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。     

横风作用下高速列车同向并行运行安全性数值研究

采用流体力学数值计算软件FLUENT对我国某新型动车组横风条件下的空气动力学性能进行了数值仿真.研究了不同横风风速下,直线上两列高速列车同向并行运行时的空气动力性能,并与单车运行时情况进行了对比.计算结果表明三种情况下,双车并行运行时的迎风侧车身受到的纵向气动阻力最大,背风侧车体受到的纵向气动阻力最小;相同列车速度和横风速度下,单车运行时横向气动力最大,双车并行运行时,背风侧车体受到的气动力最小.     

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。     

基于模态相关性的高速受电弓静强度分析

为了分析高速列车在运行时空气对受电弓的影响程度,提出了一种基于模态相关性的静强度分析方法。通过有限元仿真软件计算得到受电弓的模态参数,同时搭建与有限元模型相同高度的高速受电弓模态测试系统,将得到的试验模态参数与仿真结果进行相关性评估,验证高速受电弓有限元模型的可靠性。考虑空气动力学在列车运行时对受电弓的影响,对施加风阻接触力的受电弓有限元模型进行静强度分析。分析结果表明,高速受电弓满足强度要求。     

基于CFD空气动力制动风载荷试验台仿真设计

借鉴风洞试验收缩段的收缩比和收缩曲线的设计,基于CFD借助数值仿真手段,对风载荷试验台的关键部件风源和出风口风道分别进行了选型及改进设计。通过对不同方案的制动风翼所受气动阻力、最大最小风压及压力分布图和流场流线均匀度等性能指标进行对比研究,同时将各方案中制动风翼受力数据与设计指标进行比对,最终选择型号为9-19-No.16D的高压离心风机和经过改进设计后的出风口风道组合方案。计算结果表明:该组合方案产生的气动阻力14 751 N和最大风压14 601 Pa相对设计指标气动阻力13 k N和最大风压11 000 Pa,分别增大了13%和32%;同时压力云图分布也与装于列车的制动风翼类似;在流场均匀度方面,流线图较均匀规则,内部涡流区较小,造成的压力损失小,外部涡流区较少。综合评价,该组合方案能够很好地满足空气动力制动风载荷试验台的要求。     

高速受电弓开闭口运行气动特性及对比研究

受电弓的气动性能严重影响其受流质量,是高速列车安全运行的关键要素之一。基于计算流体动力学理论,建立高速受电弓空气动力学模型,对比分析了高速受电弓在开口和闭口两种运行状态下的流场结构和气动力特性。数值模拟得到的受电弓气动阻力与风洞试验误差为4.07%,弓头气动升力的误差为7.95%。研究结果表明:在研究的速度等级范围内,高速受电弓开口运行气动阻力比闭口运行大2.24%～3.33%,弓头升力较闭口运行大5.45%～7.98%;不同开闭口运行状态对弓头滑板升力的影响较小。在同一开闭状态下,当高速受电弓运行速度大于等于400 km/h时,气体压缩效应对受电弓气动阻力的影响较大,且随速度的增加而增大,然而,气体压缩性对弓头气动升力的影响较小。     

夹心式压电超声换能器声场分析

对谐振频率为28.4 kHz的夹心式压电超声换能器声场进行仿真分析,研究空化气泡对声场分布及噪声的影响。以COMSOL软件压力声学接口为基础,对换能器进行瞬态分析,观察有无空化气泡时空间内的声压分布情况,对比两种情况下截点位置的声压变化曲线及频域分布曲线。通过试验对仿真结果进行验证,确认空化气泡的存在增强了空间中的声场,使水中最大声压值由8×104 Pa增大至2.5×105 Pa,空气中最大声压值由80 Pa增大至140 Pa。水中的高声压区集中在空化区域内,空化区域后方的声压减弱。与此同时,空化气泡使空气中的低频噪声增加,截点位置的声压幅值由原来的2 Pa增大至4 Pa。     

[设计与优化]市域铁路智慧站台门系统关键技术

针对市域铁路站台门面临的多种车型混跑、列车高速过站风压对站台门产生冲击等现状,提出了智慧站台门系统设计的关键技术及方案。基于升降式站台门技术实现了对多种车型车门位置的兼容,应用智能候车引导技术实现了乘客乘降出行的智能指引,通过智慧运维技术实现了设备的预防性维修和可靠性运营。同时,构建了车站区间气体流动的不可压缩三维不定常紊流模型,仿真分析了列车高速过站过程中气流流动特性,通过数值仿真求解了不同过站速度下站台门承受的风压冲击,并结合试验测试对其进行了验证。研究表明,当列车过站速度达到220 km/h时,距离站台边缘1.2 m处最大活塞风压为1913 Pa,小于设计许用压力2050 Pa。仿真分析及试验结果证明了站台门系统设计的安全可靠性。     

基于MATLAB的受电弓动力学仿真

利用MATLAB函数求解约束方程,建立了受电弓的动力学仿真模型,并以国产SS7型机车的受电弓为算例对受电弓进行了仿真分析.仿真结果表明,该仿真模型可以方便地获得受电弓的动力学参数,为实现受电弓的控制及性能改进提供了理论依据.     

摆式列车受电弓主动控制仿真

建立摆式列车多刚体系统动力学模型、受电弓非线性动力学模型和接触网有限元动力学模型.将受电弓基座通过滚轮安装在车顶的导轨上,使用伺服电动机驱动受电弓框架在导轨上横向运动,实现受电弓横向主动控制.当列车在直线轨道上运行时,利用受电弓的横向主动控制,根据导轨形状约束使受电弓框架同时垂向移动,从而减小弓网接触压力波动.在曲线轨道上,受电弓需要相对车体反向倾摆,使弓网接触点在弓头上的横向位置满足受电弓工作范围要求.并且使受电弓框架垂向位移和侧滚角度足够小,弓网接触压力达到车辆正常曲线通过时的水平.设计两种受电弓导轨外形.采用数值仿真方法,比较分析两种导轨下的控制效果和弓网振动.计算结果表明,直线轨道上和曲线轨道上的受电弓横向主动控制效果明显,能有效提高弓网接触压力最小值,减少离线发生次数,同时不会改变弓网接触压力的平均值.     

受电弓下沉对其气动和声学行为的影响

为研究受电弓下沉对其气动行为和声学行为的影响,建立了考虑安装平台的高速受电弓计算模型,基于计算流体力学和声学类比理论,对受电弓的气动和声学行为展开数值模拟。受电弓下沉高度分别设为100、200、300、400和500 mm,通过风洞试验验证了数值计算方法的合理性。仿真结果表明：随着受电弓安装平台下沉高度的增大,绝缘子和底架迎风面正压减小,受电弓气动阻力减小;安装平台气动阻力先增大后减小,通过优化腔体过渡倾角可显著减小安装平台所产生的气动阻力;当安装平台下沉高度为300 mm、腔体倾角为30°时,受电弓开口、闭口运行时其气动阻力分别减小2.0%、1.8%,整车阻力分别减小1.4%和1.1%;受电弓气动噪声具有明显的主频特性,主要频率约为330 Hz,能量主要集中在400～2500 Hz范围内;安装平台下沉后,绝缘子和底架周围流体流速减小,绝缘子和底座的表面声功率显著降低;安装平台下沉300 mm时,受电弓远场气动噪声最大声压级减小2.02 dBA,平均声压级减小1.31 dBA;受电弓下沉可改善其气动和声学性能。     

Investigation on aerodynamic drag of Korean high speed train (HEMU-430X) due to roof apparatus for electrical device

To explore the need for a roof apparatus for an electrical device, such as a pantograph cover or additional cover, the total aerodynamic drag of HEMU-430X, which is a high-speed train developed in South Korea with a maximum speed of more than 400 km/h, was experimentally analyzed using wind-tunnel testing. Experimental models were selected to a 1/20-scale, 5-car HEMU-430X model and three types of pantograph covers (A streamlined type and two wedge types), along with an additional cover. The experimental Reynolds numbers were 370000–620000. The aerodynamic drag of each car was simultaneously measured using load cells. First, the aerodynamic drag of each car without any roof apparatus was analyzed as the baseline model. Second, according to the variations in the three types of pantograph cover configurations, the aerodynamic drag of each car with pantograph covers was compared with the aerodynamic drag of the basic model. Third, the aerodynamic drag of each car with a pantograph cover and additional cover was compared with the results of the baseline model and baseline model with the pantograph cover. Finally, the aerodynamic drag due to the roof apparatus for an electrical device was investigated and analyzed.     

拖车转向架气动噪声数值研究

拖车转向架作为高速列车最主要的气动噪声声源,由于其结构复杂、细小部件多、周围涡流分布紊乱等,对拖车转向架的气动力和气动噪声认识甚少。采用定常RNG k-ε湍流模型与宽频带噪声源模型对拖车转向架的气动阻力、气动升力和气动噪声声源进行初步探讨,并结合非定常大涡模拟与Lighthill声学比拟理论对其进行远场气动噪声分析。计算结果表明:较大漩涡存在于空气弹簧与抗蛇形减振器之间、迎风侧轴箱与构架侧梁外侧的邻近区域;气动阻力、气动升力与运行速度的平方成正比关系,占总气动阻力最大的部件依次为构架(24.02%)、轮对(19.30%)、枕梁(18.08%)、制动闸片、抗侧滚扭杆、制动盘、构架支架和空气弹簧,枕梁的气动升力最大且占总气动升力的157.88%左右;轮对、构架、制动闸片、制动盘、枕梁、垂向减振器、抗侧滚扭杆等凸起部位的迎风侧表面为拖车转向架的气动噪声源,且构架对拖车转向架总噪声的贡献量最多,其次为轮对,然后为盘形制动装置和枕梁,抗侧滚扭杆、垂向减振器、空气弹簧和横向减振器对总噪声的贡献量较少。拖车转向架远场气动噪声是宽频噪声,具有噪声指向性、衰减性和幅值特性等,主要能量集中在28~56 k Hz频率范围内,中心频率为50 Hz、100 Hz、160 Hz在低频部分能量较大且分布规律不随运行速度的改变而变化。     

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。     

A study on the measurement of contact force of pantograph on high speed train

Appropriate contact force is required for the pantograph on the high speed train to collect current from the catenery system without separation. However, at high speed, large aerodynamic lifting force is generated by the contact plate and the body of pantograph, which may cause wear of the contact wire. In this study, to confirm the interface performance of the pantograph on Korea High Speed Train, a method to measure the contact force of the pantograph was proposed and the related measuring system was developed. The forces acting on the pantograph were clarified and a practical procedure to estimate the forces was proposed. A special device was invented and applied to measure the aerodynamic lifting force. Measured contact forces were displayed by the developed system and evaluated based on the criteria.     

Aerodynamic Characteristics of Isolated Loaded Tires with Different Tread Patterns:Experiment and Simulation

The current research of tire aerodynamics mainly focus on the isolated and simplified tread tire.Compared with the real complex pattern tire,the tread pattern structure and deformed profile of a loaded tire has a greatly influence on tire aerodynamic drag.However,the mechanisms of the isolated loaded tires with different tread patterns effects on the aerodynamic drag are subjects worthy of discussion.The purpose of this study is to experimentally and compu-tationally investigate the aerodynamic characteristics of three tires 185/65 R14 with different patterns under loaded.A wind tunnel test model was first established using three-dimensional(3D)printing with a ratio of 1∶1,and the pres-sure coefficients Cp of the three tires with different patterns are measured.The paper then conducted computational fluid dynamics(CFD)simulations for analyzing the pressure and flow characteristics.The accuracy of CFD simulation is verified by comparing the simulation results with the test results of pressure coefficients Cp,and they are of good consistency.While,the general analysis of pressure coefficients Cp results of the three tires indicates high-pressure area on the windward surface,and occurrence of low-pressure area on the leeward surface,the pressure coefficients Cp of all three tires decreased firstly and then increased along in the air flow direction.The authors finally analyzed the effect of tread patterns on the flow field around the tire and revealed the differences between flow characteristics and aerodynamic drag.The results show that,angle of tire lateral groove has great effect on the flow field characteristics such that;the more the angle of lateral groove agrees with the air flow direction,the less the flow separation and flow vortices,and a minimum observable aerodynamic drag.The research provides a guidance for the design of low aerodynamic drag tires,and helps to illustrate the impact of tire aerodynamics on the car body in the future.     

高速列车横风作用下的非定常气动载荷计算模拟

为模拟横风环境下高速列车所受气动载荷,选择Karman修正风速谱为目标谱,采用线性滤波法（AR模型）模拟了随列车移动点的脉动风速时程。基于风速风压关系,分析了气动载荷的计算方法,引入气动导纳函数,计算了高速列车横风作用下的非定常气动载荷,最后通过MATLAB编程实现非定常气动力的模拟。通过对列车运行速度70 m/s、平均风速为25 m/s工况下的脉动风速及非定常气动力的计算模拟,结果表明,风速时程能量主要集中在0~3 Hz频域段,与列车系统固有的一些振动频率相近,存在引起列车系统共振、引发倾覆事件的可能。