横风工况下高速动车组空调表面气动性能数值分析

通过采用不可压缩粘性流体的N-S方程和k-ε双方程湍流模型,建立了高速动车组模型,对其在不同横风工况下运行的外流场进行了空气动力学仿真.分析动车组空调表面的压力分布规律,结果表明:列车空调机组所受阻力值由头车至尾车逐渐减小,横风等级增加,阻力值变化不大;空调机组进出口表面负压值及冷凝器进出口压差随横风等级的增加而增大,...     

横风下复线路堤高度对高速列车气动性能的影响

利用Creo软件建立了某型动车组头中尾3车编组和不同高度的路堤模型,通过Fluent软件模拟列车在车速分别为300和350 km·h-1,横风风速分别为17.10、20.70、24.40和28.40 m·s-1的环境下运行,将获取的高速列车气动力载荷施加到Simpack建立的动力学模型中,计算其动力学性能参数;深入分析了横风工况下高速列车在不同高度复线路堤背风侧运行时车体的压力分布、气流场结构、气动力与风致安全性,并重点探究了头车在不同运行速度和横风风速下的运行安全性。分析结果表明:在相同车速和横风环境下,随着路堤高度的增加,列车受到的侧向力整体呈增大趋势,尾车在横风作用下受到反向侧向力,头车所受侧向力最大,且升力持续增大,中间车所受升力相对较大,尾车所受阻力最大;横风环境下列车压力峰值点位于头车鼻尖处且向迎风侧偏移,各路堤高度工况下气流场结构基本相同,头车背风侧和底部转向架处有明显的涡流,但尾车处的涡流却在迎风侧,这可能是导致尾车反向侧向力的主因;脱轨系数、轮轴横向力、轮轨垂向力和轮重减载率均随路堤高度和横风风速的增大而增大,轮轨垂向力始终在安全限值内,当横风风速分别为24.40和28.40 m·s-1时,列车运行速度应分别低于350和300 km·h-1,以保证列车行车安全。      

大风区不同路堑结构中高速动车组的气动特性

建立长路堑路段高速动车组运行模型,通过数值模拟得到不同工况下动车组气动力,分析强横风环境下路堑结构对动车组气动特性的影响.研究表明:不同路堑结构中气动阻力均随风速和车速增大而增大,深路堑中动车组气动阻力约为浅路堑的2～2.5倍;在3 m深度的浅路堑结构中,动车组所受升力为正值,升力和横向力均随横风风速增大而增大;而在10 m深度的深路堑结构中,动车组所受升力为负值,升力随横风风速增大而增大,横向力随风速增大而减小;分析车速对气动力的影响:在浅路堑结构中,除阻力外,列车车速对其他气动力影响较小;在深路堑中,动车组气动力大小均随车速增大而增大,在相同风速条件下,当风速高于15 m/s时,车速每增大50 km/h,横向力和倾覆力矩增大约50%.     

降雨环境下大气底层边界型风场对高速列车气动特性影响

采用大气底层边界速度型风场模拟自然风和Marshall-Palmer雨滴谱模型,应用离散相模型研究了风雨联合作用环境下列车运行时气动特性的变化情况.结果表明:雨滴颗粒的加入扰乱了列车周围气流的正常流动,减轻了列车背风侧气流漩涡的脱落,列车迎风侧和背风侧的压力差减小;降雨强度对列车气动特性影响不大,从20 mm/h增大到100 mm/h,受影响最大的横向力仅增大了9.11%;风雨耦合环境下列车的运行速度对气动阻力影响较明显,列车时速从200 km/h到400 km/h,阻力增大了102%;随着车速增大,车辆所受横向力与升力的变化规律与车辆在列车中的位置相关,头车所受到横向力明显增大,而尾车的横向力则呈减小趋势,而所受升力正好相反,头车呈减小趋势,尾车则明显升高.     

真空管道磁浮交通气动特性的尺度效应

为了探究管道列车的尺度对波系、尾涡以及气动载荷的影响，基于CFD软件建立三种模型尺度（1∶1,1∶5和1∶10），同时考虑两种悬浮间隙关系（车轨相对间隙不变和绝对悬浮高度不变）的模型；采用改进的延迟分离涡模拟（IDDES）湍流模型和重叠网格技术模拟了列车在管道动态运动，并用风洞试验数据验证了数值方法和网格策略的合理性.研究结果表明：列车尺度（雷诺数）增大，车前活塞区域变长，尾流扰动区范围缩短；雷诺数对近尾流区的涡对演化影响较小，但在远尾流区，随着列车尺度减小，涡对脉动变强，涡对强度的差异导致了车后正激波形态的差异；列车表面最大正压值和最大负压值均随着列车尺度增大而增大，悬浮间隙对最大正压值影响较小，但与最大负压值成正相关关系；尺度效应从压差阻力和摩擦阻力两方面共同影响气动阻力，整车摩擦阻力和头、中间车的压差阻力与雷诺数正相关，但是尾车压差阻力受附着激波的强度影响恰恰相反；列车尺度和悬浮高度均对升力影响较大.相对于全尺寸模型，1∶10模型（悬浮高度20 mm）的最大正压值减小3.82%，最大负压值增大3.94%，整车总阻力增大8.64%，头车升力减小101.56%，尾车升力增大15.88...     

高速动车组设备舱模块进风口流量分布试验研究

本文针对CRH380BL高速动车组EC01车牵引变流器、EC01车电机、TC02车主变压器这三个设备舱模块的进风口流量分布特性,进行了各种不同速度等级下的进口风速测试分析,同时通过高速动车组在线线路试验．对获得的数值计算分析结果进行准确性和科学性试验验证,从而掌握了设备舱模块进风口流量分布规律,为指导动车组进一步优化设计提供了有效的理论和试验双重支撑：（1）相对于进风口边缘部位和来流方向靠后部位．进风口中间部位的进风量均较多;（2）EC01车作头车运行时,设备舱模块进风量较大;而作尾车运行时,进风量相对较小;（3）EC01车作头车、尾车运行时,TC02车主变压器进风量均大于EC01车电机进风量。     

高速列车头型多目标气动优化设计

为提高明线运行的高速列车气动性能,以头车气动阻力和尾车气动升力为优化目标,对高速列车头型进行了多目标自动优化设计.以某新型高速列车为原型,建立了包含转向架区域的高速列车参数化模型,提取了7个设计变量,分别控制鼻尖高度、端盖开闭机构顶端高度、驾驶室车窗高度、水平最大外轮廓线横向宽度、头型中部辅助控制线凹凸度、转向架区域横向宽度和隔墙倾角,并基于计算流体动力学理论,建立了高速列车空气动力学模型.应用该模型计算作用在列车上的气动力,通过多目标遗传算法自动更新设计变量,实现了高速列车头型的自动优化设计.对优化目标与设计变量的相关性进行分析,结果表明:驾驶室车窗高度和转向架区域横向宽度对头车阻力影响最大,头型鼻尖高度和中部辅助控制线凹凸度对尾车升力影响最大;优化后得到6个Pareto最优头型,与优化前的头型相比,头车阻力最多减小3.15%,尾车升力最多减小17.05%.      

气动翼对高速磁悬浮列车升力特性的影响

磁悬浮列车高速运行时受到较大气动升力作用,尤其是尾车向上的气动升力较大,易使悬浮性能恶化,甚至导致悬浮控制系统失效,影响列车的乘坐舒适性及运行安全性,因此亟待开展高速磁悬浮列车的尾车升力特性研究及改善工作. 对开展过风洞试验的高速磁悬浮列车进行数值模拟计算,得到的列车表面压力系数与风洞实验数据吻合较好,并加装气动翼改善高速磁悬浮尾车气动升力,研究了气动翼角度、数量对尾车气动性能的影响. 研究结果表明:仅安装一个气动翼时,其自身的气动升力随角度的增加而减小,但尾车气动升力则呈现先减小后增大的规律,气动翼角度为12.5° 时尾车升力最小,与原始磁悬浮列车相比气动升力系数减小3.9%,气动翼及尾车气动阻力略有增加;以气动翼与车体切线角度保持不变为基准在尾车安装多个12.5° 气动翼,不同位置气动翼的气动阻力基本相同,气动翼数量增加后尾车气动阻力随之增大;不同位置气动翼的气动升力存在差异,向鼻尖方向气动翼的气动升力递减,尾车气动升力随气动翼数量增加先减小后趋于稳定;各方案中安装2个气动翼的磁悬浮列车气动性能相对更优,与原始磁悬浮列车相比尾车气动升力减小4.6%,整车阻力仅增加1.4%.      

风屏障在中国帽型突变风与列车风耦合作用下的气动响应

建立了风屏障在突变风与列车风耦合作用下的三维仿真模型,分别研究了透风率为30％的风屏障在横风、突变风及车致脉动风耦合作用的气动响应,分析了其表面的气动压力分布特征及原因.结果表明,风屏障受到横风与车致脉动风耦合作用时,车致脉动风产生的压力对风屏障起主要作用,横风作用减小了风屏障所受头波的正压峰值,增大了其尾波的负压峰值.当风屏障在受到突变风(风速平均值13.8 m/s)与车致脉动风耦合作用时,风屏障所受的压力比横风(风速13.8 m/s)作用下大得多,情况复杂也得多,风屏障所受的头波正压峰值扩大了9.7倍,尾波负压峰值扩大了2.4倍,气动压力变化率增大了2.5倍,持续作用时间增大了2.4倍.     

平地上高速列车的风致安全特性

为研究高速列车在强侧风作用下安全行驶问题,基于空气动力学和多体系统动力学理论,建立了高速列车空气动力学模型和车辆系统动力学模型.应用该模型计算了不同风向角、不同风速和不同车速下作用于车体上的侧风气动载荷.根据高速列车整车试验规范,以脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力和轮轨垂向力为运行安全指标,分析了头车、中间车和尾车的运行安全性.研究表明:头车的安全性最差,且风向角为90°时,横风情况下最危险.随着车速的增大,最大安全风速急剧减小.当车速为200km/h时,最大安全风速为29.61 m/s;当车速为400 km/h时,最大安全风速为18.87m/s.     

横风对高速动车曲线通过性能的影响

通过横风对电动车组气动特性影响的试验研究，得到了高速动车受横风作用时所受的气动升力、侧力和侧翻力矩，并利用动力学分析软件SIMPACK分析高速动车在横风工况下的曲线通过性能．分析结果表明，侧向风力引起的车轮减载是影响动车安全运行的重要因素．在所研究的工况下，动车在常值侧风下通过曲线的速度不应超过220km／h，在阵风下以100km／h的速度通过曲线仍然不能满足安全指标．     

强降雨环境下高速列车空气动力学性能

为研究强降雨对高速列车空气动力学性能的影响, 利用Euler-Lagrange方法建立了强降雨环境下高速列车空气动力学计算模型; 空气建模为连续相, 采用Euler方法描述, 雨滴建模为离散相, 采用Lagrange方法描述, 并采用相间耦合方法对降雨环境进行模拟; 分别开展列车气动性能计算及雨滴降落仿真, 并与试验数据进行对比, 验证计算方法的准确性; 数值仿真了强降雨环境下高速列车的流场结构和气动特性。计算结果表明: 随着降雨强度的增加, 在雨滴的冲击作用下, 流线型头型前端区域的正压逐渐增大, 流线型头型后端区域的负压逐渐减小, 从而导致头车气动阻力增大; 降雨强度对高速列车头车气动阻力系数的影响较为显著, 而对气动升力系数的影响较小; 与无降雨环境相比, 当降雨强度为100~500 mm·h-1时, 200 km·h-1车速下的气动阻力系数增加0.004 0~0.020 4, 气动阻力增加85~432 N, 增大率为2.64%~13.46%;300 km·h-1车速下的气动阻力系数增加0.002 7~0.013 7, 气动阻力增加129~652 N, 增大率为1.78%~9.05%;400 km·h-1车速下的气动阻力系数增加0.002 3~0.009 8, 气动阻力增加195~829 N, 增大率为1.52%~6.49%, 因此, 不同车速下, 气动阻力系数随着降雨强度的增加而增大, 且与降雨强度近似呈线性关系; 当车速为300 km·h-1, 降雨强度为100 mm·h-1, 雨滴粒径由2 mm增加为4 mm时, 气动阻力系数由0.152 0增大到0.154 9, 气动阻力增加138 N, 增大率为1.91%, 因此, 高速列车气动阻力系数随着雨滴粒径的增加而增大, 且与雨滴粒径近似呈线性关系。      

队列行驶三辆汽车外流场的数值模拟

以智能车辆的MIRA简化模型作为研究对象,在自动控制的前提下,采用移动地面边界条件,对单车和队列行驶状态下的汽车外流场进行了数值模拟研究.分别获得了单车和各种行驶工况下的三辆汽车对称面的压力分布,队列行驶三辆汽车的压力分布与单车的压力分布相似,但是后两车前部的正压区明显减弱.对于等间距和不等间距2种行驶情况,改变车辆之间的距离来模拟多种状态.气动阻力的对比分析说明:队列行驶的三辆汽车,后两车的气动阻力都低于前车的气动阻力,而且平均气动阻力与单车相比均有了一定程度的降低.通过间距的改变分别进行数值模拟,获得了间距对前后行驶三辆汽车气动阻力影响的规律,为以后队列行驶的深入研究奠定了基础.     

基于人机工程学的高速动车组新头型优化设计

在高速列车头型设计工作中,综合考虑速度能力及司机室人机工效等设计要素,基于司机室驾驶空间与作业安全、人机工程学标准等设计原则,确定了新头型头部设计约束条件,进而采用三维变量化技术建立了高速动车组头型的参数化模型,所研究的头型设计方法有助于提升实现高速动车组设计能力.     

队列行驶三辆汽车外流场的数值模拟

以智能车辆的MIRA简化模型作为研究对象,在自动控制的前提下,采用移动地面边界条件,对单车和队列行驶状态下的汽车外流场进行了数值模拟研究.分别获得了单车和各种行驶工况下的三辆汽车对称面的压力分布,队列行驶三辆汽车的压力分布与单车的压力分布相似,但是后两车前部的正压区明显减弱.对于等间距和不等间距2种行驶情况,改变车辆之间的距离来模拟多种状态.气动阻力的对比分析说明:队列行驶的三辆汽车,后两车的气动阻力都低于前车的气动阻力,而且平均气动阻力与单车相比均有了一定程度的降低.通过间距的改变分别进行数值模拟,获得了间距对前后行驶三辆汽车气动阻力影响的规律,为以后队列行驶的深入研究奠定了基础.     

基于二系垂向作动器与压电作动器的动车组车体振动控制

为了减小高速动车组车体刚性与弹性振动, 提出了一种基于二系垂向作动器与车体压电作动器的高速动车组车体振动主动控制方法; 基于某型高速动车组, 设计了一种在车辆二系安装垂向作动器, 在车体底架布置压电作动器, 运用H_∞鲁棒最优控制器进行车辆协调控制的主动减振方法; 建立了基于车辆动力学参数的刚柔耦合减振力学模型, 采用H₂及H_∞准则优化压电作动器与压电传感器布置位置, 运用鲁棒最优控制方法设计了H_∞反馈控制器; 利用MATLAB仿真了减振装置与主动控制方法对车辆动力学性能的影响, 比较了被动悬挂车辆、仅安装二系垂向作动器车辆与采用主动控制车辆的动力学性能差异。研究结果表明: 压电作动器与压电传感器布置在距车体左端距离为7.15、12.25、17.35m处车体一阶及二阶弹性模态归一化H₂及H_∞范数最大, 可以作为压电作动器与传感器的布置位置; 基于二系垂向作动器与车体压电作动器的鲁棒最优控制方法能够有效地抑制车体的振动, 一阶垂弯振动频率处车体中部和转向架上方的加速度功率谱分别减小为被动悬挂车辆的5%、10%;速度越大, 振动加速度抑制效果越明显, 当车辆的运行速度为200km·h-1时, 车体振动加速度均方根减小10%, 当车辆的运行速度为350km·h-1时, 车体振动加速度均方根减小18%;相对于被动悬挂, 二系垂向作动器输出力功率谱在车体浮沉与点头振动频率处的量级为106 N2·Hz-1, 对车体刚性振动有较大抑制作用, 压电作动器电压功率谱在车体一阶垂弯振动频率处达到峰值4 000V2·Hz-1, 对车体弹性振动有较大抑制作用。      

高速动力车的平稳性分析

在高速动力车的设计中为了获得良好的动力学性能，采用了许多与传统机车结构不同的新技术。本文根据高速动力车的结构，建立了合理的计算模型，用随机响应方法计算了高速动力车的平稳性指标和轮轨动作用力，介绍了平稳性和轮轨动作用力的评价标准，对高速动力车的运行平稳性和轮轨动作用水平作出了评价。     

基于复Morlet小波变换的车体模态参数识别

详细推导了基于复Morlet小波变换的车体模态参数识别过程.对国内某高速动车组纯车体进行多点激励正弦扫频,利用随机减量法对车体振动响应信号进行随机减量处理,获取自由振动信号,首次运用小波理论对高速动车进行模态参数识别.同时也运用最小二乘法识别各阶振型.识别结果与商用软件Test.Lab对比,频率误差小于2％,说明小波分析适合用于高速车体这样复杂系统的参数识别.     

基于流动模拟和动力学仿真的高速列车横风运行稳定性研究

以国产CRH3型3节车编组高速列车为研究对象,利用计算流体力学软件Star-CD/CCM＋计算了在不同横风风速和不同车速下的列车气动力荷载;将该荷载导入动力学仿真软件SIM-PACK的列车运行动力学模型中,计算出在不同横风和车速条件下的脱轨系数、减载率和倾覆系数等运行稳定性参数.计算表明：头车的气动性能和运行稳定性受横风的影响最大;根据车辆动力学性能参数确定的列车安全速度限值与横风风速之间并非线性关系.参照有关高速列车运行稳定性评定标准,给出了不同横风风速下高速列车安全运行的速度限值.