横风对高速列车气动性能的影响

随高速列车在横风下的气动特性急剧变化,安全问题十分突出。本文以京沪高铁CRH型动车组作为典型研究对象,建立三维模型,研究横风风速和列车车速对列车轮轨动力学的影响、单列高速列车在明线横风环境中运行的气动特性,从而得出如下结论：(1)列车在横向风中行驶时,选择列车的气动升力为例,以200 km/h和300 km/h运行的列车在风速从15.1m/s逐渐增加到30.0 m/s分别增加了340.6%和337.2%的气动升力;在风速为15.1 m/s, 22.2 m/s和30.0 m/s时,车速从200 km/h增加到300 km/h时,分别增加了18.3%、19.1%和20.1%的气动升力。由此可知,在横向风环境下列车车体所受的气动升力随着车速和风速的提高而逐渐增大。(2)在横风环境下,列车的迎风侧大部分区域受正压,背风侧大部分受负压,最大正压区域为头车鼻尖处,空气流速在列车上端拐角边缘最高。根据列车长度方向,列车两侧的压强差逐渐减少。通过对高速列车的气动特性进行研究,从而为高速列车风灾防治和运行安全管理提供参考,以及为制定具有自主知识产权的高速风灾安全预警控制系统提供了科学依据。     

横风下高速列车系统动力学的平衡状态法

基于车辆-轨道耦合动力学和空气动力学提出了一种快速计算横风下高速列车系统动力学行为的平衡状态方法.首先,忽略轨道不平顺并利用流固耦合联合仿真方法计算横风下高速列车的平衡状态;然后,将平衡状态下的气动力加载到车辆-轨道耦合动力学模型并计算高速列车动力学响应.利用建立的平衡状态方法,研究了列车在速度为13.8 m/s的横风下以350 km/h速度运行时的流固耦合动力学行为.比较了平衡状态方法和联合仿真方法两种方法下列车姿态、安全性和舒适性指标的差异,计算结果差别在3.26%以内.研究结果表明:平衡状态方法计算横风下高速列车流固耦合的效率更高.     

基于大数据的高速列车气动载荷作用下迭代学习主动控制研究

列车在高速运行的过程中与另一列车相交会时,将产生剧烈的瞬态气动载荷冲击而引起车体瞬间横向振动加剧,导致列车横向平稳性恶化;为了改善列车运行平稳性,采用大数据方法及迭代学习控制思想,提出基于高速列车运行大数据的迭代学习主动控制算法,并进行多体动力学与控制算法的联合仿真,进一步研究控制算法对会车气动载荷幅值变化和会车时间变化的鲁棒性;结果表明:大数据迭代学习主动控制经过5次迭代后对会车气动载荷激扰下的车体横向振动峰值降低52.67%,且控制算法对会车工况变化有较好的鲁棒性。     

气动载荷对高速列车车体疲劳强度的影响

随着列车运行速度的提高,气动载荷对强度的影响越来越显著。为加强列车气动载荷强度,根据高速列车在线路运行实际情况设置了四种气动载荷工况:明线会车,隧道通过,隧道会车和侧风。利用空气动力学原理计算得到四种气动载荷工况的数值,将得到的数值施加到高速列车车体有限元模型上,进行气动载荷的静强度和瞬态响应分析。计算分析结果表明,四种工况下的静强度结果都小于车体材料的允许用的应力,最大位移变形均发生在车体底部;利用Fluent软件仿真获得列车在空旷地带以380km/h速度交会的气动载荷时间历程,接着在ANSYS软件中对车体完成气动载荷瞬态响应分析,得到气动载荷对车体结构强度的影响,为车体强度优化设计提供了参考。     

裙板安装对高速列车气动性能影响的数值分析

为研究裙板安装对高速列车气动阻力及侧风安全稳定性的影响,用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）方法分析国外某高速列车转向架及其周边裙板结构对整车气动性能的影响.在无侧风且列车行驶速度为350km/h时,模拟分析不安装裙板及在不同位置安装裙板情况下列车的气动性能;在有强侧风情况下,模拟分析列车在50～350km/h之间不同行驶速度工况时的气动性能.结果表明,列车底部安装裙板可有效降低列车气动阻力,在头尾第1对转向架处安装裙板对列车气动阻力的降低最有效;在强侧风下,列车底部安装裙板会造成列车的侧向力和侧翻力矩加大,降低列车行驶安全性.     

鼻尖状态对高速列车气动性能的影响

基于三维定常不可压N-S方程以及k-ε两方程湍流模型,分别在无横风和有横风环境下,用有限体积法研究高速列车车头鼻尖不同开闭状态对列车明线运行时气动性能的影响.用FLUENT分析车头鼻尖全开、全闭和半开半闭等3种不同开闭状态的高速列车气动性能,发现车头鼻尖开闭状态对列车侧向力和升力几乎没有影响,但对头车的阻力影响较大,这主要是由于头车鼻尖部分阻力变化较大引起的.在无横风环境下,车头鼻尖开闭状态对头车的气动力矩影响不大,但对尾车的点头力矩有一定影响.在横风环境下,车头鼻尖开闭状态对列车气动力矩影响不大.     

随机风作用下高速列车动力学参数的可靠性优化设计

建立随机风作用下高速列车动力学参数的可靠性优化设计方法．首先考虑自然风的脉动特性，采用Cooper理论和谐波叠加法模拟随车移动点的脉动风速，给出随机风作用下高速列车非定常气动载荷的计算方法．然后建立高速列车车辆系统动力学模型，计算高速列车的运行安全性，并基于可靠性理论，给出随机风作用下高速列车失效概率的计算方法．在此基础上，以高速列车动力学参数为优化设计变量，以失效概率和轮轴横向力为优化目标，采用多目标遗传算法NSGA—II进行动力学参数的自动寻优，建立随机风作用下高速列车动力学参数的可靠性优化设计模型．经可靠性优化计算，高速列车的失效概率由原始的0．4884降低为0．1406，轮轴横向力由原始的45．13kN降低为43．01kN．通过优化高速列车动力学参数可以显著改善随机风作用下高速列车的运行安全性．     

直线轨道涡流制动对高速列车制动动力学特性的影响

列车制动性能直接影响车辆运行安全性和平稳性、稳定性,本文研究了加装直线轨道涡流制动系统对不同动力分配方式的高速列车制动动力学特性的影响规律.首先建立了6M2T和4M4T两种编组方式的列车动力学仿真模型,并与线路实验数据进行对比,验证了模型的有效性.基于该模型,研究了不同时速下的列车在不同动力分配形式下的动力学特性.针对惰行工况、电空制动工况与加装直线轨道涡流制动系统的联合制动工况,分别研究了第1、5、8节车厢的Sperling 指标、脱轨系数、轮重减载率、轮轨作用力的变化规律,研究结果表明,动力分配方式、制动特性对车辆动力学性能有显著影响,涉及的关键动力学性能指标均满足安全限值标准,研究结果将为高速列车加装直线轨道涡流制动系统提供理论参考.     

高架桥声屏障高度对高速列车气动特性的影响

针对现代高速铁路建设中大量采用高架桥的现况,为保证列车安全、舒适、环保运行,给高速铁路建设工程提供参考数据,研究行驶在高架桥上的高速列车气动特性.利用FLUENT模拟单线高架桥声屏障高度对高速列车气动特性的影响.将声屏障分为6种不同高度,不考虑横向风且列车运行速度为200 km/h.地面和高架桥均设为移动壁面边界条件,...     

高速列车通过声屏障的流固耦合振动响应分析

基于三维、非定常、不可压缩Navier-Stokes方程以及k-ε两方程湍流模型,利用计算流体软件FLUENT,对列车通过时路堤声屏障气动力特性进行数值仿真,研究了声屏障上脉动力的变化.建立了高速列车通过路堤声屏障的数值计算模型,采用FLUENT中的滑移网格技术,对声屏障时产生的气动力进行数值模拟,列车速度分别为200km/h、250km/h、300km/h、350km/h.通过计算得到不同列车速度下声屏障上气动力的大小和变化情况,分析了气动力沿声屏障垂向和声屏障纵向的变化规律,并拟合了声屏障压力波幅值与列车速度的关系式.在ANSYS Workbench软件中建立了声屏障的结构计算模型,将声屏障上的气动力作为外部荷载加到声屏障上,对其进行了模态分析和瞬态动力学分析.     

基于数值计算的高速列车气动阻力风洞试验缩比模型选取方法

为给高速列车气动阻力风洞试验模型选取提供更多的参考依据,通过计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法,研究不同比例的高速列车缩比模型对气动阻力风洞试验结果的影响.首先,计算得到开口式风洞测试段的静压系数分布曲线,为高速列车气动阻力测量试验模型的长度选择以及摆放位置提供依据;其次,通过数值计算得到全尺寸模型列车在明线运行时,以及不同比例的模型列车在风洞中运行工况下的气动阻力信息,并从阻塞效应和雷诺数的变化,以及风洞试验段内静压分布的影响这3个方面对列车模型的气动阻力结果进行分析,得到在所研究风洞中较合理的列车缩比模型比例选取范围.这种以CFD为基础进行数值仿真,选取风洞试验中列车模型比例及试验测试位置的方法,为在地面交通工具风洞中进行高速列车模型气动阻力试验的缩比模型选取提供一定依据.     

高速列车设备舱底板折边气动阻力和底板刚度分析

为研究高速列车设备舱底板折边气动阻力及折边对底板刚度的影响,按实际折边分布情况对列车头部和底板进行几何建模,分析列车以350 km/h,380 km/h和430 km/h运行时列车头部底板折边的气动阻力;分析有、无折边情形下底板在相同竖向均布载荷和约束作用下的变形.结果表明,不同车速下底板折边的气动阻力分布相似,且随着车速的提高而增大;降低折边高度对满足列车轻量化要求、提高列车运行速度有积极贡献;折边对底板的刚度有较大的贡献.     

基于流入角实时变化的气动性对操纵稳定性的影响

为研究汽车受侧风影响时风压中心线位置对整车操纵稳定性的影响,在CCM+软件中计算不同风速和不同流入角下的气动力,获得气动力与风速和车速的合速度以及流入角的初始关系曲线.利用MATLAB和Adams/Car联合仿真,搭建空气动力学和车辆动力学的双向耦合模型,以风压中心线与质心的距离为变量进行仿真分析.结果 显示,随着风压中心线由质心前方移动到质心后方:在开环仿真工况中,车辆的侧向位移会减小,但是如果风压中心线位于车辆后方超过一定的距离,车辆会在气动力产生的横摆力矩作用下向另外一侧偏移;闭环仿真工况中,当风压中心线穿过车辆质心时,由于侧向力的存在,方向盘依然需要一个很小的转角以维持直线行驶,风压中心线需要继续后移以保证方向盘稳态时的回正.     

Aerodynamics of high speed trains passing by each other

A three-dimensional flow field induced by two trains passing by each other inside a tunnel is studied based on the numerical simulation of the three-dimensional compressible Euler/Navier-Stokes equations formulated in the finite difference approximation. A domain decomposition method with the FSA (fortified solution algorithm) interface scheme is used to treat this moving-body problem. The computed results show the basic characteristics of the flow field created when two trains pass by each other. The history of the pressure distributions and the aerodynamic forces acting on the trains are the main areas discussed. The results indicate that the phenomenon is complicated due to the interaction of the flow induced by the two trains. Strong side forces occur between the two trains when the front portion of the opposite train passes by. The forces fluctuate rapidly and the maximum suction force occurs when two trains are aligned side by side. The results also indicate the effectiveness of the present numerical method calculating moving boundary problems.     

底部导流板形式对高速列车气动阻力的影响

为减小高速列车运行时的气动阻力,设计直式、斜式、内圆弧式和外圆弧式等4种转向架前后底部导流板的高速列车模型.通过风洞试验验证数值模拟方法的有效性,采用数值计算分析底部导流板对列车气动阻力和底部流场的影响.结果表明：不同形式底部导流板的列车总阻力相差可达20%,其中头车气动阻力因数极差值最大为0.062.导流板影响列车底部气流速度和转向架区域压力分布,其导流作用使得转向架区域气动阻力和转向架的阻力同时改变.转向架前后导流板的导流效果越好,转向架区域的气动阻力越小;同时,气流冲击使得转向架上的滞止压力增大;在二者的共同作用下高速列车的总阻力存在一个较小值.底部采用直式导流板对降低全车气动阻力的效果最好.     

On unsteady aerodynamic airfoil loads in the design of a control system for minimizing the effect of wind perturbations using the rudder on the trailing edge of the wing

The problem of minimizing wind perturbations using the control on the trailing edge of the airfoil is considered for an airfoil passing through a short wind gust. It is considered that the airfoil movement is bounded by two degrees of freedom, viz. in pitch and height, and each channel has an elastic spring that simulates torsional and bending stiffness of the wing. The study is held on the basis of the developed mathematical model for unsteady aerodynamic loads (the lift coefficient and the pitching moment) when a thin two-dimensional airfoil is flowed without separation by a flow of ideal incompressible fluid. The results obtained using this mathematical model and the conventional quasi-steady model on the basis of aerodynamic derivatives are compared. It is shown that the stability properties for the quasi-steady and unsteady aerodynamics models differ in a wide range of parameters of the airfoil movement considered. Moreover, taking into account the unsteadiness of aerodynamics when designing a control system allows us to suppress the wind perturbations more efficiently and counts when determining the requirements on the actuator rates necessary to suppress wind gusts of high amplitude.     

Dynamic response of bridges to moving trains: A study on effects of random track irregularities and bridge skewness

This paper describes research undertaken to consider the dynamic responses of an existing railway bridge subjected to moving trains. The study investigated dynamic effects produced by different service trains, as well as the influence of random track irregularities and bridge skewness. This research was carried out using the dynamic bridge–train interaction (DBTI) model developed and previously verified by the authors. Generally, dynamic amplification of displacements was found to be moderate and compared favourably with recommendations of current design codes. The use of complex numerical models for bridge–train dynamics produced detailed dynamic responses; such results may be quite beneficial to bridge owners in the assessment of existing bridges which exhibit excessive dynamic responses. Random track irregularities were found to have minor effects on the dynamic amplification factors and bridge accelerations; however, lateral responses of the bridge were considerably affected by irregularities. Effects of irregularities were more pronounced in train responses; generally, the train responses increased with decreasing track profile quality. Bridge skewness was found to increase fundamental natural frequency of the bridge; this leads to a shift in the dynamic amplification factor towards higher speeds and alterations of its magnitude. Three-dimensional models were found necessary for accurate predicting of this response.