横风环境下高速列车头型的多目标优化设计

基于高速列车初始外形的参数化设计,针对各个优化目标建立对应的基于交叉验证方法的Kriging模型;为保证预测精度且尽量减少加点数量,基于最优解点和预测标准差最大点的2点加点准则,利用多目标优化算法得到满足约束条件的Pareto最优解集;利用测试函数验证优化设计方法的可靠性。以3辆编组高速列车为例,以整车气动阻力系数、流线型部分容积、尾车气动侧向力系数和尾车倾覆力矩系数为优化目标,以鼻锥厚度、鼻锥引流、鼻锥高度、车体宽度、司机室视角和排障器形状为设计参数,进行横风环境下高速列车的外形优化。结果表明:多目标优化算法可应用于高速列车头型的优化设计;利用各设计参数与优化目标的作用规律,可指导高速列车头型的工程改进设计。     

城际动车组气动阻力优化的风洞试验研究

采用风洞试验方法对城际动车组气动阻力优化进行研究,获得不同侧滑角下的城际列车明线及横风气动阻力,并分析头部外形、风挡结构、车底设备对动车组气动阻力的影响规律。研究结果表明:侧偏角在0°～10°范围内,随着侧滑角增加,头车阻力系数逐渐增大,中间车阻力系数先增大后减小;尾车阻力系数对于侧滑角最敏感,头车次之,中间车最小。无横风时,设置外风挡显著减小了头车及尾车阻力系数,但导致中间车阻力系数增加约16.7%,整车阻力系数仅减小4%左右。安装设备舱后,车体底部杂乱的气流变得平顺,无横风时整车气动阻力系数较减小22%,而横风环境下整车气动阻力系数降幅可达25%。     

基于DE S的高速列车气动阻力分布特性研究

基于Realizable k-ε方程的DES数值模拟方法,研究某高速列车头、中和尾车不同区域对整车气动阻力系数的贡献值,并结合风洞试验结果,验证本文所采用的计算方法,计算与风洞试验结果两者偏差在2％以内;各车辆的瞬态气动阻力系数时程曲线在均方根值上下波动,其中头车的脉动幅度最小,尾车最大;头车、尾车的头部曲面区域及各个车辆转向架区域的气动阻力占整车气动阻力的77．8％;前端转向架区域气动阻力系数从头车、到中间车、到尾车大幅度减少,后端转向架区域气动阻力系数逐渐增加;从流场结构来看,列车的头部、风挡、车底结构以及车尾处产生了大量的漩涡;沿车长方向,头车车体附近的漩涡情况好于中车和尾车。     

高速列车头型拓扑结构对气动力的作用规律研究

为了得到高速列车头型关键设计部位的拓扑结构对列车气动性能的作用规律,减少头型概念设计时的盲目性,本文以数值模拟和正交试验设计为分析工具,研究高速列车头型的长度、纵剖面型线、水平剖面型线、排障器外形、司机室玻璃形状和车体横截面形状对列车气动阻力和尾车气动升力的影响。将头型的6个设计部位均划分为5种不同的拓扑类型,研究各设计部位拓扑结构的变化对列车气动性能的影响,选取3个影响度最大的设计部位,通过有交互作用的正交表分析不同部位拓扑结构的耦合作用对列车气动性能的影响。得到列车头型各主要设计部位的拓扑结构对列车气动性能的作用规律,给出针对不同气动指标进行头型设计时的合理拓扑结构。     

基于边界层减阻理论的高速列车抽吸气减阻特性数值研究

采用计算流体力学方法,研究高速列车表面边界层演变特性以及气动阻力分布规律;通过在列车头车和尾车边界层分离点区域设置抽吸气孔,提出表面抽吸气边界层控制减阻方案,并评估其减阻效果。结果表明:头车和尾车边界层分离点区域分别设置抽吸气孔后,整车气动阻力系数均减小,最大减阻率可达6%。此项研究为高速列车气动减阻提供了新思路,对克服由于空气动力效应带来的提速瓶颈、节约能源具有重要意义。     

高速列车头车外形结构优化风洞试验研究

我国最新一代高速列车为CRH380A,最高运营时速为350 km/h。现以500 km/h的高速列车为研究背景,对CRH380A高速列车头车外形结构进行优化,在中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所的8 m×6 m风洞中对四种不同优化方案的高速列车头车的气动特性及其对有限编组列车气动性能的影响进行试验研究。试验结果表明:当侧偏角为0°时,在35～70 m/s的试验风速范围内,风速的变化对头型NEW-A的气动特性的影响很小;当侧偏角不变时,模型NEW-A的头车、中间车和尾车气动阻力最小,4种头型当中NEW-A头型的空气动力性能最好。     

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.     

城市轨道列车气动性能优化研究

为研究城市轨道列车气动特性以及底部部件对列车气动特性的影响,针对三节车模型进行简化,保有底部部件较高完整性,采用Realizablek-ε湍流模型预测列车周围流场。数值计算结果表明:列车气动阻力分布呈现出尾车阻力最大,占三节车总阻力的48%;中间车阻力最小,占总阻力的14%。其中转向架分别占头车、中间车和尾车总阻力的15.1%,56.4%和23.0%。车底设备分别占头车、中间车和尾车总阻力10.5%,10.3%和8.6%。因此对于头车、尾车采取减阻方案首先是采用流线型头型的方式减少流动分离现象。对于中间车减阻方法则要首先针对底部部件,采取密封舱的方式减少其产生的压差阻力。通过优化列车头型发现列车气动特性得到明显的改善,其中列车头车、中间车和尾车阻力分别为原始情况下的61.4%,70.1%和58.3%。在流线型外形基础上进一步稳定列车底部区域流场也有效改善了底部区域部件气动特性。     

高速列车空气动力学特性的风洞试验研究

通过对2种头型高速列车1:8模型在8m×6m风洞开展的试验,比较了2种头型高速列车的气动特性,并进行了头车大侧风安全性的试验研究.结果表明,优化头型高速列车的气动阻力明显小于原型车的气动阻力,优化头型的3车编组列车的全车气动阻力比原型车约小3.7％;优化头型列车的纵向气动特性比原型车略差;2种头型的横向气动特性差异很小.     

空调导流罩安装角度对市域列车气动阻力的影响

空调设备作为维持轨道车辆车内乘客舒适度的重要组成部分,其外形结构对列车的气动阻力会产生影响.合理的空调导流罩安装角度可以有效降低列车气动阻力.利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法研究空调导流罩安装角度对160 km/h市域列车气动阻力的影响.研究结果表明:空调导流罩安装角度越小,整车气动阻力越小,相对于无导流罩(90°)工况,导流罩安装角度为15°时,整车减阻达10％.头车流线型气动阻力系数随导流罩角度变化不大,除尾车流线型部分外,其他车辆气动阻力系数随着导流罩安装角度的增大而增大,尾车流线型气动阻力系数随导流罩安装角度的增大而降低.导流罩气动阻力随安装角度的增大而增大,不包含导流罩部分的空调气动阻力随导流罩安装角度的增大而降低.     

高速磁浮列车车体承载结构优化设计研究

高度轻量化设计是具有三明治复合板结构特征的高速磁浮列车技术关键之一。本文首先通过对多种三明治复合板建模方法的分析比较,探讨了适合于三明治板大型结构有限元分析的既有工程精度又较为经济的建模方法;然后,运用优化技术对三明治复合板高速磁浮车体承载结构,建立了以车体结构轻量化为目标函数,以板厚为设计变量,以应力、挠度和一阶弯曲自振频率为约束条件的优化设计模型,并进行结构优化分析研究,获得了高速磁浮车体承载结构的轻量化优化设计方案。     

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%。     

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。     

国产磁浮列车外形气动性能分析

基于上海TR08磁浮列车的头部外形,设计了4种国产流线型磁浮列车头部外形。采用大型流场计算软件CFX对5种不同头部外形列车的空气阻力、升力进行计算,并对5种外形的列车交会压力波进行了数值分析。通过对不同外形磁浮列车空气动力性能的分析,提出了国产化磁浮列车气动外形的流线型头部长度取6～7 m,采用单拱,并适当提高纵剖面轮廓线高度的设计原则。     

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。     

强侧风对高速列车运行安全性影响研究

在列车空气动力学和系统动力学相结合的基础上完成了相关研究工作。论文首先在研究列车受侧向风力的气动力特性基础上,利用流体力学计算软件FLUENT进行数值计算,得到不同侧风风速和列车车速下作用于车体的侧风载荷值;接着,利用所建立的高速列车动力学模型,将得到的风载荷值作为外加载荷作用于列车,研究了侧向风速对直线运行列车运行安全性的影响特性;最后,参照高速列车运行安全性相关限定标准,提出不同侧风风速下高速列车的最高安全运行速度,为特殊风环境下我国时速200 km/h及以上动车组安全运行提供理论依据。     

基于凸包非光滑表面的高速列车减阻技术

为减少高速列车在运行中的空气阻力,提高列车运行效率、节约能耗,提出凸包非光滑表面减阻技术应用于高速列车领域.文中以CRH3型高速列车为研究对象,通过在车体的头部和尾部加设凸包来控制湍流特性,以达到减阻效果.首先利用PRO/Engineer建立非光滑表面CRH3型头车+中间车+尾车的简化模型,将模型导入ICEM CFD软...