横风作用下公铁同层桥上汽车-列车的气动特性风洞试验研究（英文）

横风作用下桥上车辆的运行安全性和舒适性已得到越来越多的关注。准确了解桥上车辆气动特性是评估强风作用下行车安全性和舒适性的基本前提。由于公铁同层桥上汽车和列车存在显著的相互气动影响,使得车辆气动特性更为复杂。本文以集装箱卡车和CRH2高速列车为例,通过风洞试验对某大跨公铁同层桥上车辆气动特性开展研究。试验结果表明,公铁同层桥上列车与公路车辆之间的空气动力干扰随着列车(轨道上游,轨道下游)和公路车辆(迎风侧,背风侧)的位置以及轨道上放置的列车数量而变化;列车对上游的公路车辆气动力影响较小,对下游的公路车辆影响较大,且公路车辆侧力系数受列车干扰效应最为显著;桥上公路车辆仅对列车有限宽度的表面压力分布有影响,对该范围内的列车升力系数影响最大,列车的其他气动力则主要受相邻列车气动干扰的影响。     

侧风作用下双车桥上交会的气动特性（英文）

双车交会是风-车-桥耦合系统的控制因素。为测试在侧风作用下双车交会时列车的气动特性,研制了一种具有双条移动轨道的风洞试验装置。讨论了试验结果的合理性,分析了交会形式、偏航角和线间距对背风侧列车气动力的影响,并讨论了头车与尾车气动力系数的差异。实验结果表明,所提出的测试装置具有良好的重复性;双车交会时,交会方式对背风列车的气动力有一定的影响,动动交会时测试结果更加合理;随着偏航角的减小,列车气动系数的突变更为明显;线间距的减小会增加背风侧列车气动力的突变;列车交会过程中,头车与尾车的气动力系数存在较大差异,因此在进行风-车-桥耦合振动分析中应分开考虑。     

组合模型对受电弓横风气动特性的影响

针对受电弓-接触网和受电弓-接触网-列车2种组合模型,基于三维可压缩流动的纳维-斯托克斯(N-S)动量方程,采用剪切压力传输(SST k-ω)湍流模式和有限体积法,对2种组合模型中的受电弓在不同横风条件下的气动特性进行了数值模拟和对比分析,并讨论横风风速对受电弓气动载荷的影响,采用量纲分析方法,建立受电弓气动力、力矩系数与横风风速、风向角之间的关系表达式.结果表明：与不考虑列车车体的情况相比,车体的存在改变了受电弓绕流场特性,且对受电弓的气动阻力、升力和俯仰力矩的变化规律产生显著影响,对侧向力、倾覆力矩和侧偏力矩的影响相对较小.研究结果可为横风条件下高速列车受电弓的运行安全性及优化设计提供一定的依据.     

不同风向角下一节半编组替代三车编组的风洞可行性研究（英文）

首先,在风洞中采用1:16.8的模型研究了不同风向角对市域动车组气动性能的影响;其次,采用压力扫描阀和六分度天平对1.5节和3节列车编组的市域动车组模型的头车车体压力分布和气动性能进行了测试;最后,分析了风向角对列车流线型头部压力分布和列车气动力的影响。实验结果表明：压力系数在主型线斜率最大处最小。当风向角为55°时,横风对车头横截面的侧向力系数和压力系数影响最大。在风洞实验中,若风向角在24.2°内,用1.5节车编组代替3节车编组有明显的空间优势。此外,升力系数C_L、横摇力矩系数C_Mx、侧向力系数C_S和阻力系数C_D的相对误差均在5.95%以内,实验精度满足要求。     

侧风下峡谷桥隧连接段汽车的行驶特性

为保障山区高速公路的运营安全,研究了在风环境下峡谷桥隧连接段车辆瞬态气动特性及其规律,借助Carsim软件建立车辆模型,并模拟峡谷桥隧连接处的路段特性,以西汉高速桥隧连接段的实测数据输入风速值和侧风角度等参数,来模拟不同风速及角度对车辆行驶的影响。首先,对运行仿真后得到的车辆纵向速度、侧向加速度、车辆气动三分力(气动阻力、侧向力、气动升力)、气动侧偏角等参数进行分析;其次,通过分析不同车速、风速、风向角的车辆气动力,探究其对行车稳定性的影响程度;最后,研究了车辆在侧风环境下安全稳定行驶的临界车速和临界风速。研究结果表明:车辆行驶在有侧风作用影响下的峡谷桥隧连接段时,车速由60 km/h提升至80 km/h,车辆气动阻力、侧向力及气动升力分别增加160%、53%及89%,并且在风速达80 km/h的冰雪路面下,伴随出现超过1 m的大偏移量侧滑,当经历西汉高速年最大风速31. 5 m/s(约113 km/h)时,车辆出现明显倾覆现象,对行车安全构成了一定的风险。     

横风下高速列车会车压力波对风障的气动冲击

高速列车会车时的压力波会对线路两侧的风障产生气动冲击作用,有可能导致风障的结构失稳,给列车运行带来安全隐患。采用能真实模拟列车运动的嵌套网格方法以及保留开孔特性的腔室耗能型风障,以某CRH型车为研究对象,计算了不同列车车速和不同横风风速下单侧风障内列车交会对风障的冲击过程。研究结果表明:高速列车行驶过程中,由于其高速运动对周边空气的排挤以及尾部气流的补充,在车身附近形成"正-负-负-正"4个压力波;会车过程中,两列车的压力波相互叠加耦合并作用在线路一侧的风障上;随着车速的增大,压力波极值增大,换向时间减小,变化率增大;随着风速的增大,横风作用与列车风作用相互耦合,放大了风障内侧的负压值;压力波正压峰值在车体长度范围之外,负压峰值在车体长度范围之内,头车正压波峰距头车鼻锥处距离最近;在横风作用下,列车风压力峰值会向后移动。     

两串列方形高层建筑局部风压干扰特性分析

对2个完全相同的串列方形高层建筑模型进行了受扰建筑风压测量的风洞试验。根据试验结果,分析了施扰模型相对位置和高度变化对受扰模型局部风压的影响。结果显示,高度比固定,迎风面平均风压在间距比小于3时为负压。大于3时为正压,侧风和背风面平均负风压及各个面脉动风压均在间距比等于3时取得最大值。高度比变化,间距比小于3时,迎风面平均负风压随高度比的增大而增大,侧风和背风面则均在等高时取得最小值,和平均风压不同,迎风、侧风面脉动风压均在等高时取得最大值,背风面在等高时取得最小值;当间距比大于3时,平均风压在各个面上均随高度比的增大而减小,脉动风压在迎风和侧风面随高度比的增大而增大,背风面则在等高时取得最小值。     

侧风下汽车会车气动特性数值分析

自然风与汽车会车工况的耦合会恶化汽车外流场,导致汽车所受气动力的变化.因此,对侧风下会车的气动特性研究具有一定的现实意义.本文采用滑移网格技术对侧风下等速会车的气动特性进行了数值分析.数值结果表明:由于气动干扰,侧风下会车的两车气动阻力和侧向力均产生了复杂的变化,对侧向力的影响更加剧烈.简化的二维数值模拟与真实的会车会有一定的偏差,但仍可为后续的真实车体会车的气动分析提供参考.     

CAARC标准高层建筑三维钝体绕流风场数值模拟

基于计算流体力学软件平台Fluent 6.3,选用基于雷诺平均(RANS)的标准κ-ε、Realizable κ-ε、RNG κ-ε和SST κ-ω4种湍流模型对大气边界层中CAARC标模的单栋高层建筑的三维定常风流场进行模拟分析,并将数值模拟结果与风洞试验结果进行了比较分析.结果表明:数值模拟较好地反映了高层建筑周围风环境的绕流特性和表面风压的分布情况,4种湍流模型均能给出满足工程应用精度的结果.在迎风面时,与试验结果吻合良好;在侧风面和背风面时,数值模拟结果介于NPL与TJ-2试验结果之间.迎风面均受有正压力,在迎风面的2/3高度处为最大,两边及底下最小.建筑物的背风面和侧风面全部承受负压力.4种湍流模型的模拟结果之间差异较小,为高层建筑钝体绕流的研究提供了依据.     

高速列车运行时隧道内漏缆卡具的气动效应

以CRH380A型高速列车和漏缆卡具为研究对象,针对列车高速运行时复杂的气动效应,建立高速列车绕流流动的控制方程和湍流运输方程,采用动网格技术,模拟列车在隧道内运动;数值模拟获得了卡具所受的表面压力的分布规律:车速越高,卡具所受压力波到达越早,头车到达时卡具受力最大;探讨了不同的车速下卡具表面所承受气动力的变化规律:相比于横向力和升力,卡具的纵向力曲线振幅较弱。研究结论将为隧道漏缆卡具的优化设计提供理论依据。     

横风速度对单线高架桥上高速列车气动特性影响

为了节省宝贵的土地资源,高架桥结构在现代高速铁路建设中被大量采用,在高架桥上行驶的高速列车随着合成风向角的变化,其气动特性呈规律性变化,以此采用计算流体力学方法来研究横风速度变化对高速列车气动特性的影响.通过合理划分网格、选取合适的湍流模型、设置正确的边界条件来提高数值计算精度,模拟结果表明：随着横风速度的增加,头、尾车阻力明显增加,头车上的侧翻力矩也明显增加;没有横向风时由于单线高架桥的对称结构,高速列车基本不受侧向力作用.     

高速列车横侧风下的气动力特性研究

在侧风作用下,高速列车的空气动力学性能发生显著改变。基于3维非定常不可压缩流动的Navier-Stokes方程,采用LES湍流模型和有限体积法,对CRH2动车组以250、300和350 km/h的速度在28.4 m/s侧风环境中运行的流场结构和气动力进行了动网格的动态数值模拟计算。结果表明:侧风下运行时,列车的背风面存在着复杂的多旋涡涡系,旋涡由列车底部和顶部交替卷起,不同车速时的流场结构均相似;背风面旋涡的破裂造成列车尾车侧力的强烈振荡,对列车的运行安全有很大影响。     

大跨度双层桁架主梁三分力系数识别

采用风洞试验与计算流体力学（CFD）相结合的方法,对某公铁两用斜拉桥双层桁架主梁在?10°~10°风攻角下的三分力系数进行研究. 利用风洞试验技术测试成桥及施工阶段不同风攻角下主梁的气动力,并识别相应的三分力系数;基于标准k-ε双方程湍流模型建立三维数值计算模型,识别不同风攻角下三分力系数结果,并将其与风洞试验结果对比;结合2种方法研究雷诺数、桥面附属物和公路及铁路交通状况等因素对主梁气动特性的影响. 结果表明低风攻角下雷诺数对主梁气动特性影响较小,可忽略不计,并提出了高风攻角下识别双层桁架三分力系数最低雷诺数的建议值;桥面附属物对主梁阻力系数影响显著,下层桥面附属物有效降低了主梁升力系数;公路车辆对主梁气动系数影响较小,迎风侧列车对主梁阻力系数、升力系数影响显著,背风侧列车对主梁力矩系数影响显著.     

行驶环境对高速列车侧风运行气动特性影响

在环境侧风下,不同路况高速列车的空气动力特性会影响列车的安全舒适运行.通过数值模拟方法,探讨行驶环境对高速列车侧风运行气动特性的影响.计算结果表明:3种路况下头车、中间车和尾车的气动六分力系数均不相同,特别是路堤路况下的各节车的侧向力系数均明显大于平地和高架桥路况.而在平地和高架桥路况下,尾车受到的侧向力远比头车和中间车的小,且方向为逆侧风方向.这种差异性,主要是由于不同路况下列车的绕流流场发生了显著变化所致;因此,在研究高速列车空气动力特性时,要综合考虑不同路况下的差异性,才能够全面评估高速列车气动特性.     

不同流场下钢管输电塔塔身气动力特性

根据SZ27102钢管输电塔塔身1/3高度处的典型节段截面尺寸,设计制作不同密实度和宽高比的塔身节段模型及迎风面单片桁架模型. 分别在均匀层流场和均匀湍流场下开展高频测力风洞试验,获得迎风面单片桁架体型系数、背风面荷载降低系数和塔身节段体型系数等气动力参数. 结果表明,高湍流度来流条件会导致单片桁架体型系数的减小以及背风面荷载降低系数的增大,从而导致2类流场下钢管塔塔身节段体型系数较接近. 对于单片钢管桁架体型系数,中国规范推荐取值总体小于试验值,且当密实度较小时偏小程度较明显,建议规范考虑密实度对单片钢管桁架体型系数的影响,适当提高单片钢管桁架体型系数;对于背风面荷载降低系数,中国规范取值大于试验值,也大于英国规范取值,建议中国规范对钢管输电塔背风面荷载降低系数做部分调整.     

侧风作用下路堤上CRH6型列车的气动性能

采用CFD研究路堤上CRH6型列车在侧风作用下的气动特性,分析风速、风向角及列车在路堤上的位置对列车气动力的影响。计算结果表明:头车阻力随着风速的增加呈线性减小,其他气动力随风速的增加而线性增大;风向角对气动力的影响较大,最大气动力出现在风向角60°～120°之间;列车在路堤上的位置,对侧力和倾覆力矩影响较大,对阻力的影响较小。     

路堤-桥梁过渡段车辆气动力风洞试验研究

为了探究路堤-桥梁过渡段处车辆的气动力,建立1：50的大比例尺路堤-桥梁过渡段和车辆试验模型,在桥梁和路堤段分别布置两种风屏障,并在车辆模型表面布置多个测压点,以研究不同防风措施下处于不同风向角的路桥过渡段车辆气动力。试验结果表明：与无防风措施相比,布置桥梁风屏障后最不利风向角会从-15°变为0°,此风向下过渡段处车辆的三分力最大;再进一步布置路堤风屏障后最不利风向角不变,但大幅度减小了0°风向角下车辆的侧力系数和力矩系数;布置路堤风屏障能有效减小车辆所受三分力;不同风向角下改变陆地风屏障参数产生的影响不同,针对路堤-桥梁过渡段布置防风措施时,应充分考虑其来流方向,以达到最优效果。     

丰沙线某桥隧过渡段动力响应试验研究

通过现场试验对桥隧过渡段的动力响应进行了研究,试验主要测试了不同车辆长度,不同车速对桥隧过渡段动力响应的影响,以了解不同车速和车辆长度的列车通过桥梁与隧道连接处时,桥梁与隧道过渡段的动力特性是否一致.通过对现场测试的数据进行分析整理得出,列车的总长度较长,车辆的速度较慢,通过桥隧过渡段的时间就会增长,进而使桥梁与隧道过渡段振动的持续时间也会增长;桥梁处的振动持续振动时间比隧道处的振动时间略长.桥梁与隧道连接处的振动频率基本一致,振动频率主要分布在50~100Hz范围内,且列车车厢数多,车速慢,在主要频率范围内的振动幅值要大.     

覆冰四分裂导线动态气动力特性分析

为研究覆冰分裂导线舞动时的气动力特性,基于Fluent软件的用户自定义函数对导线的舞动轨迹进行编程并结合动网格技术实现流固耦合.计算了新月形覆冰四分裂导线横向振动时的动态气动力系数,并与静态模拟结果进行比较;分析了舞动幅值和频率对动态气动力的影响.结果表明:相同风速下,动态气动力系数大于静态值,二者具有相同的变化规律;舞动时,迎风侧子导线尾流偏移,对背风侧子导线的影响减小,使背风侧子导线的动态气动力系数比静态时明显增加;阻力、升力系数随舞动幅值和频率的增加而增大,但频率对动态气动力的影响小于幅值的影响;工程中预测大档距导线舞动引起的断线临界风速和塔承受的荷载时,应考虑动态气动力系数对舞动的影响.     

列车通过平地至路堑挡风墙过渡区域的动态行为及缓解措施（英文）

本文研究了大风环境下从平地至路堑的直角挡风墙过渡区域对列车空气动力学和系统动力学响应的影响,提出一种斜切过渡缓解措施来减小原始挡风墙过渡对列车气动和动力学性能的影响。结果表明,由于直角挡风墙过渡的影响,来流风场在线路内被分为两部分,一部分在平地位置引起强烈回流,另一部分在路堑位置引起强烈回流。因此,列车经过挡风墙过渡区域时受到了两次横向冲击。采用挡风墙斜切过渡后,头车侧向力系数、升力系数和倾覆力矩系数与原始挡风墙过渡相比,峰峰值分别下降了47%、40%和52%。对于车辆系统动力学响应参数的峰峰值,挡风墙斜切过渡相比原始过渡降幅均超过50%,其中原始挡风墙过渡和缓解措施下的列车动力学倾覆系数分别为0.75和0.3。