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。     

基于大涡模拟的高速列车横风运行安全性研究

结合高速列车空气动力学和多体系统动力学,研究横风对高速列车运行安全性的影响.首先采用大涡模拟计算方法,研究了不同横风风速下高速列车非定常气动载荷的时域及频域特性,列车周围流场结构及相应的非定常流场特性.然后建立高速列车多体系统动力学模型,将得到的气动力作为外加载荷作用于列车上,研究了不同横风风速下定常气动力和非定常气动力对直线上高速列车运行安全性的影响特性,计算结果表明,与定常气动力相比,作用于车身上的非定常气动力使列车的振动加剧.最后参照高速列车的安全运行标准,对高速列车的安全运行进行分析,为横风下高速列车的安全运行提供参考.     

风载对高速列车蛇行运动稳定性影响

采用空气动力学和车辆动力学2种分析方法，建立考虑横风作用的高速列车空气动力学模型，分析不同风速及车速条件下列车所受的气动载荷特性变化规律；建立车辆-轨道耦合动力学模型，对高速列车在不同风速横风和轨道不平顺组合作用下头车、尾车和中间车的蛇行失稳临界速度、蛇行振动极限环幅值、蛇行振动频率、蛇行失稳特征等进行对比分析。结果表明：高速列车通过横风区段时产生的气动载荷对其蛇行失稳临界速度有明显影响，头车的蛇行临界速度较无风时明显下降，尾车及中间车的降幅次之；无风与风载工况下车辆的蛇行失稳形式存在本质区别，无风工况下车辆易发生二次蛇行，风载作用下车辆易发生一次蛇行；风载作用下，车辆发生蛇行失稳的最不利工况为较大的等效气动横向力和较大的气动升力共同作用的组合工况；风载和轨道不平顺的持续时间对车辆蛇行运动极限环振动幅值会产生影响，因此在评估高速列车在大风工况下的运行安全性时，有必要考虑实际的风载和轨道不平顺激励的大小和持续时间。     

风沙环境下不同线路类型对高速列车气动特性影响研究

西部风沙地区强风沙流对高速列车运行带来巨大安全隐患。高速列车的行驶线路一般分为平直地面、路堤及高架桥等,不同线路类型对高速列车气动特性的影响差异明显,尤其在强横风下,列车运行的流场特性更加复杂。为研究风沙环境下不同线路类型对高速列车横风气动特性的影响,采用数值模拟方法对列车运行速度250 km/h,横风风速分别为10,20,30,40,50 m/s,线路结构分别为平直地面、5 m路堤及10 m高架桥等不同工况下的列车气动性能进行仿真对比分析。计算结果表明：风沙环境下列车迎风侧正压区域及背风侧负压区域相比无沙环境均增大,其中,头车在平地工况下压力增幅最大,路堤及高架桥工况较小;风沙流中沙粒增加了列车的阻力,随着横风风速增大,头车阻力系数减小,尾车阻力系数增大,中间车阻力系数基本不变,列车侧向力系数均增大;在同一横风风速下,不同类型线路对头车的阻力系数和侧向力系数影响最大,其中,在路堤工况下列车稳定性较差,更容易发生侧翻危险。     

横风作用下高速列车安全运行速度限值的研究

横风作用下的列车安全运行速度限值应通过列车气动特性和车辆轨道动力学特性的分析得到。以我国CRH3型高速列车实车为原型,考虑真实受电弓、转向架等列车的细部特征,假定列车在平地上行驶,对列车速度分别为200、250、300、350和380km/h,横风速度分别为10、15、20、25和30m/s,风向角为90°的25个工况进行气动特性的数值模拟,并采用国内实测轨道谱和德国轨道谱分别对这25个工况的车辆轨道动力学性能进行仿真计算和对比分析。结合国家标准和技术规范,给出CRH3型列车在平地上运行时,横风风速与列车最大安全运行速度之间的对应关系,为横风作用下的列车运行安全控制提供参考。     

高速列车受电弓非定常气动特性研究

受电弓系统的受流特性对高速列车的安全运行至关重要,受电弓的非定常气动特性严重影响受电弓系统的受流状态.本文采用脱体涡模拟(DES),对高速列车受电弓的非定常气动特性进行深入研究.研究表明:受电弓脱体涡的强度、脱落频率对受电弓气动升力系数影响很大.无横风条件下,受电弓受到的升力为负升力,列车运行速度为350 km/h时,其升力的波动幅度达110％,速度增加,其波动幅度增大,频率增大,受电弓的横向受力很小;横风条件下,受电弓的升力振动频率与无横风时有很大不同,升力系数变比不大,侧向力随横风速度的增大而增大.研究结果为高速受电弓的优化设计提供了依据.     

平地横风环境动车组非定常气动特性的试验研究

在定常横风环境影响下,动车组在平地工况运行的稳定性、舒适性及安全性将会恶化。为了揭示其恶化的机理,开展动车组在平地工况伴随定常横风下运行的风洞试验,得到列车表面压力随时间变化的曲线后,再对列车受到的非定常气动载荷时域特性和频域特性进行分析。风洞测试结果表明：在相同风速和同一风向角下,平地动车组车体表面迎风侧1～8号测点和背风侧9～16号测点,其同侧各测点压力平均值在一定范围内波动,总体相差不大。当风向角为90°时,测点压力的幅值和最值随风速的增大而增大,其平均值与风洞来流风速的二次方成正比,即非定常气动压力振动剧烈,波动幅度明显增大。当合成风风速为60 m/s时,测点气动压力的平均值、最小值和最大值随风向角增大呈现先增大后减小的趋势,呈现正弦函数变化规律;当风向角增加到75°时,出现拐点,即最值点;车体表面两侧测点的幅值随风速的增大而增大,即非定常气动压力振动剧烈,振动幅度明显增大。而横风风速和风向角对非定常气动载荷的主振动频率带的影响不大;车体中部两侧测点的频率峰值均集中在0～18 Hz范围内,主振动频率均集中在0～4 Hz区间内,还明显存在频率为4～6 Hz,6～8 Hz和10～1...     

横风条件下跨座式单轨车辆曲线通过稳定性研究

研究了不同横风风速下,列车在通过曲线道路时空气动力性能并进行仿真分析。根据计算得到的数据,分析了不同横风速度时相应的车体纵、横向气动力变化和列车的倾覆系数。参照有关高速列车曲线通过稳定性评定标准,给出了9级横风风速下单轨列车安全运行的速度限值,为今后单轨列车在横风作用下的运行安全性提供一定的依据。     

横风定常空气动力作用下的铁道列车曲线行驶安全性分析

应用计算流体动力学仿真获得了高速列车在3种典型横风环境下车体所受定常气动力,然后运用车辆多体动力学分析软件,对高速列车在通过曲线过程中所受横风下具有定常特性的气动力作用对其行驶安全性的影响进行了研究,确定了典型大风环境下处于危险状态的车轮,并通过试验设计方法,得出气动力6分力中气动升力和侧滚力矩对高速列车行驶安全性的影响最大.     

龙卷风作用下列车-桥梁系统气动特性数值研究

龙卷风是特异风灾害之一，常导致基础设施严重损毁，对其易发区高速铁路的安全运营有潜在威胁。为研究龙卷风作用下列车-桥梁系统气动特性，采用计算流体力学手段，开展车-桥系统龙卷风作用分析。首先，建立典型龙卷风发生装置数值模型，实现龙卷风流场数值模拟；其次，建立CRH2高速列车模型和典型铁路桥梁节段模型，开展横风作用下车-桥系统气动特性数值分析，并与风洞试验的结果进行对比，验证模型的合理性；最后，将车-桥模型嵌入龙卷风数值风场中，分析车-桥系统在龙卷风作用下的气动特性，研究列车在穿越龙卷风时所受侧力及倾侧力矩的变化规律。结果表明，龙卷风作用下车-桥系统气动性能呈现明显的三维特征，龙卷风涡旋气流的流线和风压分布受车-桥系统影响显著；龙卷风内部形成了负压场，在车-桥系统的影响下，内部负压区向外扩大，压力等值线沿着车-桥轮廓外凸；列车迎风面的压强沿径向增大，最小负压存在于迎风面和顶部转角处；列车在涡核附近区域受到侧力和倾侧力矩达到峰值，列车所受侧力作用最不利位置为迎风侧，所受倾侧力矩最不利位置为背风侧。     

列车交会压力波三维数值的计算

采用求解三维可压缩非定常N-S方程的方法，对列车交会问题进行数值模拟计算，该方法可以用于解决两会列车外形及运行速度完全不相同的流场数值计算情况，采用分区计算的方法解决同一流场区域内包含两相对运行列车的问题；用不断进行数据交换的方法解决列车与列车，列车与流场之间的相对运动问题；采用CAD技术生成网格，同类情况下计算结果与试验结果比较相差小于10%。     

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。     

列车空气制动系统仿真的有效性

根据气体流动理论建立货运列车空气制动系统模型,概述管路内气体流动方程、制动系统中用到的各种边界方程和容器内气体压力的计算方法。利用基于气体流动理论开发的列车制动仿真系统,计算长、短编组列车的常用制动、缓解和紧急制动特性,并与试验结果进行对比。结果表明,计算得到的列车管、制动缸、副风缸、加缓风缸等的空气压力随时间的变化与试验结果非常接近,说明基于气体流动理论的空气制动仿真系统能够很好地模拟制动系统中气体流动和阀内动作过程。该仿真系统可以模拟最多4台机车组成的组合列车,不仅能仿真制动系统动态压力变化过程,而且其计算结果可以用于制动距离的计算,并通过数据传送实现列车纵向动力学分析程序的无缝连接。     

非定常气动荷载对桥上列车行驶安全舒适性影响分析

为了研究非定常气动力荷载对桥上列车行车安全性和舒适性的影响,结合有限元软件ANSYS和多体动力学软件SIMPACK,建立列车-轨道-桥梁三维多体系统模型,计算风-列车-桥梁耦合系统的动力响应;对比分析定常与非定常气动力荷载作用下桥上列车的行驶安全与舒适性,研究非定常气动力荷载作用下不同横向风速对列车行驶安全的影响。研究结果表明:列车行驶速度为200~300km/h,无风荷载情况下,各安全性与舒适性指标值均满足要求且均小于风荷载作用。横风作用下平均风速为20 m/s,考虑非定常气动力荷载的影响不仅会使列车行驶安全评估结果更安全,还会使列车舒适性评估结果偏于保守。平均风速不超过20 m/s,车速控制在250 km/h,桥上列车行车安全、舒适性均满足要求,且平稳性等级可达到"良好"以上。通过对不同横向风速下桥上列车行驶安全分析,给出桥上列车安全行驶的阈值,为列车的安全运营提供依据。     

无竖井单线隧道活塞风影响因素分析

采用非恒定流活塞风计算理论,按列车行驶在单线无竖井隧道中的不同位置,分四种情况(列车部分进入隧道,列车全部进入隧道,列车部分驶出隧道,列车全部驶出隧道后活塞风的衰减过程)建立了简化的活塞风分析数学模型.在此基础上,通过MATLAB软件进行数值求解,得到列车经过某区间隧道时的活塞风速度变化情况.分析了列车运行速度、列车长度、列车对隧道的阻塞比以及区间隧道长度对活塞风的影响.本方法可以作为列车以不同速度行驶在各种单线、无竖井隧道内活塞风速度的试用计算工具.     

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。     

考虑列车运行工况的钢轨电位硬件动态模拟平台

为解决钢轨电位和杂散电流治理措施开展但现场验证难度大的问题,钢轨电位硬件动态模拟平台近年来 获得广泛关注。但现有硬件动态模拟平台通常仅考虑走行轨纵向电阻变化,而忽略列车运行工况和走行轨-大地过 渡电阻的影响,无法准确再现钢轨电位随列车运行工况的动态规律。为此,提出一种考虑列车运行工况的钢轨电 位硬件动态模拟平台。首先通过直流牵引供电系统模型,分析列车运行工况对钢轨电位的影响,根据接触网、走 行轨及走行轨-大地过渡电阻的变化特性,研究包括低阻模块(LRM)与高阻模块(HRM)的钢轨电位硬件动态模拟平 台工作原理和数学模型,并提出考虑列车运行工况的硬件动态模拟平台控制策略。最后通过仿真和实验结果,验 证相关理论和控制策略的正确性。