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。     

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。     

传感器阵列测板脉动压力测试方法

高速列车脉动压力测试中,为消除传感器自身尺寸对测点脉动压力的影响及脉动压力在导压管内发生畸变而产生的测试误差,提出传感器阵列测板的脉动压力测试方法。以某CRH型高速列车为研究对象,采用PRO/E软件建立1∶1尺寸模型,在ANSYS ICEM软件中对计算区域进行网格划分,利用大涡数值模拟(LES)方法计算车体表面压力,确定车体表面监测点位置及数量。研究表明:车体侧面沿X方向的脉动压力不具有时间相关性;列车线路试验时,用设计好的传感器阵列测板取代列车表面外壳,能有效避免传感器自身尺寸引起的干扰以及导压管内产生的压力损失。     

高速地铁列车空气阻力数值模拟研究

针对高速地铁列车空气阻力直接影响列车运行速度、能耗及安全,采用三维数值模拟方法对6编组全尺寸列车运行在设置有通风竖井的区间隧道的列车空气阻力进行研究,对隧道内空气阻力随时间变化、列车各节车厢阻力的分布特性、每节车厢转向架在整车阻力所占的比重情况进行分析.研究结果表明:列车逐渐向竖井靠近的时间段内,阻力系数一直在下降,最小值为1.57;在经过竖井的时间段,阻力系数大大增加,最大值为4.85,是最小值的3.08倍.列车匀速行驶时,尾车空气阻力在整车中占比最大,头车略小,分别为39.6％和24.7％;过竖井正下方时,头车空气阻力占比是整车的一半之多,达到了53.9％.过竖井前,前5节车厢转向架阻力在35％～45％内波动,尾车的仅占12.7％;过竖井时,4车厢转向架阻力占比最大,最大值为52.7％,头车的降到了17.0％;过竖井后,中间4车厢转向架区域占比最大,头车尾车的占比略小.     

高速铁路腔室耗能型风屏障气动冲击力的动模型试验研究

高速铁路沿线的防风屏障因经常受到列车风和横风的气动冲击作用,其自身结构稳定性十分重要。利用高速列车动模型平台进行列车运动对腔室耗能型风屏障产生气动冲击的1∶8缩尺模型试验。测试了不同车型的列车以不同车速通过风屏障区域时,在风障不同位置处产生的气动压力,并分析气动压力的变化规律。研究结果表明:高速列车通过风障区域时,对风障各部分均形成了"正-负-负-正"的脉动压力;随着列车车速的增加,气动冲击压力幅值增大,头车波和尾车波换向时间减小,压力变化率增大;压力极值及变化率与车速的二次方相关,不同车速下的压力系数几乎相等;风障不同高度处压力波的变化趋势相同,但幅值不同,在列车鼻锥高度区域出现最大值;不同车型的列车在相同车速下对风障气动冲击作用趋势相同,但幅值不同,钝体头型列车的气动压力大于子弹头型列车的;随着风障距轨道中心线距离增大,列车脉动压力逐渐减小,其中头车波峰减小最为明显,与安装间距近似成线性关系。     

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。     

高速磁浮列车气动升力特性

高速磁浮列车的气动升力是列车悬浮和导向控制的关键气动载荷,以五辆编组高速磁浮列车为研究对象,利用数值计算方法分析高速磁浮列车气动升力的分布规律,研究列车气动升力的影响因素,结果表明,头车和尾车的气动升力分布最为恶劣,车体底部结构对气动升力的分布影响很大,车体底部与轨道梁之间的气隙流场特性决定了气动升力的分布规律。根据高速磁浮列车气动升力的分布规律,提出一种通过控制气隙空间的空气流量来控制列车气动升力的方法,数值计算和风洞试验表明,气动升力控制方法能够显著改变列车的气动升力,实现列车气动升力的精确控制,指导高速磁浮列车的气动升力工程设计。     

基于Fluent的高速列车气流噪声数值模拟

研究表明车辆气流噪声主要取决于车辆表面的脉动压力,因此研究车辆表面的脉动压力对控制车辆气流噪声具有十分重要的意义。以高速列车为研究对象,基于大涡模拟,结合Fluent声学模块,计算出高速列车表面的脉动压力;并通过快速傅里叶变换将高速列车表面脉动压力从时域转换到频域,从而得到高速列车脉动压力频谱图,通过分析频谱图,可以得到高速列车脉动压力的能量集中范围以及车身曲率对气流噪声的影响等一些重要特性,为降低车辆气流噪声提供参考。     

高速动车组振动传递及频率分布规律

运行速度提高后,列车对轮轨激扰的敏感性增强,轮轨激扰频率范围进一步增大,深入研究高速动车组振动及传递规律对全面认识车辆系统振动特性具有重要意义。在车辆上布置加速度和空气压力传感器,获得了武广客运专线高速动车组车辆轴箱、构架以及车体振动加速度和隧道通过车体表面气压变化,给出振动加速度功率谱密度计算方法;对照列车运行速度图,分析典型工况如高速直线、低速直线、道岔通过以及气动压力等工况下,列车系统关键部件振动加速度峰值、幅值、主振频率以及振动频率变化、能量衰减和传递规律;在引入加速度谱的基础上,给出了测试里程内系统振动频次和振动幅值之间对应关系。研究结果表明,与列车运行速度和车轮半径对应的轮轴转动频率在轮对、构架和车体振动中均有明显体现;列车运行速度越高系统振动加速度峰值越大,道岔通过可激起车辆系统振动幅值更大的振动,隧道通过气压变化对车体振动有明显影响;高速列车轮轴系统主振频率一般为400～600 Hz,构架为0～50 Hz、车体主要为0～2 Hz;从轮轴、构架到车体这一振动传递过程中,车辆系统加速度谱密度和幅值一般呈两个和一个数量级衰减趋势。     

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。