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。     

不同类型风沙环境下高速列车气动特性分析

为研究风沙耦合作用对高速列车运行状态的影响,基于流体动力学理论建立高速列车空气动力学模型。采用三维、定常、不可压雷诺时均Navier-Stokes方程和标准κ-ε两方程湍流控制模型,模拟计算列车在平地、路堤和桥梁上行驶时的气动特性。沙粒采用欧拉-拉格朗日方法进行离散化处理,气流为连续化处理,这种处理方式与风沙自然状态非常吻合。研究结果表明：高速列车在有沙环境下的表面压力远大于无沙环境;列车头车受到的气动阻力最大,且沙粒对头车阻力的影响极为显著,较无沙环境头车阻力增加了（10～12）%;头车受到的倾覆力矩最大,尾车受到的倾覆力矩最小,方向与头车的受力相反;桥梁路况最大正压区相对较大,且列车两侧压力差最大,桥梁迎风侧凹槽处产生漩涡,背风侧产生双回流现象,致使气动性能最差。     

基于伴随方法的高速列车头型气动优化

为改善高速列车明线运行时的气动性能,基于伴随方法和径向基函数网格变形技术,开展高速列车头型气动优化设计。采用径向基函数网格变形技术,避免列车头型优化过程中的网格重复生成,提高头型优化的效率。通过伴随方法求解目标函数对列车头型的敏感度,无须定义任何的头型设计变量,避免人为指定设计变量对优化结果的影响。将网格变形技术、伴随方法及计算流体动力学（Computational fluid dynamic,CFD）方法相结合,构建高速列车头型优化设计流程,选取整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多目标气动优化设计。结果表明：伴随方法可以有效地应用于高速列车的头型优化;优化后,在满足约束条件的情况下,列车的整车气动阻力减小2.83%,尾车气动升力减小25.86%;气动阻力减小主要位于头尾车流线型部位,中间车和头尾车车体气动阻力基本保持不变;尾车气动升力减小主要位于流线型部位,尾车车体向下的升力绝对值也有所减小。     

横风环境下明线运行列车气动特性分析

为研究在横风环境下列车的气动特性,以3辆编组列车作为研究对象,首先结合风洞试验验证Fluent软件数值模拟的可行性,其次对车速为300 km/h下五种横风速度工况进行数值模拟研究。分析结果表明：在车速一定时,随着横风速度的增大,头车受到的侧向力上升且其值最大;中间车侧向力和阻力均有所上升,升力先增大后减小;尾车的侧向力和阻力始终上升,升力先升后降;同时在列车背风侧则会有漩涡不断生成、脱离、融合。     

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.     

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。     

扰流板安装方向对高速列车的气动性能影响

采用结构网格对计算区域进行离散,采用DES湍流数值模拟方法,研究高速列车尾部横向、竖向或斜向地安装扰流板对车的气动性能影响,找出扰流板安装的合理方向。研究结果表明:安装横向或竖向扰流板后,尾部的气动阻力变大,升力减小,而安装斜向扰流板后,尾部的气动阻力与升力均减小。因此,列车尾部扰流板的合理方向为斜向安装。     

400km/h高速动车组列车气动外形设计选型

为提升动车组列车设计方案气动外形的选型效率,保证列车良好的气动性能,提出基于数值模拟方法的高速动车组列车气动性能评估模型,并利用流体力学分析软件Fluent对时速400 km/h的7种型号的8编组动车组列车设计方案进行气动性能分析,包括各车体及整车的压差阻力、阻力、阻力系数、升力、升力系数等气动参数。结果表明:整车的压差阻力、整车阻力、整车阻力系数、尾车升力、尾车升力系数在揭示最佳气动外形方案时结果基本是一致的。提出的列车气动评估方法和气动参数有利于对列车设计方案中的最佳气动外形选型。     

不同形式的风挡对高速列车气动阻力及升力的影响

为了探究不同形式的风挡对高速列车气动性能的影响,运用数值模拟的方法,采用三维、定常、可压缩雷诺时均方程和κ～ε两方程湍流模型,对配备了3种不同形式风挡（仅具内风挡、内风挡+半开放式外风挡、内风挡+全封闭式外风挡）的3辆编组的CRH380A型高速列车的气动性能从气动阻力和气动升力两个方面进行了研究。研究表明,采用不同形式风挡的高速列车的气动阻力系数：仅具内风挡工况>内风挡+半开放式外风挡工况>内风挡+全封闭式外风挡工况,可见采用内风挡+全封闭式外风挡有利于减小高速列车在运行过程中的气动阻力;当列车运行速度低于350 km/h时,采用不同形式风挡的高速列车的气动升力系数：内风挡+全封闭式外风挡工况>仅具内风挡工况>内风挡+半开放式外风挡工况;仅具内风挡时,头车和尾车升力系数的绝对值较大,增加外风挡后头尾车升力状况有所改善。     

高速列车不同位置受电弓非定常气动特性研究

为研究高速列车不同位置受电弓的非定常气动特性,基于计算流体动力学理论,建立高速列车空气动力学模型。列车模型采用八节编组,包括头车、六节中间车和尾车。受电弓为双弓模型,包括一个升弓和一个降弓,安装于第一节中间车的前端或后端,或者安装于第六节中间车的前端或后端。采用分离涡模拟(Detached eddy simulation,DES)方法对明线无横风环境下运行的高速列车周围流场进行数值模拟,列车运行速度为350 km/h,得到高速列车不同位置受电弓受到非定常气动力的时域特性、频域特性以及受电弓周围非定常流场结构。结果表明:受电弓安装位置沿列车纵向向后,受电弓气动阻力和升力的时域均值都呈减小的趋势;升弓开口运行时,受电弓气动升力时域均值都小于闭口运行时,升弓滑板气动升力和侧力的波动幅值也都小于闭口运行时;升弓滑板的升力和侧力波动呈现典型的宽频分布特性,其主要频率位于0~300 Hz范围内。