兰新铁路第二双线挡风墙防风效果仿真分析

利用CFD ICEM建立兰新铁路第二双线V区(大风频繁区)路堤、路堑地段4.0 m挡风墙和槽形梁两侧3.5 m高挡风墙计算模型,采用流体力学软件FLUENT对不同型式的防风结构的防风效果开展仿真分析。结果表明:环境风遭遇挡风墙阻挡,气流沿着挡风墙上部自由空间移动,形成加速效应,使得吹至挡风墙上部的环境风被加速放大;环境风吹过挡风墙后风速明显减小,挡风墙有效遮蔽了环境风,防风效果明显;路堤挡风墙后环境风速残余系数在0.3~0.6,路堑挡风墙后环境风速残余系数在0.25~0.50,桥梁两侧挡风墙后环境风速残余系数在0.3以下,桥梁两侧挡风墙防风效果优于路堤和路堑挡风墙。     

高速铁路堤堑防风过渡段气动分析与工程优化

研究目的:兰新高铁在联调联试及大风专项试验期间,高速列车通过不同防风工程过渡段时,工程边界的变化引发列车气动性能产生急剧变化,进而导致车体晃动。本文对兰新高铁路堤到路堑的防风工程过渡段的气动特性进行研究,探明突变边界引发的风切变机制及演化规律,针对过渡段风流场的突变环节提出完善的、可实施的工程优化方案,并对工程效果进行对比分析,为优化工程的实施提供依据。研究结论:(1)列车通过不同防风工程过渡段时,头车、中车、尾车侧向力与倾覆力矩增幅明显,遮蔽区内流场结构及风速、风向的变化导致列车气动性能发生较大变化,进而影响列车的稳定舒适性;(2)以过渡段风场变化规律研究为基础,对于典型的路堤到路堑的防风工程过渡段,提出了加高过渡段挡风墙的工程优化措施,列车通过时侧向力与倾覆力矩幅值明显降低且变化缓和,优化效果明显;(3)对于其他更为复杂的防风工程过渡段,需重视不同结构过渡边界引发的风切变机制及演化规律的研究,重点从改善突变流场结构入手,结合地形地貌及工程条件因地制宜地采取工程优化措施;(4)本研究结论可为高速铁路防风工程过渡段的计算、设计及工程优化提供参考。     

强风区挡风墙高度和位置对接触网区域风速的影响

强风区挡风墙的修建能有效保障列车的正常安全行驶。而挡风墙高度和位置的变化直接影响到接触网区域的风速,因此是修建挡风墙时必须考虑的重要因素。采用高雷诺数κ-ε紊流模型,建立了列车分别位于1线和2线时的计算模型,应用计算流体动力学软件STAR-CD对接触网区域在强风区挡风墙作用下的风速和仰角进行了数值模拟计算,得出不同条件下接触网区域风速的分布数据。研究结果表明,挡风墙高度为3 m以上和距线路中心5 m时,是比较适合列车行走的位置。     

兰新铁路既有防风设施薄弱地段的分析及改造

结合兰新铁路“百里风区”既有挡风墙和其他防风设施,通过数值计算、列车空气动力学实车试验、车辆动力学试验和挡风墙前后风速分布现场试验等,分析在既有防风设施和大风条件下的列车气动性能与速度分布,找出既有防风设施的薄弱环节,提出对土堤式挡风墙、不同形式挡风墙及挡风墙与路堑过渡段、矮路堑的优化方案和改造措施.建议按危险程度分批次逐步实施改造,在补强改造设计时勘察现场,反复论证补强方案的安全性和可行性.     

兰新铁路强风地区风沙成因及挡风墙防风效果分析

研究目的:通过对兰新铁路"百里风区"和南疆铁路前百公里强风地区风沙成因进行分析,研究挡风墙后不同高度、不同间距风速变化情况,现场实测挡风墙的"遮蔽效应",对挡风墙的防风效果进行评价.研究结论:兰新铁路强风地区风区大风主要为内陆寒潮性大风,受地形地貌引起的狭管效应、下坡风及局地大气对流效应的影响较大,具有风速高、风期长、季节性强、风向稳定、起风速度快等特点.现场实测表明,挡风墙防风效果显著,3 m高挡风墙后在3 m高内风速较挡风墙外侧风速大大降低,风速20 m/s时有效遮蔽范围超过38 m,有效地减弱了列车的倾覆力矩.不同条件下挡风墙对沙害减弱的影响还需进一步加深研究,这些结论对于今后铁路防风沙具有一定的指导和借鉴作用.     

大风环境下自轮运转设备运行安全分析研究

针对接触网检修作业车、轨道车等自轮运转特种设备在大风天气下运行及作业安全标准研究的缺乏问题,开展了新疆铁路大风环境下自轮运转特种设备运行安全的研究和现场试验。现场实车试验发现,空气动力学指标大值点主要出现在无挡风墙、土堤式/下坡风、土堤式挡风墙、矮路堑地段;现有的对拉式、桥式挡风墙后车辆的气动力均较小,防风效果较好。结合数值计算,得到不同路况、不同线路区间、不同车型、不同风速风向条件下的列车安全运行速度限值,提出大风条件下适合既有线路和防风工程条件的自轮运转设备的安全运行及作业临界风速-车速限值,为制定大风天气自轮运转特种设备防风安全运行及作业办法提供了依据。     

兰新铁路现有土堤式挡风墙局部加高优化

随着兰新线上通过列车速度的提高,现有土堤式防风墙的防护效果亟需改善,考虑在原有挡风墙顶部进行局部加高改造。基于三维定常、不可压N-S方程与κ-ε双方程湍流模型,采用棚车为代表车型,在横风风速为50 m/s时,分别对不同加高高度的对称和非对称土堤式挡风墙条件下运行速度为120 km/h的货物列车所受气动力进行了数值模拟,以车辆倾覆力矩为考核指标分析挡风墙加高高度对棚车气动性能的影响。研究结果表明,在现有土堤式挡风墙顶部局部加高能有效地提高其对列车的防风作用;其对称土堤式挡风墙合理加高高度为0.28 m,迎风侧高度1 m和2 m的非对称土堤式挡风墙合理加高高度分别为0.62和0.49 m。结果为工程实际应用提供了理论依据。     

兰新线百里风区不同型式挡风墙防风效果评估

兰新线百里风区是世界上内陆风速最高、铁路风灾最为严重的地区之一,挡风墙是百里风区的主要防风设施。根据现场实车运行试验、挡风墙空气动力学地面试验、数值计算结果,分析和评估百里风区各种型式的挡风墙以及挡风墙各种过渡段的防风效果,指出既有挡风墙工程的薄弱环节,为今后防风工程补强设计提供依据。     

复杂环境下高铁防风过渡流场特性及工程对策

高速列车通过不同防风工程的过渡段时,工程边界的变化会引发列车气动性能产生急剧变化进而引发车体晃动.通过对兰新高铁复杂环境下防风工程过渡区域流场变化规律及气动特性的研究,探明突变边界引发的风流场突变机制及演化规律.结合工程优化的可行性、经济性等实际情况,提出加高薄弱段挡风墙结合降低路堑挖方的综合性工程优化方案,工程实施后现场实测表明区域内风速突变显著降低,工程效果明显.对于复杂环境下高速铁路防风工程过渡段的优化,需重视不同结构过渡边界引发的风切变机制及演化规律的研究,重点从改善突变流场结构、弥补工程薄弱环节入手,结合地形地貌及工程条件因地制宜地采取工程对策.     

提高大风条件下动车组运行安全性的防风设施过渡段优化研究

作为穿越大风区的高速铁路,兰新高铁的行车安全受大风环境的影响较为严重。对兰新高铁进行大风环境实车试验后,发现列车在某些位置出现明显晃车现象。结合实地考察和现场实车试验,基于三维、定常、不可压雷诺平均SSTk-ω两方程湍流模型来模拟其中一处典型地段的流场特性,得出线路上方最大速度突变点,并采用局部挡风墙改造和铲土方的方法对原始突变流场进行了优化。结果发现:通过局部挡风墙和地形地貌的优化改造,可以明显改善原始流场的突变。90°风向角作用下,1号过渡段、1号山梁、2号山梁和2号过渡段处,2线上方3 m高度处横向速度峰峰值分别为优化前的56.3%、24.4%、55.8%和67.2%,防风效果改善明显。     

刚性悬挂接触网结构参数对地铁弓网系统受流特性影响仿真分析

为了对刚性悬挂接触网系统结构参数优化设计提供技术论证，优化地铁刚性接触网设计，研究了刚性悬挂接触网结构参数对地铁弓网系统受流特性的影响。基于有限单元法，建立了接触网有限元等效梁结构模型及简化为弹簧阻尼机构的受电弓归算模型。通过受电弓和接触网动态运行的仿真计算，分析研究了刚性接触网跨距参数、悬挂机构刚度参数及锚段关节处的结构参数对弓网系统受流的影响。仿真研究表明：当列车运行速度小于80 km/h时，建议采用的接触网跨距为10 m;当列车运行速度为120～160 km/h时，建议采用的接触网跨距为8 m;接触网悬挂刚度过小会恶化弓网之间的受流质量；通过减小锚段关节处相邻跨距之间的挠度差，可以有效提高弓网系统在锚段关节处的受流质量。     

接触网刚性悬挂跨距的选择

通过分析接触网刚性悬挂的特点,从节约投资及提高和改善接触网受流质量入手,阐述不同跨距下汇流排的振动特性、凸凹不平直度与运行速度的关系、汇流排挠度对运行速度的影响、锚段关节及道岔处特殊点的特性,得出合理的接触网刚性跨距布置方案。     

兰新高铁风区桥梁关键技术研究

研究目的:兰新高铁经过的百里风区、三十里风区是我国乃至世界上铁路风灾最严重的地区之一,强风下列车的运行安全、舒适、准时问题十分突出。与普速铁路相比,高速铁路列车速度快、轴重轻,在横向强风作用下容易发生倾覆,同时高速运行的列车气动力远大于普速铁路。为满足修建兰新高铁要求,需在桥梁上安装挡风结构,本文对高速铁路设挡风结构后的桥梁及列车处空间风场变化规律和列车、桥梁运营安全性进行研究,以期获得挡风结构设置参数,选择适用于大风区的桥梁梁型及桥梁挡风结构形式,并提出强风下列车运营安全限速值建议。研究结论:(1)简支箱梁横向刚度大,能适用于单、双侧及骨架贯通双侧挡风结构设置需要;组合T梁采用4片T梁布置形式,能适应单、双侧挡风结构形式,工程造价最优;(2)槽形梁将梁体与挡风结构组合使用,能较好适用于百里风区;(3)确定了挡风结构最佳高度为4 m,开孔率为20%;单侧4 m或双侧4 m的挡风结构挡风效果较好,可满足桥梁动力性能及车辆运行安全、舒适的要求,性价比高;(4)Ⅰ型挡风结构适用的环境风速为50 m/s,Ⅱ型和Ⅲ型挡风结构适用的环境风速为60 m/s,Ⅳ型和Ⅴ型挡风结构适用的环境风速为60 m/s;(5)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参考。     

新疆单线铁路土堤式挡风墙坡角优化研究

为提高新疆单线铁路土堤式挡风墙的防风效果,防止列车倾覆,提出只改变挡风墙的迎风侧坡角而背风侧坡角不变(方案1),以及挡风墙的迎风侧坡角和背风侧坡角相等且同步改变(方案2)的2种优化方案。采用数值模拟计算方法对比这2种优化方案对列车气动力系数的影响。结果表明:在列车处于静止状态下,方案1中挡风墙迎风侧最佳坡角为57°,方案2中挡风墙迎风侧和背风侧最佳坡角均为69°;在列车以20～120km.h-1速度运行的动态状态下,按方案1,为达到列车倾覆力矩为0的最佳防风效果,挡风墙迎风侧坡角也必须随着列车运行速度的增大而增大;而按方案2,挡风墙的迎风侧和背风侧坡角基本不随列车速度的变化而变化。因此建议在实际工程中采用方案2进行土堤式挡风墙坡脚的优化设计。     

电气化铁路强侧风条件下列车防风研究

针对新疆地区电气化铁路大风条件下的铁路列车安全进行初步研究。采用数值模拟计算方法,按列车空气动力学理论进行接触网、挡风墙及车辆受到大风空气动力影响的计算。用Fluent流场数值计算软件,按三维黏性流对各种工况接触网、挡风墙及车辆受到的大风空气动力影响分别进行数值模拟计算。根据仿真模拟计算结果,得出初步结论,并提出对于铁路防风工程设置的指导意义。     

大风区铁路挡风墙合理设置

大风作用下列车周围空气的绕流流场变化明显,空气动力显著增大,设置挡风墙及其他防风设施,是保证大风区铁路列车安全运行的主要措施.采用数值模拟计算的方法,对挡风墙距线路的合理位置和挡风墙的合理高度进行研究.结果表明:挡风墙距一线中心线的合理距离为5.7m;随着路况的不同,挡风墙的合理高度不同,2 m深路堑上挡风墙合理高度为...     

兰新高铁防风标准研究

研究目的:兰新高铁通过甘肃境内的安西风区和新疆境内的烟墩风区、百里风区、三十里风区、达坂城风区等五大风区,区内风力强劲,大风天数多,严重危及行车安全,影响运输效率。防风标准的研究是防风工程设计的前提,是确定防风工程设计原则、范围的重要依据。为保证列车安全、快速、正常运营,最大限度地减少列车的停轮与限速,需研究兰新高铁防风标准,以采取合理的防风措施。研究结论:防风标准包括风区设置防风工程后允许的限速天数及合理的列车运行速度限值,综合分析大风区不同风速的频率及不同类型的防风结构在大风条件下保证列车安全运行的能力,研究提出:(1)运营预期目标为大风条件下列车原则上尽量少停轮,列车限速天数控制在全年的10%左右;(2)防风结构能力为:大风条件下设挡风墙(屏)地段列车速度限值提高10 m/s,设封闭(半封闭)挡风结构地段列车速度限值提高20 m/s;(3)本研究成果可为戈壁大风区或类似环境地区的铁路工程建设提供借鉴。     

高速电气化铁路弓网关系

接触网与受电弓系统之间的受流(能量传递)过程是在动态中完成,对于同一系统而言,列车速度越高,维持弓网间良好接触就越困难,受流质量也会随之下降。当速度超过系统正常允许范围时,其受流性能会严重恶化,甚至影响列车正常运行。弓网关系强调接触网与受电弓是一个整体,研究弓网关系就是研究两者间的相互作用。根据京秦客运通道的列车提速实际情况,分析影响弓网关系的主要原因,提出改善方法。     

隧道结构内列车风荷载下接触网系统的风致振动响应

以高速铁路隧道内接触网为研究对象,建立列车-隧道结构-接触网系统-空气的流固耦合计算模型,分析高速铁路隧道内列车风荷载下接触网系统的振动响应特性。研究结果表明:列车风荷载作用下接触网系统振型主要表现为,以沿着隧道纵向的前后摆动为主,左右摆动和扭转为辅;接触网系统的动位移和加速度的振动时间与振幅均与列车风相一致,即在列车风出现时接触网开始出现振动,车头达到时风速开始加大,振动位移、速度和加速度同步增大,在车尾经过时达到最大值,各方向分量的振动幅度大小顺序为:纵向分量横向分量竖向分量;衬砌的振动响应特性与接触网类似,但动位移的主频和振幅相对较少。研究结果可为高速铁路隧道内接触网的设计和施工提供参考。     

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。