高速列车进入隧道产生压缩波的实验研究

高速列车进出隧道时会产生一系列空气动力学效应,引起噪声及车厢内压力的变化.实验测试是研究这一问题的有效方法之一.利用高速列车空气动力学模型实验系统对高速列车在进入隧道过程中瞬变压力的传播规律进行研究,并分析了列车速度以及阻塞比对测试结果的影响,得出的结论对以后的研究具有一定的参考和借鉴.     

高速列车进入隧道产生压缩波的实验研究

高速列车进出隧道时会产生一系列空气动力学效应,引起噪声及车厢内压力的变化.实验测试是研究这一问题的有效方法之一.利用高速列车空气动力学模型实验系统对高速列车在进入隧道过程中瞬变压力的传播规律进行研究,并分析了列车速度以及阻塞比对测试结果的影响,得出的结论对以后的研究具有一定的参考和借鉴.     

高速列车交会压力波与车速关系的模拟研究

以CRH2型高速列车为例进行交会压力波与车速关系的数值模拟研究。模拟计算中使用的划分网格软件为ICEM CFD,计算流体力学软件为CFdesign,数学计算模型为k-ε湍流方程。依靠动网格技术模拟高速列车的动态交会过程,并利用运算结果分析交会压力波的产生机理及交会压力波与会车速度间的数值关系。     

动车组过隧道时设备舱气动效应动模型试验

随着高速铁路的快速发展,为了适应高寒多风沙环境,设计封闭式设备舱.在过隧道和交会等恶劣工况下,封闭式设备舱容易产生较大压差.采用动模型试验方法,对动车组以不同车速(200、250、300和350km/h)通过隧道和隧道内交会进行试验模拟,建立相应的数值计算模型来相互验证.结果表明,数值计算与动模型试验波形吻合,幅值相差低于6.8%.对于单车过隧道,车体表面和设备舱内压力峰峰值与车速的平方呈线性关系.对于隧道内交会工况,车表面压力对于速度更加敏感,车体表面压力峰峰值与车速的三次方呈线性关系.设备舱内压力峰峰值明显小于车外表面压力峰峰值.设备舱内不同位置处的压差峰峰值有明显波动,相对隧道中心交会而言,单车过隧道工况对速度更敏感.     

横风下高速列车会车压力波对风障的气动冲击

高速列车会车时的压力波会对线路两侧的风障产生气动冲击作用,有可能导致风障的结构失稳,给列车运行带来安全隐患。采用能真实模拟列车运动的嵌套网格方法以及保留开孔特性的腔室耗能型风障,以某CRH型车为研究对象,计算了不同列车车速和不同横风风速下单侧风障内列车交会对风障的冲击过程。研究结果表明:高速列车行驶过程中,由于其高速运动对周边空气的排挤以及尾部气流的补充,在车身附近形成"正-负-负-正"4个压力波;会车过程中,两列车的压力波相互叠加耦合并作用在线路一侧的风障上;随着车速的增大,压力波极值增大,换向时间减小,变化率增大;随着风速的增大,横风作用与列车风作用相互耦合,放大了风障内侧的负压值;压力波正压峰值在车体长度范围之外,负压峰值在车体长度范围之内,头车正压波峰距头车鼻锥处距离最近;在横风作用下,列车风压力峰值会向后移动。     

高速列车气密性问题研究进展及建议

随着列车运行速度的提高,车体表面及车内空气压力波动愈发剧烈,而列车通过隧道时,空气压力波动更为突出。车体表面产生剧烈的瞬变压力传到车厢内,会引起司乘人员耳感不适等问题;因此,对于高速列车气密性问题的研究显得尤为重要。本文回顾了国内外有关高速列车气密性的研究现状,介绍了高速列车气密性及舒适性相关标准,高速列车气密性评价标准的相关理论,分析了气密性实车试验相关研究。为深入研究高速列车气密性问题,需要针对典型线路、不同车型、不同修理等级前后的动态气密性开展实车试验,完善气密性实车试验测试技术,探究不同车内压力保护装置下的车体气密性,进一步为我国舒适性标准的制定提供数据支撑。     

山区高速列车车体动态当量泄漏面积阈值

针对静态气密参数无法真实反映列车过隧道时的气密性能问题和车内压力舒适性问题,基于一维可压缩非定常不等熵流动模型的广义黎曼变量特征线法,数值模拟列车过隧道时的车外压力波动. 对泄漏的空气质量流量进行修正,采用当量泄漏面积法模拟高速列车通过隧道时的车内压力. 以山区高速铁路为背景,研究中国某型号动车组车体动态当量泄漏面积阈值,提出列车符合不同舒适性标准时的动态当量泄漏面积阈值建议. 结果表明：车内压力符合1 000 Pa/10 s标准下的当量泄漏面积更小,列车当量泄漏面积阈值的最小值随着车速的增加而减小,头、尾车和中间车当量泄漏面积阈值的建议值分别为23.2和45.6 cm².     

高速列车对复杂隧道内空气压力的影响

复杂隧道内空气压力特性是隧道设计的重要参数,必须进行深入研究。为提高试验中信号强度和改善测量精度,采用水流代替气流作为流体介质进行复杂隧道模型实验,并研究竖井及中隔墙对空气压力特性的影响。得出了高速列车不同运行速度时复杂隧道内不同位置处的空气压力变化规律,即竖井可明显地降低隧道内的空气压力峰值和梯度,而中隔墙将恶化隧道内的空气压力环境。因此,在可能的情况下,对于复杂体型的长隧道,应尽量布设竖井而避免中隔墙。     

抗侧风车体截面设计

为有效降低强侧风作用下高速列车脱轨、倾覆的可能性,在现有速度大于200 km/h机车上部限界、车内设备布置的人机工程学原理的前提下,基于流体力学原理以及高速列车抗侧风能力分析,设计了一种更能抵抗强侧风作用力的车体截面。基于有限体积法的CFD软件,利用二维定常不可压缩流动N-S方程的SIMPLE算法和k-ε双方程湍流模型,对我国CRH2,CRH3,CRH5等3种高速列车及新设计车体在25 m/s风速环境下进行了气动性能模拟。结果表明,设计车体倾覆力矩相比我国3种高速列车在相同强侧风作用下倾覆力矩有明显下降,设计车体抵抗侧风的能力优于我国上述3种高速列车。     

高速列车横侧风下的气动力特性研究

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3维非定常不可压缩流动的Navier-Stokes方程,采用LES湍流模型和有限体积法,对CRH2动车组以250、300和350 km/h的速度在28.4 m/s侧风环境中运行的流场结构和气动力进行了动网格的动态数值模拟计算。结果表明:侧风下运行时,列车的背风面存在着复杂的多旋涡涡系,旋涡由列车底部和顶部交替卷起,不同车速时的流场结构均相似;背风面旋涡的破裂造成列车尾车侧力的强烈振荡,对列车的运行安全有很大影响。     

隧道内行驶地铁列车火灾应急排烟效果模拟分析

为模拟不同车速及火源位置对行进地铁列车火灾应急排烟效果，选择车门开放0.07 m宽度的缝隙，在车厢中间及靠近车门处分别放置火源，车速设定为30、45、60、80 km/h进行模拟。结果表明：火源处于车门位置，车厢内烟气蔓延速度更慢，应急排烟效果更明显，更有助于保障车厢内部安全；当车速为45 km/h时，火源下游烟气蔓延较慢，烟气排放更稳定，上游车门温度低，更有利于乘客紧急避险；车速≥60 km/h时，车厢内压力变化幅度大，车厢内烟气排放紊乱，不利于应急排烟模式下的车厢环境安全。     

高速集装箱平车空气动力学仿真研究

通过采用SST k-ω湍流模型对200km/h高速集装箱平车进行外流场分析,得到了集装箱平车表面压力分布、机车和集装箱受到的阻力以及车间流体速度分布,并对机车和集装箱相对高度差对列车空气阻力的影响进行了分析.研究结果表明：高速集装箱平车所受的空气阻力以压差阻力为主,并随着机车与集装箱平车相对高度的减小而增大.     

高速列车过双线隧道气动效应及列车风特性

为加深对隧道内气动效应和列车风特性的认识,采用RNG κ-ε湍流模型模拟高速列车偏心通过隧道全过程,应用滑移网格技术模拟列车高速运动,对列车通过时隧道内的气动效应及列车风进行研究。通过将数值计算结果与现场试验结果进行对比,验证了数值方法的准确性。研究表明:隧道入口处气动压力变化规律与隧道内有很大差别;列车两侧对称测点的最大正压值及峰-峰压力变化幅值分别相差13.1%和7.3%,近隧道侧列车风纵向速度分量与合速度最大值分别为远隧道侧的2.1倍和1.9倍,列车偏心通过对列车周围气动压力影响不大,而对列车风影响非常显著;列车表面边界层对列车风纵向分量影响显著,对横向速度分量和垂向速度分量几乎无影响;隧道内列车后方产生交替出现的复杂尾涡结构,与明线时差别很大;隧道内列车风风速衰减较慢,持续时间更久。     

高速列车气动性能的尺度效应分析

采用数值模拟方法,研究高速列车在不同运行工况(明线运行、明线交会、隧道通过以及隧道交会)下的尺度效应,探析模型缩比对列车气动力及表面压力的影响规律.结果表明:模型缩比越小,头车及整车的阻力系数越大,升力系数越小.对于单车过隧道以及隧道内交会,模型缩比的变化不影响车体表面测点的压力幅值在车体长度方向的分布特性.当列车全尺寸交会时,车体表面压力变化幅值最小.在不同运行工况下,当模型缩比为1/20时,车体壁面的压力变化幅值最大,相对全尺寸工况,幅值增加最多可达6%.研究结果可为将列车小尺度模型缩比试验外推到全尺寸时的数据修正提供理论依据,同时为模型缩比的风洞试验以及动模型试验的方案设计提供指导.     

双环外桶复式同步涡流制动机的设计分析

制动作为高速列车的重要组成部分,一直是制约列车动力及运行安全的关键因素.实现同步制动是增强高速列车的安全性能、提高运能的关键.比较了目前实际应用的各种制动方式和制动技术,分析了各自优缺点.为了实现同步制动,设计了机电磁一体化的转定转三层结构,研制了一种双环外桶复式同步涡流制动机.该装置可通过控制励磁电流调节制动力大小,实现了宽速度(5～700 km/h)同步制动的目的,为增强高速列车的安全性能、降低摩擦耗损带来技术选择性突破.     

一种无碴轨道动力学建模的新方法

针对无碴轨道（以博格板式轨道为例）结构特点，提出横向有限条与板段单元动力分析新模型。将高速列车（以中华之星为例）的动车及拖车均离散为具有二系悬挂的多刚体系统，基于弹性系统动力学总势能不变值原理及形成系统矩阵的“对号入座”法则，建立高速列车-无碴轨道时变系统竖向振动矩阵方程，采用Wilson-θ法求解。分别采用传统的静力模型和横向有限条与板段单元动力分析模型，计算并比较钢轨与博格板的静、动态竖向位移最大值，得出车速为200km／h时此系统竖向振动响应时程曲线。计算结果表明，钢轨与博格板的静、动态竖向位移最大值接近，计算值均在通常值范围内，说明所提出的新模型正确、可行。     

全压法测量动力车牵引电机冷却风机风量

实时检测列车运行过程中风机冷却风量随列车运行速度的变化规律，以考核风机性能是否满足列车运行要求，并为风机选型提供科学依据．受风机安装位置及风机前后管道形状、尺寸的限制，测试条件无法满足风机流量测量标准的要求，必须通过标定试验，在与实际使用管路基本一致的情况下，得到风机流量与所选测量方法测试量(如风机全压)之间的关系，为此，用全压法测量270km／h高速列车牵引电机冷却风机流量，通过地面标定试验得到了风机全压与风机流量的定量关系．研究结果表明，所提出的风机全压流量测量方法可用于实时检测列车运行过程中风机冷却风量．     

横风对高速动车组直线运行动力学性能的影响

通过建立高速动车组动力学仿真模型,分析了高速动车组在所受气动升力、侧力和倾覆力矩作用下的运行安全性.以某350 km/h动车组为原型,采用动拖动的编组方式,建立了列车动力学模型.动车转向架采用转臂式轴箱定位结构,二系悬挂由空气弹簧与横向减振器、抗蛇行减振器组成.研究常速横风及阵风对动车组各车的影响.仿真结果表明:横向风对脱轨系数、轮重减载率及轮轨横向力均有很大的影响,尤其是轮重减载率,在所计算的工况下,几乎所有的轮重减载率均超出了标准要求,因此在横向阵风的作用下,动车必须限速运行,否则会有脱轨的危险;另外,阵风对动车组的影响要大于常值侧风,并且横风对头车的影响比其他车辆要大很多.     

高速列车车头曲面脉动压力的大涡模拟

为了得出车头曲面脉动压力的分布规律,利用参数变换技术,生成了高速列车车头曲面的四边形贴体网格,进而生成了高速列车头部流场的六面体网格.对车头流线型曲面的脉动压力进行了大涡模拟,得出了脉动压力的分布特性:在流场中某点处产生的压力主要影响该处本地,而对其余点的影响作用则随着距离的增加而迅速减弱;脉动压力的频带很宽,无明显的主频率.各点脉动压力的频谱在低频时幅值较大,随着频率升高,幅值以负指数规律持续下降.脉动压力1/3倍频程频谱的主要能量集中在20～500 Hz频率范围内,随着列车运行速度提高,频谱的主要能量范围有向高频移动的趋势.     

高速铁路隧道壁面气动压力实车试验分析

采用实车试验方法对高速动车组穿越双线隧道引发的隧道壁面气动压力进行测试,分析不同位置测点在列车通过阶段和列车驶出阶段的压力峰值.研究结果表明:不同测点压力最大峰峰值(正峰值-负峰值)可能发生在列车通过阶段,也可能发生在列车驶出隧道后的压力衰减阶段;压力峰峰值在洞口附近较小,在隧道中部较大.在列车通过隧道阶段,壁面测点压力峰峰值随着车速的增加而迅速增大.列车驶出隧道后,压力峰峰值开始周期性衰减,衰减周期为2倍的声速在隧道内传播时间;在同一周期内,隧道入口处测点压力衰减率较大,出口次之,隧道中部最小;斜切洞门缓冲结构顶部开口对降低第一个周期压力峰峰值的效果不明显,但可以明显降低多个周期后的压力峰峰值.