基于大涡模拟的高速列车横风运行安全性研究

结合高速列车空气动力学和多体系统动力学,研究横风对高速列车运行安全性的影响.首先采用大涡模拟计算方法,研究了不同横风风速下高速列车非定常气动载荷的时域及频域特性,列车周围流场结构及相应的非定常流场特性.然后建立高速列车多体系统动力学模型,将得到的气动力作为外加载荷作用于列车上,研究了不同横风风速下定常气动力和非定常气动力对直线上高速列车运行安全性的影响特性,计算结果表明,与定常气动力相比,作用于车身上的非定常气动力使列车的振动加剧.最后参照高速列车的安全运行标准,对高速列车的安全运行进行分析,为横风下高速列车的安全运行提供参考.     

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.     

受电弓气动抬升力计算方法与分析

基于三维定常不可压缩N-S方程和k-ε两方程湍流模型,采用有限体积法,对高速受电弓的气动力进行数值模拟,并且建立受电弓气动抬升力计算模型,推导受电弓气动抬升力的计算方法,采用该方法计算高速受电弓在不同速度等级下开口和闭口运行时的气动抬升力。结果表明:仿真结果与试验结果基本一致,受电弓各部件的气动力转换成气动抬升力存在不同的传递系数且与升弓角有关;传递系数表征了气动力对受电弓气动抬升力的贡献量,弓头升力对气动抬升力的贡献量最大,其次是上框架和下臂杆升力。     

风洞地面效应对高速列车空气动力学特性的影响

本文采用数值模拟方法对高速列车模型风洞试验中存在的地面效应问题进行研究。通过风洞试验验证了数值模拟方法的有效性,利用数值模拟比较了移动地面、静止地面和不同离地间隙工况下,1∶8缩比3节编组高速列车模型的气动力以及模型周围流场的变化规律。研究表明:移动地面较之于静止地面使模型气动阻力增加6.3%,升力减小130%;随着离地间隙的增大,高速列车模型阻力逐渐增大,升力也逐渐增大;不同地面工况下,3节车对气动力变化量的贡献有很大差别。鉴于地面效应会严重影响高速列车模型的气动特性,对风洞试验测量结果带来不可忽视的误差,有必要采用合理的试验手段对其进行消除。其中,采用移动地面法可以很好消除地面效应,而采用抬高模型法不能完全消除地面效应的影响。     

气动力作用对弓网受流影响的研究分析

阐述弓网受流与气动力学的关系,在分析受电弓气动力模型的基础上,结合实际线路运行试验和风洞试验数据研究气动力作用对弓网受流的影响。结果表明列车高速运行时,受电弓结构特性和运行方向对气动力有影响,调整受电弓气动力特性能有效改善弓网受流性能。     

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。     

基于受电弓弹性体模型的弓网动力学分析

针对简单链型悬挂接触网及电力机车DSA250型受电弓,基于有限单元法,建立接触网模型和考虑弹性变形的受电弓模型;对弓网的动力学性能进行分析,并与采用质量块受电弓模型的计算数据进行对比.结果表明:当DSA250型受电弓通过该型接触网时,其在未出现离线情况下的最高速度为230 km/h;受电弓前、后滑板表现出不同的受流特性,前滑板相对后滑板有较好的受流;考虑弓头与接触线的相互作用频率高于20 Hz时,40～100 Hz的高频分量在接触力和加速度频谱中占有较大的比重,弓头的变形模态将对弓网的动力学特性起至关重要的作用,如果采用质量块受电弓模型进行计算,将造成该模态的缺失,从而导致计算结果有较大的偏差.     

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。     

横风对受电弓各杆件气动特性的影响研究

建立受电弓-接触网-列车模型,通过雷诺时均方法研究了横风对受电弓各杆件气动特性的影响.通过改变横风风速、风向角,分析了受电弓的流线、表面压力和涡量等分布,探讨了受电弓各部件阻力系数、升力系数和侧向力系数,对比了各部件与受电弓总作用力系数的关系.研究表明:对于受电弓的滑板、上臂杆及下臂杆部分,其阻力、侧向力系数均随风向角...     

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...     

考虑温度作用的浸金属碳滑板磨损量预测方法研究

随着列车速度的不断提升,受电弓滑板磨耗增加,对弓网系统运行的安全性和经济性造成威胁。目前,铁路部门仍采用传统人工登顶方法检测滑板磨损情况,效率低、安全性差、且干扰正常行车。因此,亟需探索简便、高效的滑板磨损量预测方法,以指导受电弓滑板的检修与更换。通过改变电流、温度参数进行多组试验发现,在低电流工况下,滑板磨损量随温度提升逐渐下降,在高电流工况下,滑板磨损量随温度提升先减小后增加;基于偏最小二乘回归法,建立了考虑温度作用的浸金属碳滑板磨损量预测模型,模型检测相对误差小于6%;选取不同材料滑板时,磨损量对各影响因素变化的敏感程度存在显著差异。研究结果对完善受电弓滑板磨损量预测模型,降低铁路运营维修成本,提高列车弓网系统运行稳定性具有一定指导意义。     

二维细长柱体气动力特性试验研究

为了研究包括圆柱体和正多边形的二维细长柱体的气动力特性,对具有5种不同表面粗糙度的圆柱体和4种正多边形(12、16、20、24)柱体进行了风洞模型测力试验。对于圆柱体,分析了雷诺数和表面粗糙度对其气动力特性影响规律;对于正多边形柱体,分析了雷诺数、风攻角以及正多边形边数对其气动力特性影响规律。结果表明:圆柱体表面粗糙度对气动力特性具有明显影响,随着粗糙度增大,阻力系数减小,雷诺数效应减弱;在特定风攻角下,各正多边形柱体气动力系数随雷诺数均变化不大;在试验雷诺数范围内,正多边形柱体的气动力系数随风攻角变化不大;就整体趋势而言,正多边形柱体随着边数增加平均阻力系数减小,平均升力系数增加。     

受电弓主动倾摆系统的研究

通过对摆式电动车组受电弓主动倾摆系统的分析,建立ADAMS-Matlab控制模型,并对其控制特性进行仿真。结果表明该受电弓主动倾摆系统有良好的频率响应特性;在车体倾摆过程中,受电弓主动倾摆系统能有效减小受电弓滑板中点的横向位移,从而保证列车受流的连续性。     

峡谷风对桥梁上列车气动性能的影响

基于标准κ—ε双方程湍流模型,分析运行在跨峡谷桥梁上的列车外部稳态流场,研究不同峡谷间距、列车在桥上不同位置时峡谷风对列车气动性能的影响规律。计算结果表明:在同样风速条件下,峡谷间距越小,对气流的加速作用越明显,当峡谷间距分别为150,200,250和300m时,桥梁上方的风速分别增加了17.5%,11.6%,7.2%和3.4%;峡谷间距150m时车辆受到的侧向力、升力和倾覆力矩比300m时分别增大约25.7%,84.5%和21.1%;列车处于峡谷中间位置时受到的气动力最小,列车处于刚进入峡谷位置时受到的气动力最大,后者比前者车辆受到的侧向力、升力和倾覆力矩分别增大了5.5%,8.2%和7.8%。     

基于Fluent的受电弓空气动力特性分析

建立了受电弓的简化仿真模型,采用Fluent软件模拟受电弓运行时周围的空气场,仿真计算了受电弓运行时受到的空气阻力和升力,为改善受电弓的空气动力特性提供一定的依据。     

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。     

新型城轨受电弓结构强度仿真分析

针对城轨车辆受电弓强度要求高、易产生强度破坏等问题,文章以某型号单臂双滑板城轨受电弓为研究对象,绘制了受电弓结构简图,分析了其结构特性,建立了详细的三维模型。建立了受电弓离散有限元仿真模型,对其特定工况下的结构静强度、结构固有特性进行了仿真求解与分析,并基于Goodman疲劳极限图对主要评价点的疲劳特性进行了分析评价,得出了结论及优化方案,为后续受电弓结构优化研究提供了理论依据。     

受电弓碳滑板异常磨耗分析及应对措施

受电弓碳滑板作为弓网关系的衔接部件,是机车车辆的关键零部件和主要耗材之一,其磨耗速率影响车辆的安全运营和检修成本。文章从弓网载流摩擦副的理论分析入手,结合不同工况运用的受电弓碳滑板开展表面磨损特性检测,分析得出受电弓碳滑板的主要磨损形式和影响因素;并针对常见的受电弓碳滑板异常磨耗现象,根据具体磨损特征,分类给出解决应对措施。     

高速列车与跨线斜拉桥耦合气动效应研究

将空气流场视为黏性、可压缩的非定常流,对高速列车和跨线桥梁模型进行适当简化,以沪昆线上某（112＋80＋32）m预应力混凝土独塔斜拉桥为例,基于大型计算流体力学软件Fluent,采用滑移网格法建立高速列车和跨线斜拉桥流场计算模型。分析了列车以350km／h速度从斜交跨线斜拉桥下穿过时,桥梁底面压强分布情况。通过积分换算出列车气动效应对桥梁产生升力、阻力和扭矩时程。将该气动力时程施加至斜拉桥空间动力模型,研究运营阶段斜拉桥动力响应。研究表明,高速列车尾流对斜拉桥的气动力作用大于列车头,列车正上方梁体所受气动力最大;列车风对运营阶段斜拉桥影响极小,可忽略不计;若跨线桥为质量惯性较小的钢桥,列车气动力对其影响仍需进行相应研究。     

不同侧偏角下跨坐式单轨列车侧向气动特性分析

侧向气动特性在很大程度上影响着跨坐式单轨车的运行安全性。基于CFD方法对不同侧偏角影响下的某跨坐式单轨列车侧向气动特性进行模拟分析。通过比较分析不同方案下的侧向气动力计算结果及列车周围流场结构,得出随侧偏角的增加跨坐式单轨列车侧向气动力逐渐增大,头车受到的侧向力和侧倾力矩最大,因而侧风对头车的运行安全性影响最大的结论。