高速列车转向架舱内流场实车测试与数值模拟

设计了一种高速列车转向架舱内流场状态测试装置。在无横风、横风速度为15m·s-1与端板角度分别为30°、45°、70°条件下对转向架舱内流场进行了数值模拟,并分析了裙板包覆对转向架舱内积雪形成的影响。试验结果表明:转向架舱内气流流动规律的实测结果与模拟结果相同,说明数值模拟可行;动气流由列车底部以及两侧裙板灌入转向架舱内,流经端板时产生流动分离现象,大部分气流由端板底部及两侧裙板后部排出;自头车往后,流经转向架舱内的气流速度逐渐减小,裙板处进气区域减小,裙板后部排气区域增大;雪粒大多由流经转向架舱底部的气流带入,然后在转向架流场影响下不断沉积而产生积雪;合理设置转向架舱端板角度可以减小冰雪在转向架舱内堆积的概率;包覆裙板并不能有效减少转向架舱内积雪,不建议采用。     

高速列车底部空气流动特性对转向架区域积雪的影响

针对高速列车转向架区域的积雪问题, 建立了包含精细化转向架的列车空气动力学模型; 采用分离涡模拟方法, 对运行速度为350 km·h-1的高速列车周围空气流场进行了模拟, 分析了空气流场特性对车底与转向架区域雪粒输运的影响; 提取了涡核线, 研究了转向架区域的涡流特征与雪粒输运的关系。研究结果表明: 车底气流主要由前后轮对后部向上翻转进入转向架区域, 绕轮轴形成旋转气流; 转向架底部区域涡量大于1 000 s-1, 涡流基本为纵向; 转向架顶部区域涡量小于200 s-1, 涡流基本为纵向; 转向架轮对与前后端墙的空隙处涡流多为竖向, 且后部轮对处的涡量较前部轮对处大5倍以上; 转向架内部区域涡量小于200 s-1, 涡流走向杂乱; 涡流的尺度、强度与走向特性反映出进入转向架区域的气流具有较强的挟带雪粒的能力, 而流出转向架的气流挟带雪粒的能力较弱; 头车下部区域负压较大, 车底与裙板两侧存在强度较大的涡流, 易卷起轨道积雪形成雪烟; 除头车外, 车底与转向架表面绝大部分区域壁面剪切应力小于1 Pa, 对应的摩擦风速小于0.9 m·s-1, 沉积的雪粒不易被内部气流剪切走。      

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%.      

高速列车转向架空气阻力的数值模拟

为了研究转向架的空气阻力特性,建立了列车空气动力学模型.基于三维定常可压缩N-S 方程和k-ε两方程湍流模型,采用有限体积法对速度为400 km·h-1的高速列车空气动力学性能进行了数值模拟,分析了车底结构对转向架气动力的影响.研究结果表明:转向架区域的流场结构非常复杂,转向架前后都会有漩涡形成;高速列车各转向架所受气...     

高速列车侧风效应的数值模拟

在侧风作用下,高速列车的空气动力学性能发生显著改变．基于三维定常可压缩流动的N-S方程,采用SST k-ω两方程湍流模型和有限体积法,对某型高速列车以350km／h的速度在25m／s侧风环境中运行的流场结构和气动力进行了数值模拟计算,分析了不同风向角的侧风对列车全车,以及受电弓、转向架和风挡等局部区域的作用．结果表明：在侧风作用下,列车的周围包括转向架处均产生复杂的涡流,压力分布十分复杂,转向架对流场的影响不容忽视;随着风向角（0～90°）的增大,侧向力系数及倾覆力矩系数也增大,列车倾覆及脱轨的风险性增加,且头车的倾覆力矩系数远大于中间车和尾车的倾覆力矩系数,应注重对头车的气动性能研究．     

强风中高速列车空气动力学性能

基于三雏定常不可压缩Navier-Stokes方程、k-ε两方程湍流模型,采用有限体积法对速度为200 km·h-1的CRH-2动车组在强风环境下运行的空气动力学行为进行了数值模拟,分析了偏航角对列车整车及其各部分的流场结构和气动力的影响,研究了气动力的组成.研究发现:列车的流场结构非常复杂,侧风情况下列车的背风面区域和尾部区域都会产生漩涡,漩涡的产生与从列车表面的脱离的位置随偏航角的变化而变化;整车、头车、中间车和尾车的气动力大小以及组成均不相同;压力场与侧力、升力沿列车纵向的变化情况基本相同,且都比较复杂.分析结果表明:压力主要对侧力和升力影响较大,由于采用了流线型设计,阻力主要来自空气的粘性力,即摩擦力;侧风情况下头车的侧力和倾覆力矩要明显大于其他部分,此时头车的安全性降低.     

不同排障器导流罩对高速列车阻力及升力的影响

利用风洞试验与CFD方法,比较分析某型高速动车组在四种不同排障器导流罩型式下气动特性,发现排障器导流罩以及不同型式的排障器导流罩能明显影响到列车的整车阻力及尾车升力性能.排障器导流罩可以阻止来自列车前方的气流进入转向架区域,并能够将车头前方的气流导向两侧,阻止车头前方死水区的形成.不同型式排障器导流罩对整车的阻力性能的影响最大可以到4%左右,并在大侧风条件下明显影响尾车升力性能,当侧偏角大于18°后不同型式的排障器对尾车升力性能的影响明显增加.因此合理的设计排障器导流罩至关重要.     

高速列车头部气动性能的模拟计算与试验

为了研究高速列车的头形对列车整车的气动性能有着重要的影响,对一节半车编组列车分别进行了空气动力学仿真分析和风洞试验.采用有限体积法对列车头部周围流场进行区域离散,进行气动性能仿真分析,得到高速列车头车的气动特性参数.在满足几何相似的基础上,对一节半编组的列车模型进行风洞试验,获取头部的气动参数,并从模拟仿真分析结果与风洞试验结果对比分析中验证,两种方法能够相互补充,相互印证,为高速列车头形的研究总结出有效的研究途径.     

列车在风区运行空气动力学性能研究

采用理论计算与试验验证相结合的方式对列车风区运行气动性能进行了研究.首先利用主流CFD分析计算方法,对挡风设施条件下的高速列车施加运行速度和横风风速以建立空气动力学仿真模型,对模型进行计算得到不同工况下列车的流场情况.其次,通过实车试验,实时获取列车风区运行时空气动力学性能(两侧压差)数据,以此分析列车在不同的线路条件和横风风速下两侧压差的变化规律.通过分析得出,列车在风区运行通过挡风设施过渡段时两侧压差发生突变,且伴随列车晃车现象影响行车安全.通过对多处过渡段区域重复试验和分析列车车体横向加速度变化情况,得出风区过渡段是列车运行薄弱环节的结论.实验数据对比了列车在过渡段工程补强前后的两侧压差情况,结论为进行工程补强后,两侧压差可减小30%~80%,其中最大减小为84.89%,工程补强效果可以明显的减小过渡段区域强风对列车的影响.     

中国列车空气动力学研究进展

论述了列车空气动力学研究方法:数值模拟计算、风洞试验、动模型试验和在线实车试验;讨论了几种典型列车的空气动力性能:中华之星高速列车、双层集装箱货运列车、磁浮高速列车;建立了列车交会压力波、线间距、安全退避距离的理论关系式;研究了列车流线形外形与气动性能的关系:流线形头形、车身截面外形、列车编组方式、车体表面以及影响气动性能的受电弓导流罩、外风挡、底罩及裙板、导流板等主要部件,介绍了研制流线形列车车体的成套技术及全面推广应用情况;研究了隧道-列车耦合空气动力特性;论述了为既有线5次大提速、百里强风区的兰新铁路解决的列车空气动力影响行车安全问题。     

高速列车头部气动性能的模拟计算与试验

为了研究高速列车的头形对列车整车的气动性能有着重要的影响,对一节半车编组列车分别进行了空气动力学仿真分析和风洞试验．采用有限体积法对列车头部周围流场进行区域离散,进行气动性能仿真分析,得到高速列车头车的气动特性参数．在满足几何相似的基础上,对一节半编组的列车模型进行风洞试验,获取头部的气动参数,并从模拟仿真分析结果与风洞试验结果对比分析中验证,两种方法能够相互补充,相互印证,为高速列车头形的研究总结出有效的研究途径．     

高速列车底部结构参数对气动噪声影响规律

为更好地开展高速列车气动降噪设计，建立了高速列车头车第一组转向架区域的6参数模型，采用计算气动声学和拉丁超立方抽样实验所设计的方法，得到了13个参数化模型的远场气动噪声、转向架舱内湍流脉动功率级和声功率级，并分析了底部结构参数对远场和近场气动噪声的影响规律.结果表明：底部结构参数对远场噪声影响范围为75.4～78.9 dB(A)，裙板高度、排障器厚度、转向架舱后缘倒角和舱长度与远场噪声为负相关，舱前缘倒角、排障器前缘夹角与远场噪声为正相关，底部结构参数的变化主要影响中心频带315～1 250 Hz间的噪声能量；排障器厚度和前缘夹角与远场噪声、舱内湍流脉动功率、声功率均为负相关；裙板高度和远场噪声、舱内湍流脉动功率级为负相关，与舱内声功率为正相关.     

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。      

高速列车动车和拖车转向架区域风雪流特征

为研究冬季高速列车在积雪轨道运行时动车和拖车转向架区域的雪粒运动特性差异,采用欧拉-拉格朗日气固两相流方法,分别建立了动车和拖车转向架的风雪流计算模型,分析了转向架区域的雪粒运动特征和雪粒与壁面的撞击特性.研究结果表明:动车和拖车转向架区域的气流路径相似,气流主要由轮对后部卷入转向架区域,并绕两轮对旋转,拖车转向架区域...     

中国高速列车气动减阻优化综述

研究了中国高速列车气动减阻优化进展,总结了典型部件的压力分布特性与各部件在列车气动阻力中的贡献占比,评析了惰行试验、风洞试验与数值模拟3种列车气动阻力研究方法,论述了和谐号、复兴号等系列列车头型气动性能的差异,阐述了高速列车头型气动减阻优化方法与技术,梳理了转向架区域、车端连接处、受电弓及导流罩等局部不平顺区域的气动减...     

凸包非光滑表面高速列车气动阻力及噪声研究

为减少高速列车在运行中的气动阻力及噪声,提高列车运行效率、节约能耗,提升旅客乘坐舒适度,提出凸包非光滑表面减阻技术应用于高速列车领域。以CRH3型高速列车为研究对象,通过在车体的头部和尾部加设凸包来控制湍流特性,以达到减阻、降噪效果。首先,利用PRO/Engineer建立非光滑表面CRH3高速列车简化模型,采用ICEM CFD软件对模型划分非结构网格;其次,应用Fluent流体仿真软件基于标准模型对稳态运行速度为300 km/h时的列车进行仿真计算空气阻力;最后,利用宽频带噪声模拟气动性能良好的列车外表面噪声。结果显示:将间距为460 mm、半径为40 mm、高度为10 mm的凸包阵列结构布设在前挡风玻璃周围对减小气动阻力有积极作用,阻力值为3 715 N,减阻率为1.77%,而此参数凸包非光滑对列车裙板上缘有普遍降噪效果,最大降噪率为1.72%,而对车鼻处及车顶部则会增加噪声。研究表明,通过在头车加设凸包可以改变边界层湍流特性达到减小列车气动阻力及降低部分位置气动噪声的效果。     

CRH380B动车组车体高度差对动力学性能的影响

为研究车体之间高度差对动力学性能的影响,针对8辆车编组的CRH380B型动车组,考虑典型的轮轨匹配关系,对无车高差及典型的6种车高差分别建立动力学仿真模型,针对典型的风速和限速,对车高差产生的空气动力学影响进行数值分析.同时,以空气动力学数据为输入,分析了车高差对列车系统动力学性能以及对动车组侧风运行安全性的影响.在15~30 m/s侧风作用下,不同的车体高度差工况对运行安全性指标的影响一般在10%以内.车辆动力学指标均满足相关标准要求,运行安全性指标具有一定的安全裕量.     

高速动车组气动外形多学科优化设计

基于流固耦合技术及阻力、升力、运行安全性与平稳性、气动噪声等多个性能指标驱动的多学科优化设计方法,兼顾各系统结构与功能,通过仿真分析和风洞试验等手段,系统研究了CRH3动车组气动外形与空气动力学、动力学、噪声等性能的耦合关系,对车辆间连接结构、转向架区域、车顶设备导流区域等部位进行了优化,提出了CRH380BL动车组的最佳气动外形方案,实现了预期设计目标.在线试验结果表明,CRH380BL动车组比CRH3动车组实测单位阻力降低7%,同时动车组运行稳定性提高、气动噪声有效降低,满足了持续运营速度350 km/h、最高运行速度380 km/h的技术要求.     

高速动车组空气弹簧故障模式下转向架动态响应

为了模拟高速动车组空气弹簧发生故障后的工作状态,基于气动力学理论与函数拟合方法,建立了空气弹簧系统的三维耦合动力学模型,并将该模型与高速动车组整车动力学模型进行了联合仿真,研究了空气弹簧故障模式下高速动车组转向架的动力学响应.由空气弹簧泄漏过程分析可知,空气弹簧泄漏导致车辆失稳的可能性较小,但会使平稳性下降;车辆的垂向与横向安全性指标峰值分别出现在泄漏面积约为15 mm2和30 mm2处;差压阀在空气弹簧的泄漏中能够有效保障车辆的动力学性能.由车辆曲线通过性分析可知,车辆通过曲线的方向若与空气弹簧的泄漏在同侧,则轮重减载率高出直线工况约20%;差压阀与高度调整阀的失效均会对车辆的动力学性能造成一定程度的影响,但各项指标仍满足安全性要求.      

长大货物车回送时混编列车纵向冲动分析

使用空气制动系统与纵向动力学联合仿真系统,计算l辆HXD1机车+60辆载重C70车辆+1辆HXD1机车短编组列车加挂350 t落下孔车回送运行施行紧急制动的列车纵向冲动,分析350 t落下孔车编组位置、前后机车操纵同步性对回送列车的纵向动力学影响.仿真分析表明,主控机车和从控机车操作同步性能的好坏直接决定了整列车纵向动力学性能,350 t落下孔长大货物车的位于列车中部时列车最大车钩力增幅最小.