高速列车外风挡安装间距对风挡气动特性的影响

为探明空气动力作用下,高速列车外风挡与车体外表面安装间距对风挡气动特性的影响规律,采用三维、定常、不可压缩雷诺时均R-S方程和RNG k-ε双方程湍流模型数值算法,对0,10,20和30 mm不同安装间距的三车编组半包式外风挡高速动车组进行数值模拟,列车明线运行速度等级为350 km/h。研究结果表明:安装间距对于风挡受侧向力影响较大,尤其是橡胶弧顶与来流相对的外风挡所受侧向力与安装间距成二次函数关系,安装间距30 mm的外风挡受侧向力最大为785N;安装间距对外风挡所受阻力、升力的影响较小,橡胶弧顶相对的两块外风挡阻力方向相反,外风挡气动升力均为负升力且最大为62N;安装间距导致外风挡表面压力分布呈现规律性变化,将外风挡表面气动压力映射到有限元计算模型上,分析不同安装间距下气动载荷作用对外风挡结构变形与应力的影响。本文研究结果可对外风挡结构强度与优化设计,以及安装位置精度要求提供指导。     

横风下列车平顺化对气动特性的影响

由于横风下运行的高速列车气动特性恶化,面临侧翻的风险,并且转向架和风挡对高速列车周围的流场及气动特性影响较大,会加剧横风下的不稳定性,采用改进的延迟分离涡模拟(IDDES)方法研究横风作用下转向架和风挡的平顺化设计对高速列车气动特性的影响。研究结果表明,在横风下平顺化列车模型由于结构简单,气动阻力更小,同时由于背风侧大尺度涡流引起的负表面压力,侧向力更大,而在原始模型中转向架减弱了大尺度涡流对高速列车背风面表面压力的影响。转向架在列车底部产生了大量的旋涡,是原始模型和平顺化模型中流场出现差异的主要原因,风挡结构比转向架简单,对流场的扰动效果弱,但风挡表面压力对气动阻力会产生较大影响。在频谱分析中,由于原始模型中转向架引起的扰动,高速列车气动力震荡的幅值更大。转向架产生的大量小尺度涡与大尺度涡相互作用并削弱了大尺度涡对高速列车的影响,从而导致原始模型中气动力的主频率消失。此外,转向架产生的小尺度涡加剧了流动的混乱程度,这些涡在横风作用下被推离车体,影响测点处列车风分布,在阵风分析中导致各次运行间差异较大。原始模型中列车风的峰值出现在车头部分的轨道高度处,会对轨道旁的设备和施工人员产生威胁...     

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...     

横向紊流风作用下桁架梁上列车气动特性的试验研究

在风洞试验室建立2种大气紊流场,并以某钢桁梁和1列高速列车为例建立1∶29.7的车桥节段模型,进行横向紊流风作用下桁架梁上列车气动特性的试验。采用同步测压法得到静止列车上的气动力分布,研究列车在不同位置、不同风攻角以及不同紊流场下的侧向力系数和气动导纳函数。结果表明:两车交汇时位于迎风侧列车的侧向力系数最大,列车单车位于背风侧时的侧向力系数相对最小,在-3°风攻角时的列车侧向力系数比+3°风攻角时大,紊流场对列车的侧向力系数有一定的影响,高紊流场中的列车侧向力系数相对更大;列车位于迎风侧(单车迎风侧和双车迎风侧)时,其侧向力气动导纳相对较小,而升力气动导纳相对较大;当折减频率小于0.1时,列车侧向力气动导纳在+3°风攻角时最大,升力气动导纳在-3°风攻角时最大;紊流积分尺度越大,列车气动导纳相对越大。在对试验影响因素总结的基础上,提出列车侧向力和升力的气动导纳函数拟合公式。     

侧向风作用下桥上列车交会过程的空气动力特性

以CRH3型高速列车为研究对象,采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟方法和动网格技术,通过局部动态层变法实现对侧向风作用下桥上列车交会过程的动态模拟,研究侧向风作用下桥上列车交会过程的空气动力特性。结果表明:无侧风情况下桥上列车交会时所产生的交会压力波是导致列车气动力波动的主要原因;在侧向风的作用下车-桥耦合系统的空气动力特性表现出明显的三维时空特性;与无侧向风作用相比,在侧向风的作用下,两交会列车车体表面的整体压力分布已不再具有对称性,其中迎风侧列车所受风荷载较背风侧列车的大;在列车交会过程中,由于迎风侧列车对侧向风的遮挡效应,使得背风侧列车的风荷载突变更加剧烈,这对背风侧列车过桥的安全性和舒适性更为不利;随着列车运行速度的提高,列车的侧向力系数、倾覆力矩系数逐渐增大,而且其气动力系数在列车交会瞬间的突变更加剧烈。     

高速列车通过挡风墙耦合气动力响应试验研究

研究目的:高速列车通过铁路挡风墙及在墙内交会时,挡风墙和列车的耦合空气动力响应会影响列车的运行安全与舒适性。本文基于高速列车气动性能动模型试验,对列车单车、交会通过挡风墙时的耦合空气动力响应进行测试与分析,以期得出挡风墙模型表面和列车车体表面压力波值及其变化传播规律。研究结论:(1)单车运行时,挡风墙内、外侧测点压力波最大值、最小值和幅值随测点水平位置变化不大;而交会运行时,挡风墙内、外侧测点压力波最大值、最小值和幅值的绝对值在挡风墙中间交会处最大;(2)就挡风墙内、外侧表面压力变化而言,外侧测点压力波幅值远小于对称的内侧测点,对内、外侧测点,其压力变化幅值近似与列车车速的平方呈正比关系;(3)挡风墙内侧测点压力值随高度增加而减小,外侧测点压力值随高度增大而增加,建议挡风墙结构设计计算时主要考虑其内侧测点压力变化影响;(4)本研究结论可为高速铁路列车安全及防风工程的计算和设计提供基础。     

高速列车减小空气阻力措施的风洞试验研究

本文采用高速列车模型开展减小空气阻力措施的风洞试验研究,对采用不同减小空气阻力措施的高速列车模型的空气阻力特性进行对比分析,得到不同减小空气阻力措施的减阻效果。研究结果表明:在侧偏角为0°状态(列车直行和无侧风状态)下,在车顶采用优化空调导流罩3减阻效果最好,全车减阻效果可达4.59%;车身侧面裙板包住转向架外露的部分越多越有利于减小空气阻力;全封闭外风挡与半封闭外风挡的减阻效果相当;在车底部转向架周围空腔安装底部导流板2的减阻效果最好,全车减阻效果可达3.7%。通过对高速列车减小空气阻力措施的风洞试验研究,为高速列车减小空气阻力和外形优化提供了参考依据。     

强侧风作用下不同类型铁路货车在青藏线路堤上运行时的气动性能比较

在强侧风作用下,作用于列车的气动力迅速增加,严重影响列车运行的稳定性。本文基于三维、非定常N-S方程,采用动网格技术对货物列车在青藏线路堤上强侧风作用下运行进行了模拟计算,得到棚车、集装箱平车、敞车和罐车4种类型货物列车所受气动力。将计算结果与风洞实验结果进行对比,升力、侧向力和倾覆力矩均吻合较好。计算结果说明:随着侧风速度的增大,作用于棚车、集装箱平车、敞车、罐车的侧向力及倾覆力矩均显著增大;在强侧风作用下,棚车所受侧向力及倾覆力矩最大,故棚车在强侧风作用下较易发生倾覆事故,而罐车所受侧向力及倾覆力矩最小。     

高速列车受电弓减阻的风洞试验研究

我国对列车气动阻力的研究主要考虑列车的头型、断面形状和底部外形等方面,在受电弓减阻方面也主要是考虑受电弓的结构外形,然而对于受电弓残阻的风洞试验研究比较少.为了获得某高速列车的空气动力特性,并考察受电弓各种减阻措施的效果,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风洞中进行了列车模型的风洞试验,在风洞试验中通过在受电弓前部安装各种导流罩和风挡来测试其对受电弓阻力的影响.试验结果表明:受电弓的存在会对列车的气动阻力有约3.2%的增加;在头车尾部安装反向导流罩能有效的降低受电弓的气动阻力;在受电弓前郝安装风挡,这种风挡在侧偏角为0°时对受电弓的减阻有一定效果.     

风挡缝宽对高速列车气动性能的影响

以3节车厢组成的EMU列车1∶8缩比简化外形为基础,在速度为65m/s条件下,对全封闭原始外风挡,平整外风挡缩比后间距缝隙分别为5、7、9mm,半包外风挡,以及5 mm缝隙前移27 mm工况下的6种外风挡形式对列车各车厢气动性能的影响进行了研究,并对列车各组成部分的气动力特性进行了统计和归类,给出不同外风挡缝宽条件下各部件对列车总气动力的贡献,详细分析风挡内部的压力和速度特性随缝宽的变化规律,为高速列车局部减阻优化设计提供了决策依据。     

高速列车隧道内等速会车时气动作用力的数值模拟

基于三维非稳态黏性Navier-Storkes方程及k-ε两方程紊流模型,利用包含移动网格技术的计算流体动力学方法,对高速列车在长隧道内等速交会过程进行动态数值模拟,模拟2列相同外型的列车以4种车速交会时的流场,分析会车过程中交会列车所受气动侧向力、侧翻力矩及偏转力矩的变化情况,初步得到隧道内会车时气动作用力的变化规律。计算结果表明:隧道内列车交会过程使列车受到较大的侧向力、侧翻力矩和偏转力矩;每节车厢侧向力和侧翻力矩方向经历2次变化;偏转力矩方向经历4次变化。气动力与力矩的大小是车速的二次方函数。气动力及气动力矩的变化率与车速的三次方成正比。     

车厢间风挡形式对高速列车气动性能的影响

以3节车厢组成的CRH380型列车简化模型为基础,在速度分别为360、420、500 km/h的条件下,研究车厢间7种风挡形式对各车厢和车厢连接处气动性能的影响.对比分析结果表明:车厢间风挡形式对车厢的压差阻力和黏性阻力影响不大;上下风挡比侧风挡对车厢的升力影响更大;车厢间采用全风挡与采用典型风挡相比,前者车厢连接处的气动阻力约为后者的7％,而无风挡的车厢连接处的气动阻力约为其50％;若车厢间采用上下和两侧闭式风挡,则车厢连接处的压差阻力约为典型风挡的30％.综合考虑气动性能和工程易实现性,采用上下和两侧闭式风挡形式更适用于高速列车.     

横风强度对平原上集装箱列车横向稳定性的影响

应用平原大气边界底层速度型,对平原上运行速度为120 km/h的集装箱列车在横风角为90°8～12级横风下的空气动力载荷进行数值研究.研究对象分别为机车牵引装载着12.192 m(40英尺)集装箱的3辆NX70型平车和3辆X6K型平车的计算模型.结果表明,平原上X6K型平车装载集装箱所受升力的平均值约为NX70型平车集装箱的25%左右;2个列车模型中位置相同的集装箱所受侧向力基本相等,集装箱所受翻滚力矩约为NX70型平车集装箱的60%左右.铁路集装箱车辆的设计对其在平原上装载集装箱所受升力的影响很大,对集装箱所受侧向力的影响很小;集装箱平车底架的大面积空隙有利于列车底部和集装箱底部之间的空气流通,可有效降低集装箱所受升力和翻滚力矩;合理的铁路车辆设计可在一定程度上提高平原上集装箱车辆运行的横风稳定性.     

高速列车风阻制动风翼板气动性能影响研究

当速度大于300 km/h的高速列车紧急制动时,风阻制动是一种行之有效的辅助制动措施.基于三维定常不可压的黏性流场N-S和k-ε双方程模型,采用计算流体动力学方法对带制动风翼板的高速列车气动性能做初步分析,分别从列车所受气动阻力、垂向力、横向力、流场气动干扰效应、气动噪声等方面对首排制动风翼板在不同纵向位置、不同迎风角度和不同组风翼板纵向布置的选择做了详细计算说明.初步研究表明:①当头车车顶安装单排制动风翼板的高速列车在行驶速度为350 km/h的过程中采取紧急制动时,列车所受的空气制动阻力比未安装风翼板时增大约45％,所受垂向升力增大约70％;②采用风阻制动时制动风翼板迎风面所受最大压力和平均压力随着速度增大从远环境压力值呈抛物线形式增加,所受最小压力从远环境压力值呈倒抛物线形式减小;③在首排风翼板安装位置距离头车司机室前端流线型尾端连接处2m范围内,列车空气阻力随着距离的增大而降低,所受垂向升力基本保持不变,风翼板前后形成的正负压区范围逐渐变小减弱;④首排制动风翼板迎风角在45°～90°内逐渐扩大时,列车所受空气阻力基本保持不变,垂向升力呈先增大后缓降的趋势,气动干扰效应和风翼板迎风面的高压区域逐步减弱;⑤在列车头车车顶最大等间距布置多组制动风翼板时,随着风翼板布置组数的增多,列车承受的空气阻力缓慢增加,垂向升力基本保持不变,制动风翼板间气动干扰效应逐渐增强,风翼板迎风面受压呈现出第1组的受压最大,后续各组压力峰值基本保持一致,略有波动.     

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。     

高速铁路半封闭防风走廊结构动模型试验研究

高速列车在新疆烟墩风区、百里风区、三十里风区及达坂城风区四大风区运行时,大风对列车运行安全及高速运行影响大,故需有效的路基防风工程为列车的运营提供安全保障。通过半封闭防风走廊结构动模型试验,测试动车组单车及交会工况下半封闭防风走廊结构与动车组模型表面空气压力波传播规律、出口压力波变化,并分析列车高速运行时半封闭防风走廊结构的气动力特性。试验结果表明:同一高度的内外侧测点压力变化值近似与动车组运行速度的平方成正比;当动车组在半封闭防风走廊路段中间时,半封闭防风走廊内外侧测点压力的绝对值最大。     

地铁列车与高速铁路列车交会压力波的仿真研究

列车在高速会车时产生的空气压力波会给交会车辆的侧窗造成很大的冲击,有可能出现破窗事故,给乘客和列车运行带来安全隐患。基于三维、非定常两方程湍流模型,利用计算流体软件Fluent,对某型地铁车辆与不同型号的铁路高速列车(CRH380A、CRH2、CRH3型)交会时的空气动力学性能进行了数值仿真,得到侧窗上的会车压力波变化曲线。仿真计算结果表明:在地铁列车与铁路高速列车的交会过程中,地铁列车所受到的侧力远大于高速铁路列车所受到的侧力,交会产生的瞬变压力波对地铁列车侧窗的影响也更大。当地铁列车与CRH380A型高速列车交会时,与其和其它两种型号的列车交会相比,地铁列车侧窗所受到的压力波幅值最小,而当地铁列车与CRH2型铁路列车或CRH3型铁路列车交会时,地铁列车侧窗所受到的压力波幅值均较大,其波动的峰峰值也更大。     

高速列车制动风翼板不同迎风角气动性能影响分析

采用计算流体动力学方法,针对不同迎风角带制动风翼板高速列车气动性能影响作了初步分析,分别从列车所受气动力、气动干扰效应及气动噪声等方面对首排制动风翼板不同迎风角度的选择确定作了计算说明,初步研究结果表明：制动风翼板不同安装迎风角度,迎风面所受空气压力分布呈上下2个高正压区,随着迎风角在45°～90°范围内逐渐扩大,下部高压区受压逐渐减弱,同时逐渐与上部高压区上下缩减分离,列车所受空气阻力基本保持不变,阻力系数约为0.24,所受垂向升力呈缓增的趋势,升力系数约在1.4×10^-3～2.0×10^-3范围内,气动干扰效应及风翼板迎风面所受高压区逐步减弱。     

自然风对高速磁浮列车气动特性的影响

基于可压缩黏性流体的N—S方程和k—ε两方程湍流模型,采用有限容积法对磁浮列车受自然风作用下的气动力特性进行计算分析,结果表明:自然风导致列车表面的压力分布发生变化,除了列车头、尾部压力峰值点发生偏移外,列车迎风侧面的压力随着自然风速的增加而增大,随着自然风与列车之间夹角的增大呈现先增大后减小的变化规律;列车受到气动升力、侧向力以及侧滚力矩、俯仰力矩和偏转力矩的作用也随着自然风与列车之间夹角的增大呈先增大后减小的变化规律,且在自然风向与列车运行方向垂直时达到最大,此时列车受到的气动力及力矩作用均随自然风速的增大而单调增加。     

北京新机场线列车气动声学特征仿真分析

采用大涡模拟和FW-H方法,对1:8缩比8车编组北京轨道交通新机场线列车气动声学特征进行模拟研究。列车模型按照实际列车缩比而成,包含转向架、风挡和受电弓等复杂结构。列车运行速度分别为140,160,220和250km/h。研究分析速度场、涡量场、压力脉动场和辐射声场等。研究结果表明:偶极子声源强度主要分布在尾车、头车流线型车底、第1个转向架、空调机组和受电弓区域;不同测点声压级随着频率的增加,总体呈现为先上升后下降的趋势,在400～700Hz频率左右时测点声压级达到峰值;监测点的总声压级在头车流线型附近较大,在尾车及其下游,总声压级逐渐减小。