强风雨环境下高速列车运行安全特性

为确保高速列车在强风雨环境下安全运行,结合EULER-LAGRANGE方法和计算多体动力学方法,系统地研究风雨环境下高速列车的气动特性及运行安全特性。基于非球形雨滴,建立高速列车空气动力学计算模型,并验证计算模型的准确性,进而计算强风雨环境下作用于高速列车的气动载荷。建立高速列车车辆系统动力学模型,计算强风雨载荷作用下的高速列车运行安全特性。研究结果表明,在不同风速下,高速列车的侧力、升力、侧滚力矩及摇头力矩均随降雨强度的增加而增大,且与降雨强度近似成线性关系,对于点头力矩,当风速较小时,点头力矩随降雨强度的增加而增大,而当风速较大时,点头力矩随降雨强度的增加而减小。与单纯的强风环境相比,降雨使得高速列车的运行安全特性进一步恶化,在不同风速下,高速列车脱轨系数、轮重减载率、倾覆系数及轮轴横向力均随降雨强度的增加而增大,特别是当风速接近于临界风速时,降雨对高速列车运行安全特性的影响显著。当降雨强度为500 mm/h时,由不同运行安全指标确定的高速列车安全运行的临界风速降低2.3~4.2 m/s。研究结果可为高速列车在风雨环境下的安全限速提供参考。     

强降雨条件下高速列车气动特性分析

基于标准κ-ε双方程湍流模型和拉格朗日离散相模型,研究强降雨条件下列车前端计算区域长度的取值。在此基础上,分析不同车速、不同降雨强度下的高速列车气动特性,并与无雨条件下的计算结果进行比较。研究表明,列车前端计算区域长度应达到雨滴运动水平距离的1.5倍。降雨强度增加,列车周围雨滴浓度整体上增大。雨滴越靠近尾车,浓度越大。车速越大,雨滴飞溅程度越大,飞溅的距离越远。在强降雨条件下,列车的整车阻力、头车阻力、中车阻力均随降雨强度和车速的增加逐渐增大;尾车阻力随降雨强度增加而减小,随车速增加而增大。气动阻力变化的百分比随着降雨强度的增加而增大,随着车速的增加而减小。     

随机风作用下高速列车的非定常气动载荷

为研究随机风作用下高速列车的非定常气动载荷,基于COOPER理论和谐波叠加法计算随高速列车移动的点的脉动风,分析车速和平均风速对量纲一功率谱密度的影响。采用计算流体动力学方法数值计算气动载荷系数随侧偏角的变化规律,研究随机风作用下高速列车非定常气动载荷的计算方法,并推导出非定常气动载荷的概率分布特性。通过仿真分析车速为200～400 km/h,平均风速为10～35 m/s时的脉动风和非定常气动载荷发现,量纲一功率谱密度随车速的增加往高频部分移动,平均风速的变化对其影响较小;平均风速对脉动风速的影响大于车速对脉动风速的影响;当考虑侧偏角的变化时,计算得到的非定常气动载荷的波动增大;采用准定常法和改进准定常法计算得到的非定常气动载荷具有随机过程的遍历性,而采用权重函数法及改进权重函数法计算得到的非定常气动载荷不具有随机过程的遍历性。     

桥梁上高速列车的强横风运行安全性

基于空气动力学和多体系统动力学理论,研究桥梁上高速列车的侧风运行安全性.研究远场气象风速与距轨面4m高、距迎风侧轨道中心线3.8 m远处的高速列车大风监测点的风速的关系;分析侧偏角和桥梁高度对高速列车气动载荷特性的影响;将气动载荷作为外加载荷作用于高速列车动力学模型上,分析桥梁上高速列车的运行安全性,给出高速列车在桥梁上的运行安全域.研究表明,大风监测点处的风速与气象风速成正比关系,且比例系数随着桥梁高度的增加而增大.对于10 m及10 m以上高度的桥梁,当车速一定时,只要大风监测点处的风速相同,高速列车的气动力系数、气动力矩系数和安全指标均与桥梁高度基本无关;对于10 m以下高度的桥梁,当车速一定时,仅由大风监测点处的风速无法确定出高速列车在不同高度桥梁上的气动力系数、气动力矩系数和运行安全指标,必须考虑桥梁高度的影响.当采用大风监测点的风速作为参考风速时,高速列车在低桥梁上运行比在高桥梁上运行偏于危险,应以低桥梁上高速列车的运行安全性来制定铁路沿线不同高度桥梁上高速列车的运行安全域.     

真空管道高速列车气动特性分析

为研究低压环境下真空管道高速列车的气动特性,建立低压环境下真空管道高速列车空气动力学计算的流体模型、数学模型和数值模型,研究管道压力(1.01×103～1.01×104 Pa)、阻塞比(0.2～0.7)和列车速度(600～1 000 km/h)对真空管道高速列车的阻力系数、气动阻力和气动热效应的影响。计算结果表明,在低压(1.01×103～1.01×104 Pa)环境下,真空管道中的空气流动可以采用连续介质模型描述,真空管道高速列车的绕流流场采用三维可压缩Navier-Stokes方程描述。高速列车的摩擦阻力系数远小于压差阻力系数,压差阻力系数和气动阻力系数基本上与管道压力和列车速度无关,而主要依赖于阻塞比。高速列车的气动阻力与管道压力近似呈线性关系,与列车速度近似成平方关系,且随着阻塞比的增加而增大。列车表面的最大温度基本上与管道压力无关,而主要由列车速度和阻塞比决定。     

随机风环境下高速列车运行安全评估研究

研究随机风环境下高速列车的气动特性及运行安全特性,提出一种随机风环境下高速列车运行安全的评估方法。基于Cooper理论和谐波叠加法建立任意风向角下随车移动点的脉动风速数值模拟方法,推导随机风作用下高速列车非定常气动载荷的计算公式;建立高速列车系统动力学模型,研究非定常气动载荷作用下高速列车的运行安全特性,获得随机风环境下高速列车安全运行的平均特征风速曲线及其置信区间。计算结果表明,在随机风环境下,高速列车的非定常气动载荷及轮重减载率具有随机特性,且近似服从正态分布;风向角越接近于90°,非定常气动载荷及轮重减载率的波动幅值越大;在相同的风向角下,MCWC随着列车速度的增加而减小;在相同的车速下,不同风向角下的MCWC由小到大的排序为90°、60°、120°、30°、150°。     

横风下高速列车的非定常气动特性及安全性

为研究横风下不同路况(平地、路堤、桥梁)运行时的高速列车非定常气动特性及安全性,基于空气动力学和多体系统动力学理论,建立高速列车空气动力学模型和车辆系统动力学模型。采用分离涡模拟(Detached eddy simulation,DES)方法,计算在横风下运行速度为300 km/h列车的周围流场,风速为17.1 m/s,风向与列车运行方向垂直,得到各路况运行时高速列车车体所受非定常气动力的时域特性、频域特性及列车周围非定常流动结构。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安全性指标,分析不同路况下列车的运行安全性。结果表明,横风中列车所受气动载荷存在明显的非定常性,各车辆的气动载荷功率谱密度存在明显峰值,气动载荷主频集中在5 Hz以内;复线路堤背风侧运行列车的安全性最差,其次为复线桥梁迎风侧、复线桥梁背风侧、复线路堤迎风侧、平地。     

350km/h高速列车风致安全研究

结合高速列车空气动力学和多体系统动力学,系统研究了350km/h高速列车的风致安全特性.首先建立了头车-中间车-尾车编组的高速列车空气动力学模型,研究了不同侧风速度(包括不同风速大小和不同风向角)下高速列车气动载荷的变化规律.然后建立拖r动-拖编组的高速列车多体系统动力学模型,将得到的气动载荷作为外加载荷作用于列车上,研究了高速列车的运行安全性和运行姿态,为侧风下350km/h高速列车的安全运行提供参考.     

不同类型横风下高速列车气动性能研究

为研究不同类型风载荷下列车空气动力学性能,数值模拟了列车在均匀风和指数风两种不同类型横风作用下的气动特性。建立列车空气动力学模型,通过网格独立性检验选取合适的仿真计算网格。研究均匀风和指数风对列车迎风侧来流速度、列车气动力、车体表面压力和列车周围流场特性的影响。相比指数风载荷,均匀风条件下列车迎风侧来流速度较大,列车受到的侧力和倾覆力矩要大18%左右。通过对比列车在平地、复线路堤两种轨道基础形式上运行时空气动力学性能差异,发现列车在复线路堤背风侧运行时气动性能较差。研究结果表明:均匀风和指数风载荷作用下的列车气动性能差异较大;在横风作用下头车受到的侧力与倾覆力矩最大,且安全性最差;列车在路堤背风侧轨道运行时受到的气动载荷大于平地运行时的列车气动载荷。     

高速列车隧道会车时气动载荷的研究

由于高速列车气动载荷是隧道会车时列车行车安全的重要因素之一,而其在实车试验中又难以测量,提出采用基于计算流体力学的数值模拟方法。通过空气动力学仿真获取列车的表面压力分布,对列车压力和粘性力积分合成,得到列车的气动载荷,即阻力、侧向力、升力、侧滚力矩、点头力矩和摇头力矩。全面分析了气动载荷的构成和变化特点,及其在不同速度下的变化特性。结果表明,列车隧道会车时,气动载荷主要是由压力构成;列车在隧道会车时气动载荷出现剧烈波动;气动载荷的幅值与速度呈二次函数的变化规律。研究结果可为列车系统动力学分析提供气动载荷依据。     

降雨环境下车身表面水相分布特性

本文建立了汽车外流场空气动力学数值计算模型，结合Lagrangian discrete phase model和Eulerian wall film model两种方法模拟了水相的生成和发展过程。在此基础上，开展不同降雨强度、不同车速条件下的车身表面水相生成计算，研究影响水相分布变化的因素。研究结果表明：在一定的车速和降雨强度条件下，车身水相厚度逐渐增大，最终趋于稳定；当车速一定时，车头、前窗、后窗和侧窗区域水相厚度随降雨强度的增大而增大；当降雨强度一定时，车头、后窗和侧窗水相厚度随车速增大而增大，而前窗水相厚度随车速增大而减小。     

侧风对整车空气动力性影响的研究

通过结合计算机虚拟技术和实际风洞试验,对不同偏角的侧风状态下某SUV车型的空气动力特性进行研究,得到了不同侧风状态下整车的气动阻力系数、侧力和升力系数;试验结果表明,气动阻力系数、侧力和升力系数均随着侧偏角增大而增大。深入分析侧风对整车油耗、行驶稳定性以及气动噪声的研究提供了有利的参考。     

二维随机风下高速列车非定常气动载荷研究

为研究自然风下高速列车的气动载荷特性,基于Cooper理论和谐波叠加法建立考虑自然风纵向脉动分量和横向脉动分量的二维随机风数值模拟方法,通过对比纵向脉动分量和横向脉动分量的模拟功率谱密度与目标功率谱密度,验证随机风数值模拟方法的正确性,并建立二维随机风下高速列车非定常气动载荷的计算公式。数值计算时,列车速度为200~400 km/h,平均风速为10~35 m/s,计算结果表明,随机风具有较大的横向脉动分量,其波动程度略小于纵向脉动分量的波动程度。无论是否考虑随机风速横向脉动分量,高速列车非定常气动载荷均近似服从正态分布。随机风速横向脉动分量对非定常气动载荷的均值几乎没有影响,但使非定常气动载荷的标准差有所增大。     

风沙环境下高速列车气动性能研究

为研究高速列车在风沙环境下的气动特性,基于多相流中的欧拉模型理论,建立了高速列车空气动力学模型。数值计算分析了高速列车在0°与90°风向角下的气动特性变化规律。计算结果表明:与无沙情况相比,列车在0°与90°的风向角下,头车的正压区域变大,尾车的正压区域变小,沙尘对头车的冲击最为严重;在0°风向角有沙情况下,列车头车、中间车、尾车的阻力均增大,列车总阻力增大6%左右,头车向下的升力与尾车向上的升力均变大,中间车的升力基本不变;在90°风向角有沙情况下,头车与中间车的阻力变大,尾车阻力变小,列车的总阻力变大,头车、中间车和尾车的升力均减小、侧力均增加。     

8车编组重联及16车编组下高速列车气动性能研究

为研究长大编组情况下高速列车的空气动力学性能,基于Navier-Stokes方程及标准k-ε湍流模型建立高速列车空气动力学计算模型,计算两列8车编组重联及16车编组情况下的高速列车空气动力学性能。数值计算结果表明,在重联区域,8车流线型处的流动分离直接作用于9车,影响了两车的气动阻力分布,8车阻力系数为0.094,9车阻力系数为0.145,8车编组重联整车气动阻力较16车编组增大0.060。重联编组下,向上升力最大的是8车,升力系数为0.073,向下升力最大的是头车,升力系数为-0.101。对于16车编组,向上升力最大的是尾车,其升力系数为0.054,向下升力最大的为头车,其升力系数为-0.088。研究结果对长编组高速列车气动性能优化具有参考意义。     

高速列车车头形状对横风气动效应的影响

列车在高速运行时,如果受到强横风作用,空气动力学性能显著改变。为探讨高速列车车头形状对横风气动效应的影响,基于Navier-Stokes方程和标准k-ε两方程模型,采用有限体积法,计算了CRH2、CRH3、CRH380A和德国ICE型高速列车在不同列车运行速度、不同横风速度25种工况下的侧向力、侧翻力矩及其系数。计算结果表明CRH3型高速列车横风气动特性最优,CRH380A型高速列车其次,两者气动特性相差不大,要优于CRH2和ICE型高速列车,并且受电弓两侧加侧挡板会使安装的那节车厢的侧向力和侧翻力矩大幅增加,并会给后面车厢的横风气动效应带来不利影响。     

基于统计能量分析的高速列车车内气动噪声研究

为研究高速列车车内气动噪声特性,利用统计能量分析方法构建包括422个车体结构子系统及170个车内声腔子系统的高速列车车内气动噪声计算模型。通过理论公式计算各个子系统的模态密度和内损耗因子,以及不同子系统之间的耦合损耗因子,通过大涡模拟方法计算各个车体结构子系统的湍流边界层输入激励,进而计算分析高速列车车内气动噪声。计算结果表明:各个车体结构子系统的脉动压力谱随着频率的增加呈现减小的趋势。随着车速的增加,各个频率下的高速列车车内气动噪声均增大。高速列车车内气动噪声的线性计权声压级具有明显的低频特性,而A计权声压级的显著频带范围较宽。司机室声腔A计权声压级的显著频带范围是100~2 000 Hz,乘客室声腔A计权声压级的显著频带范围是50~2 000 Hz。高速列车车内气动噪声的线性计权声压级和A计权声压级均与车速的对数近似呈线性关系。     

暴风雪条件下列车气动特性及倾覆稳定性分析

为研究高速列车在恶劣气候条件(暴风雪)下的气动特征及安全性等问题,将采用欧拉双流体模型进行数值模拟的方法应用到对CRH-2高速列车在暴风雪条件下的研究中。开展了对列车周围空气流场的分析,建立了流场与列车受力之间的关系,提出了有关列车稳定性的临界倾覆速度的计算方法;在强侧风及强侧风和强降雪耦合的两种情况下对列车的倾覆稳定性进行了评价。研究结果表明,两种情况下列车倾覆临界速度的趋势相似,而且在强侧风及强降雪情况下,列车的侧向力系数、侧滚力矩系数比较单纯的侧风天气条件显著增加;降雪工况下列车的临界速度比无降雪时减小20%~50%,即降雪条件下,列车更容易发生倾覆;计算结果可以为在暴风雪条件下列车的安全行驶提供参考。     

基于近似模型的高速列车头型多目标优化设计

为改善高速列车气动性能,建立一套高效的多目标气动优化设计方法,对流线型头型进行多目标气动优化设计。建立高速列车流线型头型三维参数化模型,并提取5个优化设计变量;为减少优化设计时间,利用最优拉丁超立方设计方法在优化设计空间中进行均匀采样,利用计算流体力学方法获得对应于各个采样点的气动载荷,利用Kriging代理模型构建优化设计变量和气动载荷之间的近似模型;利用多体系统动力学方法计算气动载荷作用下的高速列车轮重减载率;以气动阻力和轮重减载率为优化目标,利用多目标遗传算法NSGA-II对高速列车流线型头型进行多目标优化。优化设计变量和优化目标均呈现收敛的趋势,采用Kriging近似模型优化计算的Pareto前沿与采用CFD（Computational fluid dynamics,CFD）优化计算的Pareto前沿较为接近。优化后高速列车的气动阻力最多可降低3.27%,轮重减载率最多可降低1.44%,气动阻力最优的头型与轮重减载率最优的头型的主要差异在于中部辅助控制线的变化,前者向内凹,后者则向外凸。     

高速列车并行运行风致安全性分析

结合高速列车的空气动力学和多体系统动力学,研究300 km/h高速列车并行运行时的风致安全性.在研究中,建立包含由头车厢、中间车厢、尾车厢组成的正线列车和由一节头车厢、一节尾车厢组成的中转列车的高速列车空气动力学模型,分析不同线间距与通道占比情况下高速列车并行运行时的气动载荷变化规律.在此基础上,建立高速列车并行运行时的多体系统动力学模型,将气动载荷作为外加负载作用于高速列车,分析高速列车的运行安全性,进而为300 km/h高速列车受侧风影响时的安全并行运行提供参考.