具有地面效应的高速列车湍流绕流数值模拟研究

利用数值模拟方法，研究了考虑地面效应和不考虑地面效应的高速列车湍流绕流之间差别，并利用风洞试验进行了验证。应用改进的曲线网格系统和计算程序Ｔｒａｉｎ，对高速列车绕流流场进行了较为精确的数值模拟。从计算结果分析看出，考虑地面效应的阻力系数比未考虑地面效应的阻力系数增加１５％，使计算精度从７５％增加到８５％。     

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．     

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。     

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。     

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．     

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...     

高速列车转向架空气阻力的数值模拟

为了研究转向架的空气阻力特性, 建立了列车空气动力学模型。基于三维定常可压缩N-S方程和k^-ε两方程湍流模型, 采用有限体积法对速度为400 km.h^-1的高速列车空气动力学性能进行了数值模拟, 分析了车底结构对转向架气动力的影响。研究结果表明: 转向架区域的流场结构非常复杂, 转向架前后都会有漩涡形成; 高速列车各转向架所受气动阻力差别很大, 无侧风条件下, 头车一位端转向架阻力是第4转向架阻力的4倍以上; 转向架气动阻力占列车总阻力的20%以上, 在侧风作用下占40%以上; 不同车体底部形状使转向架阻力最大相差30%以上; 适当改进列车底部结构, 有利于减少转向架的气动阻力, 进而减小列车运行气动阻力。     

都市快轨列车圆形与矩形隧道运行气动特性数值分析

基于连续性方程Reynolds时均Navier-Stokes方程以及RNG k-ε湍动能模型方程对都市快轨列车隧道运行的空气动力流场进行数值计算.研究在以160 km/h隧道运行速度分别通过圆形和矩形隧道的工况下,从列车进入隧道直至整车完全驶出隧道的空气阻力以及车体表面压力变化情况,并对圆形及矩形隧道流场特性进行对比.计算结果表明:列车在矩形隧道和圆形隧道运行过程中的最大阻力分别达到15 458.5 N和13 829.3 N,最大表面压力分别达到4252.3 Pa和3 815.8 Pa.在两种隧道中运行的列车阻力变化规律及列车表面压力变化规律相同,矩形隧道运行时列车的最大阻力与圆形隧道相比增加了14.3％,表面最大压力增加了l3.8％.     

地面效应对汽车模型气动阻力的影响

为了获得地面效应对汽车模型气动阻力的影响, 在中国空气动力研究与发展中心Φ3.2m风洞对1∶3的MIRA汽车模型进行了风洞试验, 采用移动带作为统一的研究平台, 研究了地面静止与运动, 车轮静止与旋转, 以及车身不同离地间隙对气动阻力的影响; 模拟了横摆角为0°的无侧风工况, 固定试验风速为25m·s^-1, 变雷诺数试验风速为15~26 m·s^-1; 仅对汽车模型进行气动力测量, 主要关注气动阻力, 试验结果以量纲为1的气动阻力系数表示。分析结果表明: 当静止地面边界层厚度与车身底面离地间隙之比不大于0.32, 且车轮下表面与车身底面离地间隙之比(定义为量纲为1的离地间隙) 不大于0.37时, 静止地面比运动地面的气动阻力略小, 差异小于1.1%, 因此, 可以忽略地面状态对气动阻力的影响; 车轮静止比车轮旋转下的气动阻力略小, 差异小于2.1%, 因此, 在工程应用中, 当不能模拟车轮旋转时, 应考虑修正(增加) 气动阻力, 但修正量不宜大于2.1%;随着车轮下表面离地间隙的增加, 气动阻力总体呈现逐渐减小的趋势, 且在量纲为1的离地间隙为0.069~0.370时, 气动阻力差异小于2.0%, 因此, 在采用移动带开展汽车模型风洞试验时, 在确保车轮不与移动带带面接触的情况下, 车轮下表面到带面间隙应尽可能小。     

计算区域尺寸对列车绕流数值模拟的影响

对于列车绕流数值模拟而言,其计算区域越大,边界条件对计算结果的影响越小,但过大的计算区域会导致计算工作量和计算时间的增加,因此,计算区域尺寸的选取是列车绕流数值模拟的关键之一。通过建立12种不同尺寸的计算区域模型,结合数值模拟方法,研究其对列车压力分布特征及气动性能的影响。研究结果表明:数值计算仿真得到的气动力系数与风洞试验得到的气动力系数的误差4%;当计算区域上游高度≥8倍特征高度时,头车鼻尖驻点压力系数基本稳定在1.0左右。通过对比不同大小计算区域的计算结果可知,流线型高速列车绕流数值仿真的推荐采用最小计算区域尺寸为:高度方向为12倍特征高度,宽度方向为24倍特征高度,长度方向上游为12倍特征高度,下游方向为24倍特征高度。     

高速列车波浪形受电弓弓头的气动特性数值研究

以高速列车受电弓弓头为研究对象,应用Fluent软件对弓头气动特性进行数值模拟,对受电弓弓头结构进行优化,提出了下表面波浪形新型弓头结构,探究弓头下表面结构对气动特性的影响。首先,以方柱绕流为研究对象进行湍流模型验证,结果表明使用Transition SST湍流模型对弓头二维模型进行数值仿真是可行的。其次,以CX-NG型受电弓为基础建立了传统方形弓头模型,对其进行模拟计算。最后,对受电弓弓头进行下表面结构改形设计,将下半部分外形优化为凹、凸波浪形。在不同速度下,建立弓头周围流场的速度与压力云图,将凹、凸形弓头与传统方形弓头进行气动特性对比,分析不同外形结构对流场的影响。对比分析发现,使用凸形受电弓弓头能够达到较好的减阻效果。在3种列车运行速度下,阻力系数C_d分别减少了10.26%、11.23%、12.69%。     

动车组明线运行空气动力学数值仿真

通过采用不可压缩粘性流体的N-S方程和K-ε双方程湍流模型,建立了带有车轮的200 km/h动车组模型,对其明线运行的外流场进行了空气动力学仿真.并对列车壁面附面层网格进行了细分,得出压力、速度的分布规律,针对网格划分对计算结果的影响进行了探讨.得出如下结论：列车的阻力系数为0.436,升力系数为0.014;此型200 km/h动车组车尾的安全避让距离为6 m;当加密附面层网格使y＋从2200减小到55时,阻力系数提高15%.     

动车组明线运行空气动力学数值仿真

通过采用不可压缩粘性流体的N-S方程和K-ε双方程湍流模型,建立了带有车轮的200 km/h动车组模型,对其明线运行的外流场进行了空气动力学仿真.并对列车壁面附面层网格进行了细分,得出压力、速度的分布规律,针对网格划分对计算结果的影响进行了探讨.得出如下结论:列车的阻力系数为0.436,升力系数为0.014;此型200 km/h动车组车尾的安全避让距离为6 m;当加密附面层网格使y+从2200减小到55时,阻力系数提高15%.     

列车绕流的瞬态与稳态数值模拟对比

采用大涡模拟（Large Eddy Simulation,LES）和基于雷诺平均（Reynolds Average Navier-Stocks,RANS）的SST（Shear Stress Transport）k-ω湍流模型,分别对高速列车单车明线运行进行瞬态和稳态的仿真计算,通过与实车测试数据比较对数值模拟进行了验证.对比分析LES和RANS的计算结果发现：对于车头表面测压点,LES和RANS都能给出高精度的计算结果,且LES的瞬态计算结果表明,表面压力最大值在一个很宽的范围内波动;对于列车绕流结构,LES较RANS表现出更强的小尺度涡的捕捉能力,尤其表现在复杂的尾流区;通过气动力系数的傅里叶变换分析了波动的频域特性.LES在较复杂列车模型外流场模拟中的高计算精度,及其广泛的结果信息可以为列车的系统耦合设计提供可靠的数据参考.     

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。     

列车气动试验数据可视化系统

根据列车气动试验数据处理对可视化的特殊要求,研究了试验数据可视化方法及系统实现,采用数据场网格划分和基于等参变换的区域映射插值相结合的插值方法,改进了扫描线算法,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。应用实例表明该系统能快速、形象、方便地处理试验数据。     

高速列车动车转向架气动噪声数值分析

为研究高速列车动车转向架气动噪声特性,建立了动车转向架空气动力学模型,采用定常RNGk-湍流模型与宽频带噪声源模型对其气动噪声声源进行初步探讨,并结合非定常LES大涡模拟与Lighthill声学比拟理论进行了远场气动噪声分析。研究结果表明:动车转向架气动噪声源为轮对、构架、牵引电机1、枕梁、垂向减振器、抗侧滚扭杆等结构的迎风侧凸起部位,且构架对动车转向架远场气动噪声的贡献最大,其次为轮对和抗侧滚扭杆,然后为垂向减振器和枕梁,牵引电机1、牵引电机2、空气弹簧和横向减振器对远场气动噪声的贡献较小。动车转向架远场气动噪声是宽频噪声,具有衰减特性、幅值特性和气动噪声指向性。在低频部分能量较大,中心频率为25、50Hz,且分布规律不随运行速度的改变而变化。      

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。     

强侧风对时速350 km高速列车气动性能影响分析

采用NURBS曲面设计方法完成对某型高速列车头车的三维数字化设计建模,基于三维定常不可压的黏性流场N-S及k-ε方程湍流模型,利用有限体积数值模拟方法分析计算出列车的速度阻力函数关系,同时针对列车在不同风向角的强侧风环境中运行时压力场和速度场做了进一步研究。研究发现:在无风明线上运行时列车所受空气阻力与运行速度的平方成正比,侧风运行时随着风向角的扩大空气阻力系数呈现先增大后逐渐下降的变化趋势。流场分布结构复杂不规律,当侧风情况较为严重时正压区主要分布在迎风侧,负压区主要分布在背风侧和车顶部位,且负压表现更为强烈,列车前端滞止点向迎风侧发生偏移,致使迎风侧与背风侧产生巨大压差。     

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。