高速列车在隧道内和明线上交会时气动性能对比分析

建立了高速列车在隧道内和明线上交会的数值计算模型。利用有限体积法求解三维、可压、非定常N-S方程和k-ε两方程湍流模型,通过滑移网格技术实现列车的相对运动。分析了列车在隧道内和明线上以350 km/h等速交会过程中车体表面压力、气动荷载的变化规律。研究发现:列车在隧道内交会时,其车体表面压力比在明线上交会时约增加6 kPa,且车体表面压力的波动幅值是明线上交会时的2倍;交错车体表面的负压值比未交错表面的负压值大1.5kPa;气动力(矩)比在明线上交会时略小;头车、尾车气动阻力的变化规律与单车过隧道时相似,但阻力的变化峰值约是单车过隧道时的2.5倍。     

高速列车通过隧道时气动阻力特性的CFD仿真分析

基于可压缩流体的纳维—斯托克斯方程和RNG k-ε模型,以由头车、中间车和尾车3辆车编组的某高速列车1∶8风洞试验模型为研究对象,采用计算流体动力学软件(CFD),建立包括车体和走行部的三维非结构化列车表面离散网格模型和列车与隧道、列车与明线空间的组合计算网格模型,研究高速列车通过隧道时气动阻力的时变特性和规律.结果表明:高速列车在车尾刚进入隧道人口时其气动阻力达到最大值,为同样工况下明线运行时的2.5倍;高速列车完全进入隧道后,其气动阻力在一段时间内处于相对平稳期,为明线运行时的1.8倍;之后在隧道压力波的作用下,高速列车的气动阻力会发生准周期变化,变化幅度接近明线运行时的60％;在隧道长度大于高速列车长度的前提下,高速列车通过不同长度隧道时,其进入隧道时的气动阻力最大值均比较接近,而且在隧道内运行时的气动阻力变化特征和幅值也基本相同.     

高速列车气动阻力分布特性研究

针对由8辆车组成的CRH3型动车组的实际外形,生成约1.6亿个计算网格,采用大规模并行计算,模拟单列高速列车在明线轨道上以350km/h速度运行时的气流流场,并对列车各组成部分的气动阻力特性进行统计和归类,给出各部件气动阻力对列车总气动阻力的贡献,为高速列车局部减阻优化设计提供参考。     

动车组受电弓检测装置的气动特性分析

为减小动车组车载设备的气动阻力,针对受电弓检测装置左右设备分别建立单体和3节车编组的数值计算模型.基于空气动力学的数值计算方法,将列车明线运行工况归结为定常不可压缩黏性流体流动问题.利用结构化网格划分软件对计算区域进行离散化并验证网格无关性,再采用标准k-ε湍流模型预测受电弓检测装置周围流场,对比分析不同列车速度、运行...     

高速列车同向并行运动时线间距仿真研究

本文采用流体力学数值计算软件FLUENT对我国某新型动车组的空气动力学性能进行了数值仿真.研究不同线间距、不同速度时,对两列高速列车同向并行运动时气动阻力的影响.     

裙板结构对地铁车辆气动性能的影响

采用计算流体力学的方法,分别分析了地铁车辆在明线行驶和通过隧道时,车辆转向架及周围裙板结构对地铁车辆整车气动性能的影响。计算结果表明,安装裙板可以有效降低地铁车辆转向架区域的气动阻力,其中对第1台转向架的影响最为显著,但同时也会导致列车车身阻力的增加;安装裙板后的地铁车辆在明线行驶时,整列车的气动性能得到明显改善,但当其通过隧道时,整列车的减阻效果并不明显。     

不同运行方式对高速地铁气动效应的影响

为了研究时速140km/h高速地铁列车以不同运行方式在隧道中运行时的气动效应,采用三维、可压、非定常N-S方程的数值计算方法,对地铁列车由明线驶入隧道及站间运行时产生的气动效应进行数值模拟,分析不同运行方式对高速地铁隧道气动效应的影响。研究结果表明:列车站间运行时,车体表面测点压力峰峰值沿车长方向基本不变;而列车由明线驶入隧道时,车体表面测点压力峰峰值从头车向尾车逐渐降低。2种运行方式下的隧道壁面测点压力峰峰值均在中间风井处达到最小值。并且列车由明线驶入隧道时的最大车体表面和隧道壁面压力峰峰值分别为列车站间运行时的1.37倍与1.49倍。不同列车密封指数下,列车由明线驶入隧道时的车内压力变化均大于列车站间运行时的车内压力变化。因此,地铁列车由明线驶入隧道时的空气动力学效应比站间运行时更加不利。     

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。     

城际动车组气动阻力优化的风洞试验研究

采用风洞试验方法对城际动车组气动阻力优化进行研究,获得不同侧滑角下的城际列车明线及横风气动阻力,并分析头部外形、风挡结构、车底设备对动车组气动阻力的影响规律。研究结果表明:侧偏角在0°～10°范围内,随着侧滑角增加,头车阻力系数逐渐增大,中间车阻力系数先增大后减小;尾车阻力系数对于侧滑角最敏感,头车次之,中间车最小。无横风时,设置外风挡显著减小了头车及尾车阻力系数,但导致中间车阻力系数增加约16.7%,整车阻力系数仅减小4%左右。安装设备舱后,车体底部杂乱的气流变得平顺,无横风时整车气动阻力系数较减小22%,而横风环境下整车气动阻力系数降幅可达25%。     

动车组隧道附加阻力试验研究

动车组由于在隧道内运行而产生的阻力称为隧道附加阻力。本文对两列不同速度等级的动车组开展阻力试验研究,通过比较动车组在明线运行和通过隧道时受到的阻力,获得了特定动车组在不同速度下的隧道附加阻力变化规律,对今后我国动车组隧道阻力的研究具有参考意义。     

高速列车明线交会对列车的横向振动影响研究

采用数值分析方法,计算高速列车在明线交会过程中列车所受气动载荷,建立列车系统动力学模型,求解列车在气动力作用下的横向振动。采用有限体积法对三维瞬态可压缩雷诺时均Navier-Stokes方程和RNGκ-ε方程湍流模型进行求解,并通过动网格动态铺层技术实现列车的运动,将计算出的气动力和力矩作用于车体,同时对轨道不平顺及气动载荷作用下的动力学进行分析与数值模拟。结果表明:明线列车交会过程中,在考虑气动力时,气动载荷的横向振动频率主要集中在0.5~6.5Hz范围内。列车横向振动加速度及横向平稳性的影响比只考虑轨道不平顺时明显增加,其中头车的影响最为明显。     

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。     

受电弓导流板气动特性的二维数值研究

文章利用Fluent软件对受电弓导流板气动特性进行二维数值研究,计算了不同来流攻角时导流板翼型周围流场的压力分布和速度分布,并得出相应角度下的升力及阻力系数,求出导流板产生的升力及阻力,为受电弓稳定受流的气动补偿控制做出可行性预测。     

导流块对高速检测车空调系统进出风口压力影响的数值分析

以不可压缩黏性N-S方程和RNGk-ε湍流模型为基础,对4辆编组检测车以350km/h速度明线运行的空气流场进行了数值分析,针对空调导流块对检测车空调表面压力分布的影响进行了研究。先后对安装导流块、改变冷凝风机进出风方向及去掉导流块3种设计方案明线运行的外流场进行了数值模拟,得到3种设计方案气动特性及空调冷凝风机进出风口压力差的定量结果。计算结果表明,去掉导流块并不利于冷凝风机的进出风,而安装导流块、改变冷凝风机进出风方向的方案是较好的设计方案。     

时速160公里城际列车气动性能研究

随着国内高速铁路网不断完善、城市内部和城际之间的轨道交通快速发展,城际列车设计速度逐年提高,达到160 km/h,其在运行过程中将面临一系列空气动力学问题。为分析160 km/h城际列车运行时的综合气动性能,利用STAR CCM+软件,采用三维雷诺时均Realizable k-ε湍流模型模拟城际列车的周围流场特性,应用重叠网格模拟列车穿越隧道的滑移运动,将原始头型、改进头型和车顶设备城际列车模型进行数值仿真分析,研究160 km/h城际列车明线运行和通过2种不同横截面积隧道时的流场特性和车体的受力情况,分析城际列车在不同工况下的气动性能。研究结果表明：适用于干线铁路160 km/h城际列车的头车气动阻力较大,通过改进头车的凹槽外形和空调导流斜面,可减少头车所受气动阻力,头车的阻力系数由0.397减小为0.349,降幅12%,整车减少8.26%。横风条件下,头车车身阻力系数随风向角的增大而减小,中间车和尾车的车体阻力系数随着风向角增大而增大,头车倾覆力矩系数最大,沿车身方向降低,尾车最小。城际列车以相同速度通过50 m²和80 m²隧道时,改进...     

时速120公里地铁列车气动噪声数值仿真分析

列车噪声影响车内乘客舒适性,其产生原理复杂,在一定程度上影响着轨道交通车辆的发展,开展列车噪声研究意义重大。文章采用数值仿真方法,以3辆车编组、带转向架、无受电弓的1:8缩比列车模型为基础,运用软件ICEM的拓扑优化、多层网格加密技术、附面层网格技术与网格拉伸技术开展精细化四面体/三棱柱网格划分,构建列车明线运行环境下的计算域网格。通过建立地铁列车气动噪声仿真模型,研究了80 km/h、120 km/h和130 km/h不同工况下列车明线运行的气动声学特性;分析了不同速度下地铁列车流场脉动性能、气动噪声源性能和远场辐射噪声性能,研究列车外部流场情况及其声学规律。仿真结果表明,随着列车运行速度增加,列车车体表面的声功率级逐渐增加,声源能量和声压级也随之增大。对时速120公里地铁列车气动噪声特性的研究可为地铁车型气动声学优化设计提供参考。     

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。     

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...     

城际动车组气动设计方法的研究

针对城际动车组运行速度及运营环境,从舒适性和经济性2个方面提出城际动车组气动设计面临的主要挑战。根据高速列车气动设计经验,从头型外形气动优化设计和车体表面平顺化2个方面开展气动设计,形成4个速度等级的城际动车组头型,并基于数值模拟、风洞试验及线路试验进行设计验证。研究表明,仿真结果与试验结果误差较小,满足工程计算精度要求。风洞试验表明3辆编组的城际动车组气动阻力较原始设计方案减小了约13.2%,远场气动噪声满足设计要求。线路试验表明,城际动车组的气动阻力达到CRH2水平,隧道通过及交会压力波幅值均小于±4 k Pa,各项气动设计指标均达到预期要求。     

受电弓下沉对高速列车气动阻力的影响

采用计算流体力学方法对受电弓下沉的安装方式进行数值模拟,分析受电弓安装平台不同高度下沉和不同轮廓外形对高速列车气动阻力特性的影响。研究结果表明:受电弓适当下沉后,受电弓下部底座、绝缘子迎风面正压降低,背风面负压减小,使得受电弓前后压力差减小,受电弓的气动阻力降低;当下沉高度为450 mm时,受电弓气动阻力减小52.92%,整车阻力也下降6.19%;受电弓安装平台的轮廓外形细微地改变了受电弓下部的压力分布,进而影响受电弓的气动阻力;不同轮廓外形下,受电弓的气动阻力最大相差为20.78%,整车阻力相差1.68%,综合来看,矩形安装平台的减阻效果最为显著。