高寒动车组转向架区域积雪结冰数值仿真研究

对简化的高寒动车组模型,运用OpenFOAM进行网格划分,采用SST k-ω的湍流模型来模拟高寒动车组转向架区域的空气流场特性,分析转向架区域的速度场与压力场。研究结果表明,转向架区域结构复杂,夹带雪粒子的气流将冲击转向架区域的发热元件,所受冲击部位正压较大,夹带的雪粒子于此迅速融化、结冰。同时在转向架上方存在大量低速涡流,雪粒子在低速涡流处静止并落于转向架部件表面。随着速度增加,转向架区域中夹带的雪粒子增加,相应部位的积雪、结冰问题更为严重。     

基于离散相的高速动车组转向架区域积雪问题研究

为了研究高速动车组转向架区域的积雪结冰问题,针对简化的车体和转向架模型,采用三维非定常雷诺时均Realizable k-ε湍流模型(URANS),耦合离散相模型(DPM)流场仿真计算,模拟高速动车组转向架区域流场和雪粒子分布情况。研究结果表明:转向架底部高速气流携带雪花从转向架中部和后方向上折返进入转向架上方区域,并形成低速漩涡,雪花在狭窄处逐渐堆积;转向架底部各零部件迎风侧表面受到气流直接冲击,表面呈现较为明显的正压,在发热零件表面极易形成积雪积冰。另外,沿着列车运行方向,后3台拖车转向架比第1台拖车转向架表面的粒子黏附情况依次减少56.43%,95.42%,95.47%,第2台动车转向架比第1台动车转向架表面黏附粒子数减少51.74%。     

运动边界对冰雪风洞试验段流场特性影响研究

轨道列车转向架区域的积雪结冰现象,是关乎列车运行稳定以及行车安全的关键问题。为了解决转向架区域的积雪结冰问题,研建列车转向架积雪结冰风洞以研究原始比例模型转向架区域流场特性。基于SST k-ω的IDDES湍流模型,分析不同运动边界条件下风洞试验段气流流动特性,探索积雪结冰风洞在现有运动边界条件下的流场模拟适应性与差距。通过网格无关性验证和流场校测,验证数值方法能够满足积雪结冰风洞流场的模拟。研究结果表明：静止地面和静止轮对无法近似模拟真实环境下运动地面和旋转轮对的边界条件的流场特性,轨面以上的空间平均速度最高偏大5倍,静止地面和旋转轮对的风洞实际边界与真实边界更接近;静止地面和静止轮对下转向架后侧的空间压强平均负压高于其他工况,车体后端板表面和转向架表面平均负压强偏差较大,静止地面和旋转轮对的表面负压平均偏差9%,转向架轮对表面压强偏差15%;不同工况下的转向架区域的湍流度差别不大,转向架前侧区域的湍流度在静止地面和轮对下整体偏大。综上所述,在不同试验段运动边界条件下,现有积雪结冰风洞中静止地面和旋转轮对边界条件能较好地模拟实际运行状态下的转向架区域流场特性,为后续试验研究转向架区域的...     

车辆转向架前端加装弧形导流槽对转向架积雪结冰情况的影响

通过空气动力学仿真分析和风洞试验,研究车辆转向架前端加装弧形防风雪导流槽对车辆转向架积雪区域空气动力学性能的影响,以及对转向架区域积雪结冰情况的影响。研究发现:在车辆转向架前端安装弧形防风雪导流槽,可以减少气流对转向架区域的直接冲击;可增加底部气体流速,使夹带雪花颗粒的气流快速通过转向架区域;空气流经导流槽发生明显下扬,使原空气流线在进入转向架区域时发生的上扬现象消失;安装弧形导流槽对整个转向架区域的积雪情况有明显改善作用。     

列车空簧区域防积雪结冰研究

从仿真分析、风洞试验和线路测试3方面入手,综合分析转向架加装前端导流装置和空簧局部导流防护装置对列车空簧部位积雪结冰的影响。研究发现,采用全局导流和局部导流防护组合优化方案后,转向架前端来流出现明显下压现象,转向架区域上部的气流流速减小,下部气流流速增加,一方面减少了夹杂着雪花的气流对转向架区域的直接冲击,另一方面使得下部与转向架结构无接触的气体迅速通过转向架,从而在整体上减少了转向架各关键部件的积雪;在空簧处气流漩涡明显减少,使得雪粒子不容易被带入空簧附近区域,转向架空簧区域积雪量减少近80%,只在连接部位的缝隙处有少部分积雪,对列车的平稳性和舒适性影响甚微,提升了列车在高寒多雪地区的适应性。     

高速变轨距动车组转向架夹钳随动装置设计

根据转向架变轨距的工作原理,设计了一套适用于1 435/1 520 mm轨距的高速动车组转向架夹钳随动装置,并对其变轨随动过程进行了分析介绍。分析表明,该方案能够实现制动夹钳自动跟随轮对转换。     

高速列车制动盘甩水的数值仿真研究

为分析高速列车制动盘发热融化的雪水对转向架区域结冰的影响,建立包含拖车转向架和简化车体的几何模型和转向架制动盘甩水模型,采用三维非定常可实现k-ω双方程湍流模型与离散相模型耦合的数值方法,研究制动盘甩出的水滴在转向架区域的分布。采用液膜模型研究水滴在转向架表面及转向架舱底面的沉积。研究结果表明:制动盘融化的雪水经制动盘甩出后大都存在于转向架的中间区域,在转向架两侧分布较少;这些水滴主要沉积在构架中间区域、前后制动装置、空气弹簧内侧面、牵引梁和牵引拉杆靠近后轮对的区域,而在轴箱装置、垂向减振器、纵向减振器和横向减振器上沉积的水滴较少;在200,250和300 km/h 3种不同速度下,转向架表面总的液膜质量呈现出先下降后上升的趋势;转向架舱底面沉积的水滴主要分布在靠近制动盘附近的表面。     

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...     

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。     

兰新铁路戈壁地区路基周围风沙流运动特征数值分析

运用FLUENT软件,进行兰新铁路戈壁地区路基周围风沙流场数值分析。结果表明,在路基周围风沙流场中,迎风侧坡脚、路基表面附近和背风侧坡脚出现气流运动的相对低速区,迎风侧路肩上方出现气流运动的相对高速区;在相对高速区产生风蚀沙害;在相对低速区产生积沙,且迎风侧坡脚的积沙多于背风侧坡脚。设置不同高度挡沙墙的路基周围风沙流场数值分析表明,流场中的最大风速区由迎风侧路肩上方前移至挡沙墙的上方,减弱了风沙流对迎风侧路肩的风蚀,且积沙大部分落在挡沙墙的前面,跃过挡沙墙的沙粒在挡沙墙和路基之间相对低速旋流的作用下继续跌落。因此挡沙墙的合理高度应满足:气流中大部分沙粒被挡沙墙拦截,在迎风侧路肩处不出现相对高速区,以避免迎风侧路肩产生强烈风蚀,且相对高低速区界线平稳穿过路基表面。     

高速动车组转向架积雪特性数值仿真及优化设计

基于三维不可压缩Navier-Stokes方程和RNG k-ε双方程湍流模型,对350 km/h高速动车组明线运行转向架周围空气流场进行数值分析,采用离散相模型对路面积雪引起的转向架风雪两相流流场进行数值研究。结果表明,转向架周围流场存在的大量空气涡流,影响了转向架周围的空气压力分布。转向架表面的雪花颗粒黏附堆积情况与转向架的安装位置及其周围的空气流场压差有关。中间车第一个转向架颗粒黏附数量最多,尾车第二个转向架黏附数量最少。通过优化转向架周围的裙板结构,转向架周围的空气压力有明显变化,转向架周围垂向方向空气压力差有减小趋势,转向架表面及前后导流板雪花颗粒黏附堆积数目比原方案降低了51.03%。     

横风下车体运动对高速列车气动性能的影响

为揭示横风下车体运动对高速列车气动性能的影响规律,通过数值模拟对典型车体运动形态下的横风气动性能开展研究。首先基于实车试验确定了横风下的车体典型运动形态并定义研究工况,然后通过改进的延迟分离涡模拟(IDDES)方法详细分析不同工况下的车体与转向架的气动载荷,以及列车周围的流场结构与表面压力变化情况。研究结果表明：横风下高速列车车体运动主要表现为侧滚与横移,车体的侧滚运动对列车升力的影响最明显,头、中、尾车升力均随着车体从迎风侧向背风侧运动而增大,并且车体向背风侧运动时,头车升力增大的幅度大于车体向迎风侧运动相同角度时减小的幅度;当车体运动时,第1转向架横向力、升力与倾覆力矩均增大;车体运动对列车头部、背风侧以及尾部的流动均有较明显的影响,车体向背风侧运动时,头车鼻尖区域流速降低,尾车鼻尖位置的高速流区扩大,并且由头部位置分离在背风侧形成的旋涡结构与车体的夹角呈增大趋势,旋涡流速减小;车体向迎风侧运动时,头车鼻尖区域流速增大,尾车鼻尖位置的高速流区缩小,并且从头部位置分离在背风侧形成的旋涡结构与车体的夹角呈减小趋势,而旋涡流速增大。     

高速列车流线型转向架与底部导流板的气动减阻效果研究

为适应高速列车进一步提速的更低气动阻力实际需求,针对CR400AF型高速列车动车转向架和带头型简化车体,应用底部流动导向控制思想,采用附加轻质易造型材料包覆原有部件的理念,开展转向架各部件流线型化和车体底部导流板综合减阻效果的验证试验与数值仿真研究。验证试验选择有无导流板的流线型转向架带简化车体模型,在3种试验速度工况下阻力试验值与仿真值误差均少于10%,验证了数值仿真的可靠性,带导流板试验模型较不带导流板试验模型均有减阻。数值仿真研究运用Realizable k-ε湍流模型,采用切割体笛卡尔网格划分技术,并在边界层内采用棱柱层网格,控制第1层网格的厚度,确保y+值能满足壁面函数要求。经稳态明线运行的仿真模拟网格无关性检验后,探究了流线型动车转向架与导流板组合运用的气动减阻特性及效果。对比了流线型动车转向架与安装导流板前后动车转向架、简化车体以及转向架舱上的阻力变化情况和压力分布变化情况,分析了转向架区域的流场结构变化。数值仿真结果表明：流线型设计的动车转向架相较于原始动车转向架有一定的减阻效果,在400 km/h的运行速度下减阻率达到1.08%。流线型设计动车转向架与导流板组合运用后...     

基于风雪两相流的高寒动车组转向架防冰雪扰流技术研究

针对高寒动车组冬季运行时转向架处存在冰雪堆积的问题,运用商用软件STAR-CCM+和拉格朗日颗粒模型,采用更为直观的风雪两相流技术对扰流设计后转向架区域冰雪附着情况进行模拟分析,并以壁面上的雪颗粒入射质量通量(IMF)来评价转向架区域的扰流板防冰雪效果。计算结果表明:雪强、雪颗粒附着特性、车速、扰流板高度对转向架冰雪附着率均有影响;扰流效果比较好的2种方案是,1改进的流线型扰流板方案可使转向架冰雪附着速率降至无扰流板车型的54%,同时自身承受24%的附着量;2高200mm的扰流板可使转向架冰雪附着速率降至无扰流板车型的70%,同时自身承受9%的附着量。并且扰流板上的附着量不会结冰,会随着气流流动的方向流向地面。     

高速列车表面随行波微细结构减阻技术研究

针对高速列车车头流线型区域、转向架区域隔墙部位、风挡区域端墙部位共3个具备减阻潜力的部位布置了不同形状、尺寸及布置方式的随行波微细结构,通过仿真计算和风洞试验,获得了利用表面随行波微细结构进行减阻应用的可行性方案。仿真和试验结果表明,流线型部位不宜采用随行波微细结构;转向架区域隔墙部位和风挡区域端墙部位等处进行凹坑型表面随行波微细结构改形处理后具有良好的减阻效果。     

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。     

基于ALE方法的高速轮轨黏着特性仿真及试验验证

根据全尺寸高速轮轨关系试验台,建立基于ALE方法的轮轨滚动接触三维有限元模型,仿真分析干燥条件下高速轮轨黏着特性曲线,并采用试验台的高速黏着试验结果对其进行验证。在此基础上,分析高速条件下从制动到牵引工况变化过程中的轮轨接触斑状态、摩擦力分布、Mises应力分布等的演变规律。结果表明:有限元模型可用于模拟干燥轮轨接触表面条件下的高速轮轨黏着特性;黏着轮从自由滚动状态(全黏着)到最大牵引力(全滑动)过程中,轮轨接触斑从靠近轮缘的一侧进入滑动状态并逐渐扩大到整个区域,而制动工况时则从远离轮缘的一侧进入滑动状态;摩擦力从黏着轮自由滚动时的自旋分布状态逐渐变化为趋于一致方向,纵向蠕滑力达到饱和;Mises最大应力点由黏着轮自由滚动时的接触表面以下2 mm处逐渐转移到接触表面,应力更加集中。     

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。     

高速列车隧道压力波浅水槽模拟试验研究

当高速列车进入隧道时,在列车前端的隧道空间引起空气的不稳定流动并形成压力波,压力波的形成可以通过自由表面水波运动的水波高度与可压缩流体运动压力的相似关系来模拟。本文介绍了自建的浅水槽模拟试验装置,并利用该装置研究了高速列车进入隧道时引起的压力波动。实验结果表明,压力波浅水槽模拟试验方法及其试验台的研制是成功的,测试结果可以用来校核复杂结构隧道压力波的数值计算。     

车顶绝缘子气流分布及背风面重污区面积占比分析

随着高速列车运行速度的不断提升,车顶绝缘子的气流分布也变得复杂,而气流分布与污秽沉积密切相关,且高速气流下绝缘子背风面形成重污秽区,该区域形状及面积占比直接影响绝缘子的闪络特性。为探究车顶绝缘子气流分布及背风面重污秽区域面积占比,采用欧拉双流体模型建立绝缘子积污仿真模型,计算车顶绝缘子外部流场分布,分析绝缘子表面污秽不均匀分布的成因,并且以绝缘子芯棒周向静压为基础,提出基于压力最低点和边界层分离点的背风面重污秽区面积占比计算方法,最后通过风洞试验验证此方法的有效性。研究结果表明：绝缘子周围气流速度呈现明显的分区,绝缘子后方尾流区内断面的Z向速度由“U型—W型—V型—U型”向平稳区过渡;而绝缘子前方断面的Z向速度由“U型—V型—U型”向平稳区过渡;57 m/s正向来流下绝缘子表面污秽呈不均匀分布,背风面处有类似梯形的低速积污区存在,基于压力最低点求出的重污秽区域面积占比比基于边界层分离点的对应数值略大,差值在4.43%～7.64%之间,二者结果与实验值的相对误差分别在-1.1%～-18.7%和9.5%～24.1%之间。研究结果可为优化设计车顶绝缘子结构及优化车顶装置的布局提供参考。