基于POD分解的高速列车尾流动力学特性研究

高速列车尾流场是复杂的湍流区域,强度不同的旋涡迅速地生成和脱落,对乘客乘坐舒适性和列车运行稳定性、安全性造成重大影响。以CRH380A三编组列车为研究对象,采用IDDES方法对200～450 km/h速度范围内高速列车尾涡的动力学特性进行了研究;通过POD方法对尾流区的强非定常流动进行了降阶分析,基于能量排序得到了流场演化过程中的重要相干结构和主要规律,并分析了各阶POD模态在尾流场演化中的物理内涵。通过对不同速度下的模态结构数量、模态频率等特性的对比分析发现,尾涡脱落的无量纲频率St≈0.15,这确立了高速列车尾涡脱落频率与运行速度的线性关系。研究结果证明了POD方法在列车复杂尾流场研究中的有效性,并为尾车气动外形优化设计提供了参考依据。     

高速列车车头的气动噪声数值分析

随着列车运行速度的提高,列车气动噪声变得越来越明显,降低气动噪声已成为控制高速列车噪声的关键之一。本文对高速列车车头气动噪声进行数值分析。首先,建立高速列车三维绕流流场的数学物理模型,分别利用标准k-ε湍流模型和大涡模拟计算高速列车的外部稳态和瞬态流场。然后,基于稳态流场,利用宽频带噪声源模型计算高速列车车身表面气动噪声源;基于瞬态流场,分析车身表面脉动压力的时域及频域特性;利用Lighthill声学比拟理论,计算高速列车远场气动噪声,分析远场气动噪声的时域及频域特性。本文对研究和控制高速列车气动噪声具有一定意义。     

高速列车气动及声学行为的尺度效应研究

建立不同模型尺度的高速列车气动噪声数值计算模型,利用改进的延迟分离涡模拟方法(IDDES)和FW-H声学模型对高速列车近场流场和远场噪声进行数值模拟.通过风洞试验验证了本文数值计算方法的合理性.对比分析不同模型尺度下高速列车的气动力、流场结构、表面压力脉动以及远场噪声.结果表明:模型尺度对高速列车的气动行为和声学行为具...     

不同间距的受电弓滑板非定常气动特性研究

为改善高速弓网系统的受流质量,研究不同滑板间距的受电弓滑板非定常气动特性。基于计算流体动力学理论,建立受电弓空气动力学模型;通过有限体积法求解三维瞬态不可压缩Navier-Stokes方程和湍流模型;采用分离涡模拟方法分析不同滑板间距的受电弓滑板非定常气动力的时域特性。研究结果表明:受电弓前滑板和上框架尾流区流场对后滑板流场和气动力产生影响;随着滑板间距增大,前滑板尾流对后滑板流场结构的影响逐渐减小,后滑板周围流场结构与前滑板周围流场逐渐相似,流场紊乱程度减小;后滑板升力呈现由负升力向正升力过渡的变化趋势,且波动范围较大。     

基于延迟脱体涡算法高速列车通过隧道时的绕流特性

基于延迟脱体涡算法和滑移网格技术,建立CRH380A型列车的含有转向架的三维可压缩瞬态仿真模型,模拟研究高速列车气动力、速度场和表面压力这3大绕流特性的变化规律。结果表明:延迟脱体涡算法能较好地捕捉列车通过隧道时的气动特性;当列车头部刚驶入隧道时,气动阻力迅速升高并在车头完全进入隧道时达到最大值,列车下方2侧的速度纵向分量会急剧增加,位于靠近设备舱位置的速度纵向分量会显著降低;当尾车刚驶入隧道时,隧道内壁与列车侧面之间的流场会出现回流区;当尾车全部刚驶入隧道时,气动升力和侧向力骤然增加;当列车全部驶入隧道后,气动力的波动幅值均明显升高;列车通过隧道过程中,列车侧面压力整体上呈现先增后减、最后维持周期性波动的趋势,处于尾流区的车尾部位具有更强烈的波动特征;列车裙板和车底的表面压力整体上均呈先减后增、最后维持在较高幅值波动的趋势,对列车相关结构的疲劳强度产生不利影响。     

高速列车尾车垂向偏置对列车气动性能影响

在长期的高速列车运营过程中,极易形成前后车辆的不同形式偏置,造成列车气动性能改变,甚至可能引发行车平稳性问题,极大影响乘坐舒适性和安全性。以高速列车尾车作为研究对象,探究尾车上下偏置时,高速列车尾部流场变化以及气动特性。基于SST k-ω双方程湍流模型,采用数值仿真方法研究了350 km/h高速列车尾车无偏置、尾车下降20 mm、尾车下降40 mm、尾车下降60 mm、尾车上升20 mm、尾车上升40 mm以及尾车上升60 mm 7种工况下列车的气动性能,分析高速列车气动阻力的变化规律,揭示了不同垂向位移下高速列车尾部流场特性以及列车表面压力分布情况。研究结果表明：高速列车尾部垂向位移对列车整体气动阻力影响较小,但对高速列车气动阻力分布以及流场特性造成一定影响。当尾车偏置位移达到60 mm时,列车车体气动阻力相对于无偏置工况分别降低了-1.11%和2.64%,转向架气动阻力相对无偏置情况下分别降低了11.35%和-17.43%。此外,尾车偏置对列车近尾流区域流场结构有一定影响,尾车鼻锥下方排障器周围漩涡结构由双漩涡结构向单漩涡结构转变;鼻尖处漩涡结构随着尾车高度下降而增大,随着尾车高度...     

高速列车近尾流区涡旋结构的湍流特性分析

为降低高速列车的气动阻力和气动噪声提供理论支撑,以CRH380A型高速列车为原型,建立比例尺为1∶30的高速列车空气动力学模型,应用分离涡模拟方法对其周围流场进行数值计算。在对数值模拟方法合理性验证的基础上,结合湍动能和雷诺应力的变化规律,对高速列车近尾流区涡旋结构的湍流特性进行分析。结果表明:在尾车鼻端附近,近尾流区涡旋结构中的湍流涡旋具有可观的湍动能,并随着向下游发展而逐渐耗散,与此同时涡旋结构中所携带的能量沿展向方向移动;在尾车鼻端附近,受车体侧表面分离形成的剪切流动的影响,近尾流区涡旋结构中的湍流涡旋在较高的垂向位置上能够使流向和展向的脉动速度之间保持很好的相关性,而离尾车稍远的湍流涡旋则会在较低的垂向位置产生相对较大的雷诺应力;雷诺应力在垂向上的变化规律受到分别来自车体底部和车体顶部的分离剪切流动的影响,并且尾车鼻端附近的湍流涡旋在受到由车体底部分离形成的剪切流动的作用时,能使流向与垂向的脉动速度之间保持相对较好的相关性,即相应的雷诺应力较大。     

风向角对CRH2列车气动特性的影响研究

为研究不同风向角下高速铁路列车气动力特性,分析流线型列车周围流场结构差异对列车气动力影响,以高速铁路典型CRH2列车为研究背景,采用风洞试验和数值模拟相结合的研究手段对不同工况下列车气动力和流场结构进行分析.研究结果表明:测压和测力试验结果具有很好的一致性,数值模拟与风洞试验结果吻合良好,可用来分析风向角对列车气动特性...     

可变编组高速列车转向架气动阻力特征研究

基于空气动力学数值模拟方法,针对列车不同部位的转向架和转向架结构表面的气动阻力分布进行分析,对高速动车组列车整车气动效应进行数值仿真。研究结果表明:转向架流场区域在靠近来流端的上部会形成部分死水区,该区域流场与外部质量交换较小,转向架结构表面在来流方向上游会形成一个正压区,在下游方向的转向架结构表面会形成小范围的负压区。列车头车转向架气动阻力明显高于中间车和尾车,其中列车头车I位转向架受到的气动阻力最大,其次是头车II位端转向架,列车的中间车和尾车转向架阻力分布较为均匀,均为头车转向架阻力的60%左右。     

风挡结构对CRH380B型动车组气动特性的影响研究

车端连接处的风挡是影响高速列车气动特性的关键部件。基于雷诺时均法的k-ε方程,建立3节编组的CRH380B型高速列车的稳态流场计算模型,通过风洞试验验证计算模型的准确性,并研究不同形式的风挡结构对高速列车气动特性的影响。研究表明,与其他形式的风挡相比,采用闭合式半风挡的列车在梳理流场迹线和气流方向等方面效果显著,建议在中间车厢连接处采用闭合式半风挡;全封闭外风挡能够有效地控制流场速度分布和减小端面正负压力,建议在车头与后端车厢连接处以及车尾与前端车厢连接处采用全封闭外风挡。     

高速列车整车气动噪声及分布规律研究

本文建立包括头车、尾车、中间车、受电弓、转向架在内的CRH3型高速列车整车三维绕流流动的数值计算模型,用Fluent软件计算不同速度的外部稳态流场,基于稳态流场结果,使用宽频带噪声源模型计算车身表面气动噪声源,得到车体表面声功率级分布;以稳态流场为初始值,用大涡模拟计算车外部瞬态流场,基于瞬态流场用FW-H噪声模型预测高速列车辐射的远场噪声;分析车体表面声功率级和远场总声压级的分布规律,并将车体侧面远场噪声计算结果与试验结果进行比较分析。结果表明:列车高速运行时的气动噪声源主要是迎风侧车头及受电弓等曲率变化较大的曲面,受电弓滑板表面声功率级最大,高于头车头部15dB;从总声压级来看,受电弓滑板、头车第一个转向架和头车鼻尖处总声压级分别为160dB、135dB、130dB,受电弓滑板处具有最大的总声压级;从车体侧面噪声来看,离地面越近噪声越大。通过将远场噪声计算结果与噪声测试结果的对比证明了本文计算结果的准确性。     

明线上与隧道内高速列车流场结构及气动噪声源

基于成熟的明线上高速列车气动噪声计算模型和可压缩大涡模型,考虑声学无反射边界条件,利用计算流体力学软件Fluent建立无限长隧道内高速列车气动噪声计算模型,对比分析高速列车在明线上与隧道内运行时的流场组织结构和气动噪声源。结果表明:高速列车在明线上与隧道内运行时具有类似的流场结构和气动噪声源分布规律,但隧道内的流场结构尺度与强度、气动噪声源强度均比明线上大;车速为350 km·h-1时,隧道内头车排障器尖点扰动区的速度幅值约为明线上的1.2倍,列车尾流区长度约为明线上的1.7倍,整车、1位转向架、头车流线型车底及中间车上部的等效声源声功率分别约为明线上的3.2倍、1.6倍、2.7倍和4.2倍;隧道内活塞效应并不是在全频率范围增加等效声源声功率,而是在包含峰值频率较狭窄的频率范围显著地增加等效声源声功率。     

外置转向架包覆对高速列车气动阻力影响

转向架作为高速列车大面积裸露在外且外形复杂的运行部件受到列车底部气流的直接作用,区域气动外形结构对高速列车整车气动阻力具有重要影响。基于三维稳态SST k-ω双方程湍流模型,采用数值仿真方法研究了轴箱外置式转向架不同包覆方式对高速列车气动性能的影响。研究了转向架区域安装小裙板、半包裙板、全包裙板、全包裙板+小底板以及全包裙板+大底板等5种方案下的高速列车气动性能,比较了不同方案下高速列车气动阻力的变化规律,阐明了高速转向架包覆方式对整车气动阻力、车底流动特性以及列车表面压力分布的影响。研究结果表明：随着转向架裙板包覆面积的增加,转向架腔后端板受到的气流冲击逐渐减弱,后端板上的正压分布降低,列车转向架区域周围的边界层厚度逐渐减小,转向架区域内的压力分布差异性逐渐减小,从而实现了列车整车气动阻力系数的降低。与小裙板模型相比,半包裙板、全包裙板、全包裙板+小底板以及全包裙板+大底板模型的列车气动阻力系数分别降低了5.2%、8.65%、10.3%、11.1%。对于轴箱外置式转向架来说,全包裙板+大底板方案可有效改善转向架区域流场,降低整车气动阻力。研究得到的转向架包覆方式将为新一代高速列车气动...     

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.     

高速列车车身表面气动噪声源研究

介绍了计算气动噪声源的宽频带噪声源模型,建立了高速列车三维绕流流动的物理数学模型,数值模拟了在不同运行速度下高速列车在平地、路堤和高架桥上的外部流场,进而利用宽频带噪声源模型对车身表面气动噪声源进行了计算。计算结果表明,3种运行工况下车身表面噪声源的分布规律很相似,而且随着列车运行速度的提高,列车车身声功率及表面声功率都显著增加,因此,降低气动噪声对发展高速列车至关重要。     

横风下路堤高度对高速列车气动特性影响

通过采用三维瞬态DDES数值方法模拟强横风下,在路堤上运行的高速列车周围流场,对比3,6,9和12 m 4种路堤高度对高速列车瞬态气动性能的影响.研究结果表明:强横风下,随着路堤高度的增加,列车两侧压力差增大,并影响列车周围流速分布,使得流场情况更为复杂.瞬态流场结构显示,在路堤高度增加之后,车体背风侧的涡结构逐渐由体积较小、脉动频率较高、能量较小的分离状逐渐转变为融合度更高、体积更大、脉动频率较低、能量较大的涡结构,将会使得车体运动的稳定性受到更大影响,更容易发生倾覆危险.从气动力来看,随着路堤高度的增加,头车受到的气动载荷增加较大.     

车端间距对高速列车风挡气动噪声的影响

为研究车端间距对高速列车风挡气动噪声的影响,文章利用大涡模拟方法和Lighthill声学比拟理论建立高速列车风挡气动噪声数值计算模型,并设计四种不同车端间距下的风挡方案,计算相应的气动噪声。结果表明,风挡的气动噪声随着车端间距的增加而增大,在满足工程约束的条件下,可以通过减小车端间距来改善高速列车风挡的气动噪声。     

受电弓导流板涵道式翼型气动补偿作用的数值模拟

利用Fluent软件对受电弓导流板涵道式翼形气动特性进行了二维数值研究,观察了不同涵道位置情况下导流板翼形周围流场的压力分布和速度分布,求出了各情况下导流板受到的升力及阻力,最后对受电弓稳定受流的气动补偿控制做出可行性预测。     

卷首语

速度是一个永恒的目标，就目前而言，中国的高速铁路在世界范围内处于领先水平。在此基础上，中国的列车要提速到400-600公里，则需要开始研究列车运行的真空管道。然而，真空管道的争议一直很大。一位网友曾撰文称：真空管道是皇帝的新衣，1000公里的内径2．5米真空管道线路需要花4312．5亿元购买4312．5万台真空泵，加上维修费，     

具有横风效应的磁浮列车湍流外流场特性数值计算

采用有限容积法对磁浮列车以500 km/h的速度运行、受10~40 m/s的横向自然风作用下的外流场特性进行了详尽的计算分析,得到了列车顶部和侧面不同位置的速度和压力分布特性以及列车的尾流特性。结果表明:列车上部及背风侧面的速度及压力波动均随着自然风速的增加而增大,并且列车尾涡中心也由于受自然风的影响而沿着自然风的方向偏转,而自然风对迎风侧的压力波动影响较小。