大风对路堤上运行的客运列车气动性能的影响

为了提高强横风作用下客运列车运行的稳定性, 基于三维非定常方程, 采用动网格技术, 对强横风作用下的青藏线客运列车在路堤上运行情况进行了模拟, 分析车速、风速及路堤高度与气动力之间的关系, 并将计算结果与风洞实验结果进行对比。研究结果表明: 升力、侧向力和倾覆力矩实验结果与模拟结果吻合较好。在路堤高度小于20.00 m时, 气动力随路堤高度的增加而增大, 当路堤高度大于20.00 m时, 气动力随路堤高度增大而减小; 车速一定时, 随着横风速度的增大, 气动力和倾覆力矩迅速增大; 横风风速一定时, 列车运行速度从60 km·h^-1增大至120 km·h^-1, 侧向力、升力及倾覆力矩变化不大。     

横风对双层集装箱平车运行稳定性的影响

采用流场数值模拟计算方法, 计算了横风作用时的垂向气动升力系数、气动横向力系数和侧滚力矩系数, 得出各系数与车辆速度和风速之间的变化关系。从动力学角度, 根据力矩平衡原理推导了横风作用时车辆稳定性计算关系式, 根据车辆运行的实际情况得出双层集装箱平车在不同装载情况下的临界倾覆风速和风速之间的关系, 并分析了垂向气动升力、横向气动力和侧滚力矩对车辆倾覆稳定性的影响。结果显示, 横风引起的力中气动横向力占主导作用; 空车比重车的临界倾覆风速低; 重车比空车的临界运行车速低。     

大风区不同路堑结构中高速动车组的气动特性

建立长路堑路段高速动车组运行模型,通过数值模拟得到不同工况下动车组气动力,分析强横风环境下路堑结构对动车组气动特性的影响.研究表明:不同路堑结构中气动阻力均随风速和车速增大而增大,深路堑中动车组气动阻力约为浅路堑的2～2.5倍;在3 m深度的浅路堑结构中,动车组所受升力为正值,升力和横向力均随横风风速增大而增大;而在10 m深度的深路堑结构中,动车组所受升力为负值,升力随横风风速增大而增大,横向力随风速增大而减小;分析车速对气动力的影响:在浅路堑结构中,除阻力外,列车车速对其他气动力影响较小;在深路堑中,动车组气动力大小均随车速增大而增大,在相同风速条件下,当风速高于15 m/s时,车速每增大50 km/h,横向力和倾覆力矩增大约50%.     

侧风下高速列车车体与轮对的运行姿态

应用流体动力学理论, 建立了高速列车空气动力学模型, 计算了作用于高速列车车体上的气动力和气动力矩; 应用多体动力学理论, 建立了车辆系统动力学模型, 分析了在不同风向角、侧偏角与合成风速下高速列车头车车体和轮对的运行姿态。计算结果表明: 在不同侧风环境下, 头车车体始终向背风侧横摆和侧滚; 当风向角为90°时, 车体的横向位移和侧滚角最大; 当列车车速为350 km.h^-1, 侧风风速分别为13.8、32.6 m.s^-1时, 列车头车车体最大横向位移分别为74.2、171.7 mm, 最大侧滚角分别为3.1°和8.4°; 当列车车速为200 km.h^-1, 风速不小于32.6 m.s^-1, 且风向角为90°时, 列车头车一、二位轮对均向背风侧横移, 背风侧车轮易发生爬轨现象, 三、四位轮对均向迎风侧横移, 三位轮对迎风侧车轮易发生爬轨现象; 四位轮对的横移量和摇头角均小于前三位轮对, 相对安全。     

公铁平层桥梁桥塔遮风效应风洞试验研究

车辆经过桥塔区域时，由于桥塔的遮风效应，其气动荷载会产生突变，且公铁平层桥梁的桥塔由于纵向尺度较大，车辆经过桥塔区域时气动荷载的变化更加剧烈.为明确某公铁平层桥梁上车辆在桥塔区域的气动特性，制作了1/20大比例尺的风洞试验模型；基于优化后的测试系统，测试了车辆通过公铁平层宽幅桥梁桥塔时的气动荷载，研究了车道位置、车辆类型以及桥塔外形对通过桥塔车辆的气动特性的影响.结果表明：越靠近桥塔车道上的车辆，经过桥塔时的横向力系数、摇头力矩系数的突变量更大，正向升力也越大，因而更容易发生侧滑与侧偏；车长对车辆通过桥塔区域的性能有显著影响，长度较小的车辆具有更大的横向力系数突变量，长度较长的车辆具有更大的倾覆力矩系数、摇头力矩系数及点头力矩系数突变量；与矩形截面桥塔相比，带倒角的桥塔使得厢式货车的横向力突变量减小了43.7%，使集装箱车的横向力系数突变量减小了25.8%，且使集装箱车的摇头力矩系数突变量减小了29.2%.     

基于涡激振动的动车组隧道内列尾横向晃动机理

针对时速160 km动车组在单线隧道内列尾横向晃动问题,提出列尾气流涡脱效应引起车体涡激振动而导致列尾横向晃动的机理,研究了车辆悬挂参数改进等相关抑制措施;根据某动力车结构参数,建立车辆横向动力学模型,结合半经验非线性涡激振子模型,实现涡激振动时车辆流固耦合横向动力学计算。计算结果表明：单线隧道内动车组列尾较大的横向涡激力以及涡激频率与车体蛇行频率共振是引起晃车的主要原因;减小横向涡激力、提高车辆蛇行运动稳定性是减小晃车幅值的有效措施;针对该动力车,需避免较低等效锥度的轮轨接触,以防车辆一次蛇行导致涡激振动加剧;当转向架抗蛇行减振器阻尼由800 kN·s·m^-1减小到400 kN·s·m^-1,涡激共振时车体后端横向振动加速度幅值减小40%;车辆二系横向悬挂采用天棚阻尼半主动控制时,可以有效减小涡激共振区车体横向振动幅值,并能兼顾车体前后端横向平稳性。     

横风中高速列车以及桥梁的气动特性研究

运用通用的流体动力学软件FLUENT,利用二维定常不可压缩Navier-Stokes方程、SST湍流模型,采用有限体积法分析计算了车辆断面、32 m箱型简支梁桥断面以及两者组合体在15 m/s横风作用下受到的阻力、升力和倾覆力矩系数。数值分析结果表明,在横向风的作用下,发现车辆在简支梁桥上时,车辆受到的升力系数大于车辆单体的情况,倾覆力距系数明显小于车辆单体情况,而此时简支梁桥的升力系数明显小于简支梁桥单体情况。     

基于二系垂向作动器与压电作动器的动车组车体振动控制

为了减小高速动车组车体刚性与弹性振动, 提出了一种基于二系垂向作动器与车体压电作动器的高速动车组车体振动主动控制方法; 基于某型高速动车组, 设计了一种在车辆二系安装垂向作动器, 在车体底架布置压电作动器, 运用H_∞鲁棒最优控制器进行车辆协调控制的主动减振方法; 建立了基于车辆动力学参数的刚柔耦合减振力学模型, 采用H₂及H_∞准则优化压电作动器与压电传感器布置位置, 运用鲁棒最优控制方法设计了H_∞反馈控制器; 利用MATLAB仿真了减振装置与主动控制方法对车辆动力学性能的影响, 比较了被动悬挂车辆、仅安装二系垂向作动器车辆与采用主动控制车辆的动力学性能差异。研究结果表明: 压电作动器与压电传感器布置在距车体左端距离为7.15、12.25、17.35m处车体一阶及二阶弹性模态归一化H₂及H_∞范数最大, 可以作为压电作动器与传感器的布置位置; 基于二系垂向作动器与车体压电作动器的鲁棒最优控制方法能够有效地抑制车体的振动, 一阶垂弯振动频率处车体中部和转向架上方的加速度功率谱分别减小为被动悬挂车辆的5%、10%;速度越大, 振动加速度抑制效果越明显, 当车辆的运行速度为200km·h^-1时, 车体振动加速度均方根减小10%, 当车辆的运行速度为350km·h^-1时, 车体振动加速度均方根减小18%;相对于被动悬挂, 二系垂向作动器输出力功率谱在车体浮沉与点头振动频率处的量级为10⁶ N²·Hz^-1, 对车体刚性振动有较大抑制作用, 压电作动器电压功率谱在车体一阶垂弯振动频率处达到峰值4 000V²·Hz^-1, 对车体弹性振动有较大抑制作用。     

横风下高速列车曲线通过的安全性

为研究高速列车在强横风作用下通过曲线桥梁的安全性问题,基于空气动力学和多体系统动力学理论,建立了高速列车空气动力学模型和车辆系统动力学模型.应用所建立的模型计算了不同风速、不同车速、不同线路条件下作用于车体上的气动载荷,并且以脱轨系数、轮重减载率、倾覆系数、轮轴横向力和轮轨垂向力为运行安全性指标,分析了高速列车通过曲线桥梁的运行安全性.研究表明:横风下高速列车通过曲线桥梁时,列车的安全性受气动力和曲线超高双重影响.在低风速、低车速时,曲线超高对于列车安全性的影响起主要作用;随着风速变大,气动力对于列车安全性的影响远大于曲线过超高对于列车安全性的影响.在各工况中,当风从曲线桥梁的内侧吹向外侧,并且高速列车运行在曲线桥梁的迎风侧时,高速列车的最大安全风速最小,因此,在校核横风下高速列车过曲线桥梁安全性时,可以直接选用该工况来校核列车的安全性.     

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．     

强侧风对受电弓的气动作用规律

建立了弓-车-网组合模型,基于压力修正法的N-S方程,采用分离式求解SIMPLE算法,对强侧风条件下的受电弓气动特性进行了数值模拟.分析了受电弓的气动荷载在不同侧风速度,不同风向角下的变化规律及强侧风对受电弓绕流流场的影响.结果表明：随侧风速度及角度的增大,受电弓的气动力及力矩呈非线性变化;受电弓流场区域内产生大量漩涡及低速尾流区,接触网及车体对受电弓流场有明显影响.研究结果可为提高受电弓在侧风作用下的稳定性和安全性提供一定的理论依据.     

横风对高速动车曲线通过性能的影响

通过横风对电动车组气动特性影响的试验研究，得到了高速动车受横风作用时所受的气动升力、侧力和侧翻力矩，并利用动力学分析软件SIMPACK分析高速动车在横风工况下的曲线通过性能．分析结果表明，侧向风力引起的车轮减载是影响动车安全运行的重要因素．在所研究的工况下，动车在常值侧风下通过曲线的速度不应超过220km／h，在阵风下以100km／h的速度通过曲线仍然不能满足安全指标．     

横风下复线路堤高度对高速列车气动性能的影响

利用Creo软件建立了某型动车组头中尾3车编组和不同高度的路堤模型,通过Fluent软件模拟列车在车速分别为300和350 km·h^-1,横风风速分别为17.10、20.70、24.40和28.40 m·s^-1的环境下运行,将获取的高速列车气动力载荷施加到Simpack建立的动力学模型中,计算其动力学性能参数;深入分析了横风工况下高速列车在不同高度复线路堤背风侧运行时车体的压力分布、气流场结构、气动力与风致安全性,并重点探究了头车在不同运行速度和横风风速下的运行安全性。分析结果表明：在相同车速和横风环境下,随着路堤高度的增加,列车受到的侧向力整体呈增大趋势,尾车在横风作用下受到反向侧向力,头车所受侧向力最大,且升力持续增大,中间车所受升力相对较大,尾车所受阻力最大;横风环境下列车压力峰值点位于头车鼻尖处且向迎风侧偏移,各路堤高度工况下气流场结构基本相同,头车背风侧和底部转向架处有明显的涡流,但尾车处的涡流却在迎风侧,这可能是导致尾车反向侧向力的主因;脱轨系数、轮轴横向力、轮轨垂向力和轮重减载率均随路堤高度和横风风速的增大而增大,轮轨垂向力始终在安全限值内,当横风风速分别为24.40和28.40 m·s^-1时,列车运行速度应分别低于350和300 km·h^-1,以保证列车行车安全。     

竹巴龙金沙江大桥水毁破坏机理

为了研究竹巴龙金沙江大桥的破坏机理,基于泄洪实测数据,并考虑T梁底部横隔板腔室中裹挟空气的影响,建立了该桥1:20缩尺数值仿真模型,对洪水作用下简支T梁桥上部结构洪水作用力特征、流场特征和破坏机理开展了深入研究.?研究结果表明:当淹没率不超过1.342时,水平力系数随淹没率的增大而增大,当淹没率大于1.342时,水平力...     

公路独柱墩桥梁抗倾覆研究综述

为了促进公路独柱墩桥梁的可持续发展,总结了国内外典型桥梁倾覆事故,并从桥梁倾覆破坏机理、倾覆稳定性影响因素和抗倾覆控制方法3个方面系统梳理了公路独柱墩桥梁在抗倾覆领域的研究现状,强调了超载对桥梁结构安全威胁的严重性、倾覆问题复杂性及紧迫性。研究结果表明:桥梁倾覆事故多由超载车辆偏载行驶诱发,这些独柱墩桥梁存在“强弯弱倾”现象;汽车荷载对桥梁的弯矩、剪力和扭矩效应影响不同,亟须建立一套适用于桥梁抗倾覆分析的重型汽车荷载计算标准;不同桥梁发生倾覆破坏的模式及相应的荷载最不利状态各不相同,明确桥梁不同破坏模式下的倾覆轴力学模型对倾覆最不利状态演化至关重要,尚需在倾覆轴力学模型和倾覆最不利状态领域开展更为深入的研究工作;温度、预应力、收缩徐变和基础变位因素耦合作用下的桥梁倾覆机理仍不清晰;采用反力最不利状态描述桥梁的倾覆极限状态,割裂了倾覆效应与扭矩特性的力学联系;建议以可靠度理论为基础,结合倾覆破坏模式及合理倾覆轴力学模型来完善抗倾覆控制计算方法,进一步降低公路独柱墩桥梁安全运营风险;在保持一定抗倾覆安全冗余度和注重桥梁监控与维护的前提下,加强治超限载管理是防止该类事故发生的根本途径。      

编队飞行中基于危险区域的后机最优位置研究

编队飞行是实现民航绿色发展的重要措施之一。在前机尾涡危险区域分析的基础上，科学确定后机最优位置是编队飞行的关键。首先，以随机两阶段尾涡消散模型为基础，利用Hallock-Burnham涡模型和诱导滚转力矩系数模型分析后机诱导滚转力矩系数的演变规律。然后，基于设定的安全阈值，给出前机尾涡危险区域，并考虑飞行高度、速度和风对危险区域的影响。最后，基于后机不同位置处的燃油流量减少率，得出编队飞行中后机最优位置。研究结果表明：后机诱导滚转力矩系数随着前、后机之间横向距离的增加，呈先增后减再增的趋势；随纵向距离的增加，呈先缓慢减小后快速减小的趋势；高度越高、速度越小，诱导滚转力矩系数的峰值越高。飞行高度越高、速度越小，前机初始尾涡的危险区域越大；随着纵向距离的增加，危险区域不断减小，并随涡核的下沉不断下降。侧风使危险区域发生偏离，侧风越大，偏离程度越大。顺风会增加危险区域的纵向距离，顶风则与之相反。两架B737-800飞机在12000 m高度以0.78马赫数进行编队飞行时，前、后机纵向距离3000m处，无风情况下后机最优位置为横向距离30 m 或-30 m、垂直距离29 m，此时燃油流量减少率为7.01%。相较于无风，左侧风20 m·s -1 下，燃油流量减少率和垂直距离不变，横向距离增加；顺风20 m·s -1 下，燃油流量减少率增加，横向距离不变，垂直距离减少；顶风20 m·s -1 下，燃油流量减少率减小，横向距离不变，垂直距离增加。     

高速列车气动性能低温风洞试验

采用低温风洞试验对比了中国高速列车HST、法国高速列车TGV和德国高速列车ICE3的气动性能; 基于EN 14067和TSI标准在铝质材料模型上测试了不同侧偏角下列车阻力、升力和倾覆力矩; 利用粒子图像测速技术测量了列车周围流场, 得到了高速列车与空气的相互作用机理和气动现象; 采用计算流体力学方法模拟了高速列车实际运行情况, 并与低温风洞试验流场测试结果进行了对比。研究结果表明: 0°~10°侧偏角下列车阻力系数绝对值从大到小依次为HST、ICE3、TGV, 侧偏角为0°时, 3种列车的阻力系数分别为0.223、0.166、0.140;0°~5°侧偏角下列车升力系数绝对值从大到小依次为TGV、ICE3、HST, 且数值均接近0, 其中ICE3、HST为正升力, 列车受压向轨面力, TGV为负升力, 列车受上浮力; 0°~5°侧偏角下列车倾覆力矩系数绝对值从大到小依次为TGV、HST、ICE3, 侧偏角为0°时, 3种列车倾覆力矩系数分别为0.021、0.019、0.011;HST高速列车由于头部双层造型设计, 在头部曲面过渡处出现流动分离, 增大了列车摩擦阻力和压差阻力, 导致列车阻力系数比TGV和ICE3偏大一些, 但阻力系数在高速列车头型设计技术要求限值0.25之内, 且升力和倾覆力矩性能较好, 列车具有良好的稳定性, 满足高速列车头型气动设计的工程需求。