城市轨道列车气动性能优化研究

为研究城市轨道列车气动特性以及底部部件对列车气动特性的影响,针对三节车模型进行简化,保有底部部件较高完整性,采用Realizablek-ε湍流模型预测列车周围流场。数值计算结果表明:列车气动阻力分布呈现出尾车阻力最大,占三节车总阻力的48%;中间车阻力最小,占总阻力的14%。其中转向架分别占头车、中间车和尾车总阻力的15.1%,56.4%和23.0%。车底设备分别占头车、中间车和尾车总阻力10.5%,10.3%和8.6%。因此对于头车、尾车采取减阻方案首先是采用流线型头型的方式减少流动分离现象。对于中间车减阻方法则要首先针对底部部件,采取密封舱的方式减少其产生的压差阻力。通过优化列车头型发现列车气动特性得到明显的改善,其中列车头车、中间车和尾车阻力分别为原始情况下的61.4%,70.1%和58.3%。在流线型外形基础上进一步稳定列车底部区域流场也有效改善了底部区域部件气动特性。     

高速列车减阻技术试验研究

为改善高速列车空气动力学性能,减小列车阻力,采用风洞试验方法针对高速列车转向架区域、车端连接区域及车底排障器导流罩区域进行优化设计与方案对比,得出如下结论:转向架区域的空间越小,减阻效果越好,若增加底部导流板可减阻3.4%,增加外风挡可减阻1.9%;排障器导流罩距轨面高度越小、后端距离转向架空腔越近,减阻效果越好,可减阻2.1%。此研究结果可为高速列车气动结构优化设计提供依据,具有重要的现实意义。     

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...     

空调导流罩安装角度对市域列车气动阻力的影响

空调设备作为维持轨道车辆车内乘客舒适度的重要组成部分,其外形结构对列车的气动阻力会产生影响.合理的空调导流罩安装角度可以有效降低列车气动阻力.利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法研究空调导流罩安装角度对160 km/h市域列车气动阻力的影响.研究结果表明:空调导流罩安装角度越小,整车气动阻力越小,相对于无导流罩(90°)工况,导流罩安装角度为15°时,整车减阻达10％.头车流线型气动阻力系数随导流罩角度变化不大,除尾车流线型部分外,其他车辆气动阻力系数随着导流罩安装角度的增大而增大,尾车流线型气动阻力系数随导流罩安装角度的增大而降低.导流罩气动阻力随安装角度的增大而增大,不包含导流罩部分的空调气动阻力随导流罩安装角度的增大而降低.     

城际列车气动阻力组成分析及减阻研究

采用基于SSTκ-ω的DDES数值模拟计算方法,对城际列车的气动阻力进行研究。分析城际列车的阻力分布及组成,根据列车流场变化对列车表面进行平顺化,主要优化车下设备、风挡和空调等部位,分析各种措施减阻效果。通过对结果的分析对比,得出了其变化规律:列车气动阻力主要由压差阻力组成,占总阻力的70%~90%;列车转向架、车下设备、受电弓及风挡连接处流场变化比较剧烈,需通过外形优化进行减阻。优化模型减阻效果显著,以设备舱的形式封装车下设备,总气动阻力下降3.7%;封装车下设备的同时采用外风挡,列车总气动阻力下降12.7%;增加2种不同角度的空调导流装置,总气动阻力分别下降16.3%和18.9%。     

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。     

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.     

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。     

高速列车局部外形气动优化设计研究

随着高速列车运行速度的提高,列车外形对气动性能的影响越发显著。以中国标准动车组为原型建立1:8比例3车编组仿真模型,对3种转向架裙板减阻方案、5种排障器导流罩减阻方案、4种车厢连接处外风挡减阻方案进行风洞试验。在60m/s风速,0°侧偏角条件下,裙板最优方案能使整车减阻10.2%;排障器导流罩最优方案能使整车减阻2.1%,外风挡最优方案能使整车减阻1.8%。试验结果为进一步优化中国标准动车组气动外形提供了理论参照。     

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。     

高速列车气动噪声源远场噪声贡献度研究

建立3辆车编组高速列车气动噪声计算模型,包括1辆头车、1辆中间车、1辆尾车、6个转向架和1个受电弓,利用标准k-ε湍流模型和大涡模拟分别计算列车的外部稳态和瞬态流场,并基于瞬态流场用FWH方法计算高速列车远场气动噪声。计算单个转向架、全部6个转向架、车体头部、车体尾部、车体中间部、全部车体、受电弓、列车整体分别为噪声源时的远场辐射噪声,分析这些噪声源对远场噪声评估点的总声压级,以及不同噪声源对远场噪声的贡献,以验证局部气动噪声源对远场辐射噪声与整体噪声源之间的叠加关系。计算结果表明:车体是高速列车远场辐射噪声的主要噪声源,其次是受电弓,转向架对远场辐射噪声影响相对较小;从局部噪声源来看,车体头部、受电弓、头部第1个转向架是高速列车远场辐射噪声的主要噪声源;各局部气动噪声源远场噪声的叠加值与整体气动噪声源远场噪声一致,验证了高速列车整体噪声源与其包括的各局部噪声源符合声源叠加原理。     

车辆前导流罩、裙板、底板对列车通过隧道时气动性能的影响规律研究

文章采用动模型试验与三维流场数值模拟方法,对某型城际动车组在无前导流罩、无裙板、无底板,有前导流罩、无裙板、无底板,有前导流罩、有裙板、有底板3种情况下,以250km/h通过净隧道时引起的阻力变化及瞬变压力变化问题进行了研究,得出了列车前导流罩、裙板以及底板对整车气动阻力及瞬变压力的影响规律。列车通过隧道时,前导流罩、裙板以及底板对其阻力有明显的影响。前导流罩对列车整体空气动力学性能影响很大,有前导流罩破坏了列车车头的整体流线型,严重影响了列车的气动性能。裙板及底板对列车阻力影响较大,对压力波影响相对较小。有前导流罩、有裙板、有底板列车的空气动力学性能明显优于无前导流罩、无裙板、无底板和有前导流罩、无裙板、无底板的列车的空气动力学性能。     

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。     

基于DE S的高速列车气动阻力分布特性研究

基于Realizable k-ε方程的DES数值模拟方法,研究某高速列车头、中和尾车不同区域对整车气动阻力系数的贡献值,并结合风洞试验结果,验证本文所采用的计算方法,计算与风洞试验结果两者偏差在2％以内;各车辆的瞬态气动阻力系数时程曲线在均方根值上下波动,其中头车的脉动幅度最小,尾车最大;头车、尾车的头部曲面区域及各个车辆转向架区域的气动阻力占整车气动阻力的77．8％;前端转向架区域气动阻力系数从头车、到中间车、到尾车大幅度减少,后端转向架区域气动阻力系数逐渐增加;从流场结构来看,列车的头部、风挡、车底结构以及车尾处产生了大量的漩涡;沿车长方向,头车车体附近的漩涡情况好于中车和尾车。     

高速动车转向架动力学性能SIMPACK仿真建模与分析

针对高速动车转向架动力学性能的影响因素缺乏综合分析,提出一种基于SIMPACK的高速动车转向架动力学性能仿真建模与分析方法。以高速动车安全舒适运行需求为目标,根据高速试验列车客车强度及动力学性能规范,构建高速动车转向架动力学性能评定的指标,并研究基于SIMPACK的转向架动力学性能仿真评价及其实现流程。以CRH2型动车组为例,建立其转向架及车体的动力学仿真模型,具体分析四类车轮踏面类型和五类一系及二系悬挂系统等主要影响因素,提取CRH2型高速动车稳定及平稳运行的重要特征参数,为高速动车组转向架的动力学设计及优化提供支持。     

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。     

都市快轨列车穿越矩形隧道时的气动特性研究

建立了都市快轨列车穿越矩形隧道的三维计算模型,应用不连续网格和动网格来模拟快轨列车穿越隧道的动态过程.采用三维、不可压缩、非定常的N-S方程考虑移动的快轨列车与固定的隧道之间的相对运动.在100 km/h、130 km/h和160 km/h 3种速度工况下,计算研究了列车从进入隧道直至完全驶出隧道的气动阻力变化规律和车体表面压力变化规律.计算结果表明,随着运行速度的增大,列车的气动阻力及车体表面压力变化幅值均增大.     

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。     

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%。     

高速列车产生的低频气动噪声

为确定新干线列车中部车辆产生的低频气动噪声,进行了现场试验,并用0缩尺模型列车进行了发射试验。通过这些试验,认为车体下方的转向架腔是气动噪声的主要来源之一,指出了降低低频气动噪声的有效措施。