基于重叠网格的三维车桥系统气动特性研究

该文基于重叠网格方法,建立了移动列车的数值模型,研究了横风作用下三维车桥系统的绕流气动特性。通过与相关试验和文献对比,验证了重叠网格方法可以较好地模拟列车的运动;然后对横风作用下车桥系统的绕流流场进行分析,讨论了考虑列车运动后车桥气动力的变化。研究结果表明:由于列车风与横风的叠加以及车桥之间的气动干扰,使车桥系统横风绕流流场发生明显的改变;列车运动对前方空气的压缩作用使头车所受气动力最大,同时桥梁气动力也会发生突变。     

气动力作用下高速车辆横向稳定性分析

从气动弹性力学角度出发,以17个自由度的高速列车车辆模型为研究对象,基于准定常气动力的假设,建立了气动力作用下的车辆横向运动微分方程。采用特征值分析理论确定了线性系统的临界蛇行速度,分析了气动力对车辆蛇行临界速度及曲线通过性能的影响;采用数值积分方法研究了车辆在气动力和轮缘力联合作用下的极限环响应。结果表明:气动力对高速列车车辆横向稳定性、曲线通过性能及极限环振动有着较为明显的影响。     

考虑高架桥和风屏障影响的高速列车龙卷风荷载特性研究

针对高速列车在龙卷风等局地强风作用下的运营安全,开展了高架桥上高速列车在模拟龙卷风作用下气动力识别刚体模型测压实验,研究了不同龙卷风中心作用下列车气动力的空间分布特征,评价了风屏障对列车气动力的影响。结果表明:相比混凝土栏杆,风屏障将减小龙卷风作用下列车的整体阻力、升力和倾覆力矩系数的最不利值,但会增加整体俯仰和横摆力矩系数最不利值。采用风屏障将改变“气流?车?桥”间的相互作用机制,从而改变列车整体风力系数最不利值发生的龙卷风中心位置。风屏障高度对列车整体风力系数各分量的影响规律不相同。     

风屏障对平层公铁桥上列车气动特性影响的风洞试验研究EI北大核心CSCD

基于列车测压试验,以平层公铁桥梁和CRH2列车为背景,分析了风屏障对平层公铁桥上列车表面风压分布的影响,研究了有无风屏障时列车表面压力以及气动力的跨向相关性的变化规律。研究结果表明:设置风屏障后,列车迎风面与背风面、顶面和底面风压差随风屏障透风率的减小而减小,使得列车总体侧力和升力减小,风屏障透风率为20%时,列车表面脉动压力分布较均匀,有利于桥上列车运行时的安全与舒适。风屏障的防风效果不会随着风屏障高度的增加一直变好,透风率为40%时,风屏障存在一个最优高度3.5 m。风屏障透风率对列车迎风面以及顶面圆弧过渡段表面风压的影响明显大于高度。设置风屏障后,列车底面和背风面测点压力跨向相关性更好,风屏障的挡风效应增强了这两部分展向流场的一致性,使流体的脱落点更一致。随着跨向间距的增大,气动力的相关性越来越差,风屏障对气动力的跨向相关性较无风屏障时弱,设置风屏障时跨向间距超过5倍列车高,气动力完全不相关。     

风屏障对车桥组合状态下中间车辆气动特性的影响

设置风屏障是提高行车安全的有效措施之一,但防风效果受风屏障参数、周围环境等多种因素影响。基于同步测压方法,结合本征正交分解技术对风压测点进行加密后通过积分获得气动力,以京沪高速铁路典型高架桥和CRH2列车为背景,研究多种风屏障参数对典型车桥组合状态下中间车辆气动力和风压分布的影响。研究结果表明:测压积分可获得与天平测力精度相当的气动力;风屏障对上游列车的防风效果显著,下游列车气动特性则受之影响较小;相对而言,风屏障透风率大小对列车气动特性影响较大,高度影响较小,且二者存在一个最优组合;设置风屏障后,尽管平均气动力会减小,但最大气动力由于特征紊流的影响可能会增大,风屏障参数应通过风洞试验或数值模拟慎重选取。     

横风下移动列车非定常气动力计算

为研究横风对移动列车非定常气动力的影响,该文介绍了两种获得移动列车脉动风速时程的模拟方法;基于准定常理论和气动权函数方法,推导了能同时考虑三个方向的湍流脉动和不同横风风向角效应的移动列车非定常气动力计算公式;通过数值算例,研究了不同参数对计算结果的影响。研究结果表明:通过气动权函数方法得到的非定常气动力会出现滤波和时间滞后效应;当考虑更多方向的湍流分量时,会获得更大的力脉动;横风风向角和侧向湍流分量会分别影响非定常力的均值和变异系数。     

高速铁路风障在横风与列车风耦合作用下的气动特性研究

针对单层、腔室型两种形式的开孔波纹板风障,采用滑移网格方法分别模拟横风条件下高速列车通过风障区域的过程,分析了在横风和列车风耦合作用下风障周围的绕流流场特性、风障面板气动荷载的时域特性及横风与列车风耦合脉动压力的频域特性。结果表明:在高速列车行经风障区域的过程中,无横风时头车产生的冲击作用要大于尾车的;存在横风作用时,列车头车产生的气动冲击作用与横风作用形成对冲,抵消了部分横风能量,而列车尾车则与横风作用相叠加,放大了横风对风障的气动作用;单层风障通过改变横风流向起到挡风减载作用,而腔室型风障同时可在腔室内部及尾流形成大量小漩涡来消耗横风能量,使用腔室风障能显著降低单个风障面板的气动荷载;该研究中,横风与列车风耦合作用于风障的脉动压力以及气动荷载的主频谱峰值集中在0.5~5 Hz内。     

基于可靠度理论的桥上列车横风安全性分析

基于可靠度理论,分析风荷载作用下高速列车在桥上的运行安全性,利用失效概率来评价桥上列车横风安全性。首先由风洞试验获得的列车和桥梁的气动力系数,计算列车和桥上的气动力,然后建立风荷载作用下车桥耦合系统分析模型,计算不同平均风速下高速列车以不同车速在桥上运行时的安全性评价指标,最后基于可靠度理论计算高速列车桥上运行的失效概率。以兰新铁路第二双线上的十跨简支槽型梁桥为例,分析横风作用下高速列车桥上运行时的失效概率,并与确定性分析方法比较,结果表明:随着列车运行速度和平均风速的增加,车桥系统的失效概率增加;相同车速及平均风速时,拖车比动车的失效概率大;采用确定性方法获得的列车特征风曲线,对动车其大致与失效概率10%的列车概率特征风曲线相当,对拖车则对应着更低的失效概率。     

蝶形防风网的体型系数和角度风分配系数

针对蝶形防风网的风荷载采用天平测力风洞试验方法进行研究,获得不同风向角两种密实度防风网的气动力系数,分析单体和有周围防风网干扰下气动力系数的差异,并将气动力系数与各国规范及文献结果进行对比,最后给出了蝶形防风网的体型系数和角度风分配系数的建议值。研究表明：蝶形防风网气动力系数的雷诺数效应不显著;对于70%密实度的防风网,单体情况下正面风吹的体型系数大于背面风吹,而有周围防风网干扰情况下规律则相反,其原因为有周围防风网干扰情况下背面风吹的兜风效应更显著;防风网体型系数的试验值与AS/NZS规范非常接近;60%和70%密实度防风网体型系数的建议值分别为1.06和1.10,垂直网面的角度风分配系数建议采用风向角的余弦值。     

基于可靠性的高速列车横风安全性分析

基于可靠性理论,研究随机风作用下高速列车安全运行的可靠性和风险性。首先建立了随机风的数值模拟方法,并给出了随机风作用下非定常气动载荷的计算方法。然后建立高速列车多体系统动力学模型,计算不同随机风速作用下高速列车以不同车速运行时的失效概率及其对均值和标准差的灵敏性,推导了全局可靠性灵敏度的极值及极值点的计算公式,并给出了概率特征风速曲线。研究结果表明：随着车速和风速的增大,系统的失效概率增大;当车速固定时,失效概率对均值的灵敏度存在一个极大值,失效概率对标准差的灵敏度存在一个极大值和一个极小值。传统确定性方法得到的高速列车的安全域曲线偏于保守,基于可靠性的方法可得到更合理的安全域曲线。     

桥梁风障挡风性能的试验研究

本文通过测速风洞试验,得到了孔隙率、障条宽度对桥梁风障挡风性能的影响规律,并对桥梁风障的模拟方法及其挡风性能评价参数进行了研究。试验结果表明,风障有效挡风高度约为2.0H（H为风障高度）,在1.0H范围内,风速降低较多,在1.0H高度处,流场湍流度达到最大。孔隙率对风障挡风性能影响较大,随着孔隙率的增大,风障下游风速增大,湍流度减小。障条宽度对风障挡风性能影响较小,相同孔隙率时,障条宽度对风障下游湍流度的影响可以忽略。按压力等效定义的风速折减系数较好反映了风速的变化规律,能够来用定量评价风障的挡风效果。     

防雪栅与路基间距对路基积雪分布影响规律的数值模拟研究

防雪栅是目前道路风吹雪灾害地区主要的防护设施,该研究结合数值模拟和现场实测方法,研究防雪栅与路基的布置间距对路基周围积雪分布的影响规律,进而分析积雪堆积机理。结果表明:数值模拟结果与现场实测结果有很好的对应关系,验证了结果的正确性;随着路堤与防雪栅间距的增大,路堤两个坡脚处的风速减小区范围均呈先增大后减小的趋势。路堤表面各部分的剪切速度均呈先增大后减小又增大的趋势,透风率为60%的防雪栅与路堤的最不利组合间距为16.67倍的防雪栅高度;随着路堑与防雪栅间距的增大,路堑内部积雪不易消除,因此防雪栅对路堑的挡雪效果不佳;运用剪切速度能够清晰地判断路基表面的积雪堆积与侵蚀,建议在风吹雪灾害频发地区修建铁路前可先采用该方法对工程表面的积雪堆积与侵蚀进行预判断,可合理确定工程中防雪栅布置的位置。     

风屏障对高架桥上列车气动特性影响机理分析

基于同步测压技术,以京沪高速铁路典型高架桥和CRH2列车为背景,研究风屏障对典型车桥组合状态下列车的风压分布和各面气动力分布特征的影响,以分析风屏障的气动影响机理,并从流体力学角度进行解释。研究结果表明:风屏障对上游列车气动特性影响较大,下游列车由于处于尾流中,受之影响较小;设置风屏障后,上游列车由于迎风面风压由正变负,使得该面的侧力与背风面相反,故使总体侧力减小,车顶平均风压显著减小,使得车顶升力约增大50%,背风面和车底风压变化较小;风屏障透风率及高度取值需根据具体环境进行优化,并需注意防风效果并不与减小平均风速等同。     

桥梁风屏障的气动效应及其对高速列车运行安全的影响分析

基于风-车-桥系统动力分析模型,分析了风屏障对车桥系统气动效应及桥上高速行驶车辆运行安全性的影响。以新建兰新铁路百里风区跨度16 m简支槽形梁为工程背景,通过风洞试验测试了有、无风屏障时车辆、桥梁的三分力系数,然后对强侧风作用下车辆通过桥梁时的动力响应进行了数值模拟,综合分析得到了保证列车在桥上运行安全的风速-车速阈值曲线。结果表明,对未设置风屏障的桥梁,当风速超过15 m/s即应限速行驶;而设置风屏障后,桥上车辆的运行安全性指标得到了极大地改善,即使风速达到40 m/s,列车仍可以260 km/h的速度安全运行。     

CONTROL OF FUGITIVE DUST BY WINDBREAKS

Fugitive dust generated by industrial haul roads can be reduced by windbreaks placed upwind or downwind of the road. For an elementary wind profile downwind of a windbreak, the fractional efficiency has been predicted as a function of downwind distance, wind speed and windbreak height and porosity. An analytical model and computer algorithm are proposed to enable engineers to predict the fractional efficiency for any source and wind profile of their choosing.     

CONTROL OF FUGITIVE DUST BY WINDBREAKS

Fugitive dust generated by industrial haul roads can be reduced by windbreaks placed upwind or downwind of the road. For an elementary wind profile downwind of a windbreak, the fractional efficiency has been predicted as a function of downwind distance, wind speed and windbreak height and porosity. An analytical model and computer algorithm are proposed to enable engineers to predict the fractional efficiency for any source and wind profile of their choosing.     

基于谱元法的复杂地形风场大涡模拟

以Askervein山为研究对象,基于开源平台Nek5000,自编程序完成复杂地形下谱元法的网格建模,添加计算湍流粘性项子程序,对复杂地形风场进行大涡模拟,并与场地实测数据及其它数值结果进行对比。结果表明,谱元法的大涡模拟结果与Askervein山的场地实测结果符合较好,表明该方法在复杂地形风场的预测上有较高的精度,可用于复杂地形的风能资源评估。     

考虑摩擦速度修正的风致积雪重分布模拟方法研究

采用拉格朗日方法模拟了风致积雪漂移现象,在数值模拟中考虑了颗粒运动后质量浓度对雪层表面摩擦速度的修正。以立方体周围积雪重分布为例,考虑了摩擦速度修正与否对模拟结果的影响。在低风速下,考虑摩擦速度修正对模拟结果的影响不显著。在高风速下考虑摩擦速度修正后,立方体附近颗粒较多的马蹄形区域内摩擦速度与质量浓度的变化最为显著。风速越高,计算域中雪粒总数的减少幅度越大,计算域内的侵蚀或沉积质量通量也越大。