双层桁架桥上列车气动特性风洞试验研究

为研究双层桁架桥上列车位于主梁断面上、下层的气动特性,通过节段模型风洞试验对双层桁架主梁断面上列车进行测力、测压。以某大跨度公铁两用悬索桥和CRH2列车为背景,研究双层桁架主梁断面上列车在迎、背风侧时,列车位于上、下层时的三分力系数、平均风压系数以及脉动风压系数,并且分析风攻角对上、下层列车气动特性的影响。研究结果表明：1)上层列车的阻力系数要显著小于下层列车,当列车位于迎风侧时,下层列车的阻力系数可达到上层列车阻力系数的1.6倍,上、下层列车的力矩系数大小基本相同,但是上层列车的升力系数大于下层列车;上、下层列车的阻力系数随风攻角的增加逐渐减小并且两者的差值也逐渐减小。2)上层列车的迎风面、背风面的压差明显小于下层列车的情况,使得上层列车的总体阻力小于下层列车,并且上层列车的顶面、底面的压差要大于下层列车的情况,使得上层列车的总体升力大于下层列车;上层列车迎风面的平均风压随风攻角的增加而减小,下层列车则无明显变化。3)上层列车圆弧过渡段顶部和底部脉动风压系数小于下层列车,并且随着风攻角的增加,下层列车脉动风压系数减小,而上层列车无明显变化,风攻角对上层列车风压系数的脉动性影响较小。研...     

气动压力作用下高速列车玻璃承载特性研究

高速行驶的列车会在其周围诱发明显的气动效应,并对列车玻璃造成不利影响。以CRH3型列车客室车窗玻璃为分析对象,基于国内外目前几种典型夹层玻璃等效厚度计算方法,分析了载荷作用时间对夹层玻璃胶片剪切模量及其等效厚度的影响。根据中空玻璃中空层气压变化传递载荷原理及两面玻璃协同变形特征,推导了气动压力作用下中空玻璃的最大拉应力计算公式。设计了循环气动压力加载试验,并进行了高速列车玻璃动应力测试。结果表明,夹层玻璃PVB胶片的剪切模量随作用时间的减小,其剪切模量增大,同条件下,计算出来的夹层玻璃等效厚度也变大。为了获得高速列车玻璃承载性能精确的计算结果,需确定真实气动压力作用时间下PVB胶片对应的剪切模量。基于prEN13474给出的夹层玻璃等效厚度计算公式,选择与实测相同作用时间(0.12 s)及温度(25℃)计算条件,得到被测高速列车玻璃承载面和非承载面的最大拉应力与实测值偏差分别为3.29%和-12.6%,较好地满足了工程精度要求。研究成果可为高速列车玻璃气动压力承载设计计算及结构优化提供依据。     

横向风与列车风联合作用下车桥系统绕流分析

采用3维定常不可压缩雷诺平均N-S方程,结合RNGk-ε湍流模型,利用多重参考系法,对横向风作用下ICE高速列车在日本屋代南桥上运行的绕流进行分析。结果表明:列车风对流场的影响主要表现在对列车表面附近、桥面、挡风墙间的局部流场的影响;列车运行时对头部、尾部附近的空气有排挤、拖曳作用;列车尾部靠迎风侧有一个很强的旋涡;列车风对列车中部附近流场的影响很小,对列车的阻力、横向力、升力、摇头力矩影响较大;列车风的作用使整个列车产生一种向上提升和沿横风向摇头的作用,列车风对列车附近区域桥梁的气动力有明显影响。     

新疆风区列车气动性能试验分析

针对新疆地区铁路大风环境下列车运行安全面临的实际问题,进行列车及防风设施空气动力学综合试验。试验积累的宝贵试验数据,为修改和完善《大风天气列车安全运行办法》,为实现在保障列车运行安全基础上的运输效能最大化提供科学依据。     

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。     

风环境下的列车空气阻力特性研究

采用风洞试验方法研究大风环境下列车(由头车、中间车和尾车组成)空气阻力特性,得到风速、风向、列车速度与列车空气阻力之间的关系式.研究结果表明:顺风使列车空气阻力骤降,相当于大风对列车产生非常大的助推力;逆风使列车空气阻力增加,相当于大风对列车产生附加空气阻力.列车空气阻力随小角度风向角的增加而迅速增大,此时,头车空气阻力系数与风向角或风车速比均呈二次方关系增加,而中间车和尾车的空气阻力系数与风向角或风车速比均呈三次方关系增加;当风向角达到一定值时,列车运行速度、风速、风向耦合作用使列车空气阻力达到最大值,此后,列车空气阻力不仅不再随风向角的增加而增大,还有可能随其增加而降低.     

高速列车风对附近人体的气动作用影响

采用计算流体力学的数值方法和移动网格模拟计算方法,研究3种车头形状、从200 km.h-1到350 km.h-1的4种车速、从1.0 m到3.5 m的5种人车距离条件下列车风对人体气动作用力和人体附近列车风速度大小的影响,提出列车风对人体最大水平作用力计算关系式和人体附近最大列车风速计算关系式、以及高速列车附近人体安全距离的建议值。计算结果表明:列车风对附近人体产生的作用力因车头(尾)形状不同而差别很大,车头形状越钝,列车风对附近人体产生的作用力越大,完全钝型与充分流线型车头相比,在车速350km.h-1、人车距离1 m时列车风产生的作用力可相差7倍以上;不同车头形状产生的列车风对附近人体的作用力,其差别随人车距离的增大而减小,大致呈二次方函数规律变化;不同条件下车头(尾)通过时列车风对附近人体的水平作用力方向的变化趋势基本相同,作用力方向角变化约300°。     

高速列车气动噪声源特性研究

本文建立包括头车、尾车、中间车、受电弓、6个转向架在内的CRH3高速列车整车三维绕流流动的物理数学模型,用Fluent软件内大涡模型数值计算外部瞬态流场,得到时域Lighthill声源项,对时域声源项进行傅利叶变换得到频域声源项,用有限元-无限元法计算高速列车车头及转向架、受电弓、车尾及转向架附近的气动噪声,得到高速列车主要气动噪声源的声压分布及特点。计算结果表明:受电弓弓头部附近气动噪声最大,而且具有更多高频噪声,300km/h速度运行时其总声压级为156.3dB,受电弓底座也具有很高的声压级,并且具有较多的低频噪声;在车头及第一个转向架附近,转向架区域噪声明显高于车头鼻尖处,其总声压级分别为135.3dB和129.7dB;在车尾及最后一个转向架附近,车尾部噪声大于转向架区域噪声;总气动噪声声压级按受电弓滑板、受电弓底座、车尾部、第一个转向架、车头部逐次降低。通过与现有文献的对比分析,证明了本文计算结果的正确性。     

侧风风场特征对高速列车气动性能作用的研究

侧风风场特征,如均匀风和大气底层边界速度型对高速列车在侧风环境下运行的安全性评估有直接影响.为了准确地评估侧风对在平原上运行的高速列车的影响,基于三维定常可压缩流动的NS方程,采用SSTk-ω两方程湍流模型和有限体积法,对时速350 km的动车组在均匀风和大气底层边界速度型风场中的流场和气动力特性分别进行了数值模拟计算和分析.结果表明:对在平原上运行的高速列车而言,作用于列车的气动升力、侧向力及倾覆力矩均随侧风风向角的增大而迅速增大;当风场为大气底层边界速度型时,列车顶部与底部及两个侧面的压力差小于风场为均匀风时的压力差,侧向力及倾覆力矩均小于风场为均匀风时的力及力矩,升力则随侧风风向角的增加具有不确定性.采用均匀风场评估高速列车在平原侧风环境中运行的安全性,会高估侧风对列车运行安全影响的风险,使得过低地限制列车的安全行驶速度,从而影响列车的正常运行效率.建议采用大气底层边界速度型风场进行评估.     

高速列车脉动风作用下车站人行天桥动力性能试验研究

我国高速铁路车站内人行天桥跨越股道连接各站台,当动车组高速通过正线时,列车周围将产生较大的气动力,会对跨越正线上方的人行天桥产生瞬间的推力和吸力,引起天桥结构横向、竖向振动,从而影响旅客通过天桥的舒适性和安全感。本文对国内外人行天桥振动标准进行归纳,分析京沈高速铁路阜新站内跨线人行天桥的自振特性和动车组通过时人行天桥的动力性能,研究人行天桥在脉动风激励作用下的振动特点、振动水平和振动分布规律,为我国高速铁路人行天桥振动舒适度限值的制订提供技术支持。研究结果表明:高速铁路人行天桥竖向振动加速度参考限值为1. 0 m/s2,横向振动加速度参考限值为0. 3 m/s2;列车行车速度大于300 km/h时,天桥跨中桥面中心区域竖向加速度超过参考限值。建议列车速度大于300 km/h时通过增大高速铁路跨线人行天桥竖向刚度、阻尼等方法减小其竖向振动,并采取优化天桥外形、增大天桥高度等方法减小脉动风的影响。     

列车气动试验数据的知识化研究

采用基于专家库逻辑推理的试验数据知识提取方法来发现和挖掘试验数据。构建基于规则表示的特征关联专家库,建立列车气动试验数据知识化提取系统模型,采用面向对象的程序设计思想初步实现了这一系统,在试验数据处理的实践中逐步实现"试验数据可视化 知识提取 试验报告"的信息智能反馈。     

风沙环境下高速列车气动特性分析

基于SST k-ω湍流模型和Euler-Lagrange离散相模型,建立了风沙环境下高速列车空气动力学计算模型,研究了不同沙粒浓度、不同风速及不同车速条件下的列车空气动力学性能。计算结果表明：风沙环境下,列车头车迎风侧主要受正压力影响,背风侧主要受负压力影响,最大正压力区域由鼻尖逐渐向迎风侧偏移;由于横风的影响,随着沙粒浓度的增强,头车迎风侧沙粒质量浓度增大,背风侧沙粒质量浓度变化较小;对于固定的车速和风速,头车气动力系数随沙粒浓度的增强而增大,且与沙粒浓度近似呈线性关系;沙粒浓度固定时,头车气动力系数随风速的增大而增大,随着车速的提升,头车气动力系数反而下降;风沙环境下,头车侧力系数、头车侧滚力矩系数可近似拟合为沙粒浓度、侧偏角及合成风速的二次多项式;头车升力系数可近似拟合为沙粒浓度、侧偏角及合成风速的三次多项式。     

大风环境下高速列车加速运行气动特性研究

基于三维非定常不可压雷诺时均N-S方程和Realizable k-ε湍流模型,采用滑移网格对大风环境下高速列车从静止匀加速到200km/h的非定常气动性能进行模拟。将列车匀速运行的非定常气动力系数的均方根值与风洞试验结果对比,两者规律吻合,幅值差小于10%。结果表明:在15 m/s的横风下,列车匀加速的不同时刻,头、尾车和车辆连接处压力波动明显,当列车运行速度与风速大小相等时,压力波动最大;气动力系数的变化率随车速与风速比值的增大而迅速减小;列车以不同的加速度运行时,相同车速受到的气动载荷相等,但随加速度的增加,侧向力、阻力、倾覆力矩的变化率不断增大,将导致短时间内高速列车气动载荷的变化增大。     

横向紊流风中移动车辆纵向风速谱分析

为研究横向紊流风中移动车辆纵向风速谱的相关特性,通过Taylor冻结假设,基于von Kármán谱得到了移动车辆风速谱的解析表达式,分析了15°～175°风偏角、风速与车速比值等因素对移动车辆风速谱的影响,深入探讨移动点风速谱峰值及其对应频率之间的关系。结果表明:移动点风速谱峰值比静止点风速谱峰值大;当车速小于风速时随着风偏角逐渐增大移动点风速谱峰值先减小后逐渐增大,当车速大于风速时移动点风速谱峰值则是先减小后增大又逐渐减小;当车速小于等于风速时,部分风偏角时的移动点风速谱峰值对应的频率小于静止点风速谱峰值对应的频率;随着车速与风速比和风偏角的增大,移动点风速谱峰值对应的频率先增大后减小。     

高速列车气动阻力分布特性研究

针对由8辆车组成的CRH3型动车组的实际外形,生成约1.6亿个计算网格,采用大规模并行计算,模拟单列高速列车在明线轨道上以350km/h速度运行时的气流流场,并对列车各组成部分的气动阻力特性进行统计和归类,给出各部件气动阻力对列车总气动阻力的贡献,为高速列车局部减阻优化设计提供参考。     

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.     

列车气动试验数据可视化方法的研究

简述列车气动试验数据可视化的必要性,介绍标量场、矢量场这两类实验数据可视化算法,着重讨论基于流线型列车外形的曲面域散乱数据场可视化方法。采用四边形网格划分算法将散乱数据场网格化,应用坐标转换法将曲面域转换为平面域进行插值计算,在计算坐标系中等距扫描插值再映射到实际坐标系中对应点,克服了在实际坐标系中等距扫描插值算法是否收敛等缺陷。据此采用面向对象的软件工程思想编制了试验数据可视化系统。用C 语言描述了程序中类的定义,给出可视化系统的应用实例。     

强侧风环境下CRH1型高速列车气动性能研究

基于三维、定常、不可压缩N-S方程及k-ε双方程湍流模型,采用数值模拟计算方法分别对高速列车CRH1在不同侧风风速、不同风向角工况下的气动性能进行模拟。研究结果表明：对于不同横风风速,车辆的横向力、升力及倾覆力矩均随着横风风速的增大而增大,但其对应的气动力系数基本保持不变;对于不同风向角,车辆的横向力、升力及倾覆力矩均随着风向角的增大而增大,风向角为75°时,气动力增长率变缓,对应的气动力系数变化与之一致。     

不同风速风向条件下的列车风特性

采用数值计算的方法,并在风洞试验验证其准确性的基础上,研究在不同横风风速和风向角条件下,列车车身周围列车风的压力分布和风速变化。结果表明:在横风条件下,近地表区域列车风的压力峰峰值和风速极值均大于较高空间处的;相对于迎风侧而言,背风侧列车风的压力峰峰值和风速极值更大;随着横风风速的增加,同一位置处列车风的压力峰峰值变化更大,不同位置处列车风的风速极值呈现逐渐上升的趋势;风向角为45°时近地表区域和较高空间处列车风的压力峰峰值达到最大,在风向角从45°增至180°的过程中,列车风的压力峰峰值呈现下降的趋势;8+8编组时,列车风随环境风场的变化和头车附近壁面的压力分布状况与2+2编组时有相近的特征。