结果表明:驾驶室车窗高度和转向架区域横向宽度对头车阻力影响最大,头型鼻尖高度和中部辅助控制线凹凸度对尾车升力影响最大;优化后得到6个Pareto最优头型,与优化前的头型相比,头车阻力最多减小3.15%,尾车升力最多减小17.05%.      

高速列车气动噪声仿真与试验对比分析

通过Actran建立某高速列车1∶8缩尺比例的三辆编组的列车气动噪声CFD/CAA混合数值分析模型,模拟列车在250 km/h运行速度下外气动湍流噪声,分析结果表明,车外气动噪声在车头、受电弓、转向架处较大,且主要集中在500~2 000 Hz频率范围内.并将仿真分析结果与相应1∶8缩尺比例的列车模型在声学风洞中的气动噪声试验结果数据进行对比分析,仿真数据与试验数据基本吻合,仿真分析结果可以为新车型设计与改进提供可靠的数据.     

高速列车气动噪声数值仿真

建立了高速列车组包括头车、中间车、尾车及外部空间在内的气动噪声计算物理模型,从声学理论出发,结合列车实际运行的边界条件,运用以稳态结果作为初始值进行瞬态计算,预测了高速列车气动噪声,并对采用直接瞬态法计算气动噪声的可行性进行了分析计算.研究结果表明气动噪声分布于很宽的频带内,无明显的主频,属于宽频噪声.在低频中气动噪声...     

面向气动性能的高速列车头型多目标优化设计

将气动阻力和气动升力作为优化目标,对高速列车头尾几何外形进行多目标优化设计.选取列车头尾横向、纵向、垂向三个方向共8组节点位置作为设计变量,利用网格变形技术得到需要进行仿真的样本.采用Fluent软件对3节编组高速列车在明线上运行的周围流场进行仿真计算,并得到其气动阻力和气动升力特性.通过响应面方法构造这两种气动特性对设计变量的响应关系,对其进行多目标优化设计得到优化后的列车外形,其气动阻力降低13.66％,且气动升力有效减小至1.46 N.     

高速列车头部气动性能的模拟计算与试验

为了研究高速列车的头形对列车整车的气动性能有着重要的影响,对一节半车编组列车分别进行了空气动力学仿真分析和风洞试验.采用有限体积法对列车头部周围流场进行区域离散,进行气动性能仿真分析,得到高速列车头车的气动特性参数.在满足几何相似的基础上,对一节半编组的列车模型进行风洞试验,获取头部的气动参数,并从模拟仿真分析结果与风洞试验结果对比分析中验证,两种方法能够相互补充,相互印证,为高速列车头形的研究总结出有效的研究途径.     

高速列车头部气动性能的模拟计算与试验

为了研究高速列车的头形对列车整车的气动性能有着重要的影响,对一节半车编组列车分别进行了空气动力学仿真分析和风洞试验．采用有限体积法对列车头部周围流场进行区域离散,进行气动性能仿真分析,得到高速列车头车的气动特性参数．在满足几何相似的基础上,对一节半编组的列车模型进行风洞试验,获取头部的气动参数,并从模拟仿真分析结果与风洞试验结果对比分析中验证,两种方法能够相互补充,相互印证,为高速列车头形的研究总结出有效的研究途径．     

高速列车头型数值设计优化研究现状与展望

基于试验的传统列车头型设计方法通过对比从有限设计方案中寻优,并非真正意义上的优化。联合CFD仿真和优化算法进行列车头型设计优化,是列车设计研究的一个新方向。从设计方法、参数化建模以及计算策略等4个方面综述了国内外高速列车外形数值设计优化的研究现状,指出高速列车头型设计的发展趋势,即向与建筑物耦合设计、谱系化设计、多学科设计、全寿命周期设计及随机设计5个方向发展。我国列车运行速度不断提高,需要设计运行安全、高效与环境友好的高速列车头型,发展能广泛应用、高效可靠的列车头型设计理论与方法,建立高速列车头型设计技术规范和标准体系。