侧风风场特征对高速列车交会的影响研究

为了准确预测侧风环境下列车交会时的气动性能,考虑均匀风和大气底层速度边界型侧风,通过计算流体力学方法对比研究高速列车交会压力波特性和气动力特性. 结果表明,两种风场下交会压力波有所不同,但幅值差异不明显;采用均匀风场评估列车侧风环境下交会会高估列车所受气动力. 本文对高速列车行驶安全性评估和复杂运行场景的复杂流场的认识具有参考价值.     

高速铁路隧道缓冲结构气动载荷与结构应力特性分析

高速列车通过隧道时,会引起车隧气动效应.在隧道洞口设置缓冲结构是简便有效的应对措施之一.而缓冲结构一般设置在隧道洞口,列车通过隧道产生气动载荷对该结构的影响也不容忽视.本文采用数值方法,利用Ansys软件的workbench模拟平台,对列车通过隧道产生的气动载荷作用在顶部单开口缓冲结构上的压应力变化进行模拟.研究结果表明:气动载荷所引起的结构附加应力作用明显.当行车速度为350 km/h时,附加应力可以达到80 kPa,而缓冲结构开口周围成为气动载荷附加应力集中区.对于双线隧道,近车壁面与远车壁面的附加压应力规律一致,但近车侧应力值要大于远车侧.与压力波在隧道内的传播特性类似,气动载荷所引起的附加压应力具有往复传播特征.另外,对顶部缓冲结构开口附近出现附加应力集中的原因进行了分析,确定缓冲结构形式是引起应力集中的决定因素.以上结论对隧道洞口缓冲结构的设计及安全巡查具有一定的指导意义.     

高速列车进隧道时编组长度对压力波最大值的影响研究

高速列车通过隧道时,隧道内空气会产生较大的压力波动,对列车行车安全、车辆结构以及乘客舒适度造成影响。为研究高速列车进隧道时压力波与列车编组长度的关系,开展了高速列车进隧道压力波特性的CFD仿真分析。采用求解低速流动的压力修正算法求解RANS方程,湍流模型采用可实现k-ε模型。首先,通过与动模型实验监测的压力波对比,验证了数值模型的准确性。随后,对高速列车不同编组进隧道的情况进行了仿真计算,通过监测隧道壁和车体表面压力波随时间的变化,得到压力波大小与编组长度之间的关系。计算结果表明,随着编组长度增大,压力波幅值也增大,且由车身与隧道内空气摩擦引起的压力波幅值增量与编组长度呈线性关系。在此基础上,改进了预测列车进隧道最大压力波的经验公式,考虑了编组长度对压力波的贡献,预测结果更加准确。     

DYNAMIC RESPONSE OF HIGH SPEED TRAIN MEETING IN OPEN AIR,MEETING IN TUNNEL AND PASSING TUNNEL1)

明线会车、隧道会车和过隧道工况下的气动压力波对高速列车的动力响应和运行安全产生很大影响,本文建立了三辆编组的高速列车动力学模型,通过数值仿真得到了列车在三种工况下的车体所受的气动力,基于数值积分分析了列车的动力响应和脱轨系数。研究发现：明线会车和隧道会车工况相比,车辆的侧向运动相反。 明线会车和过隧道时,气动载荷对列车的脱轨系数影响较小,而隧道会车时,气动载荷作用对尾车的安全性影响较大。     

明线会车、隧道会车及过隧道时的高速列车动力响应

明线会车、隧道会车和过隧道工况下的气动压力波对高速列车的动力响应和运行安全产生很大影响,本文建立了三辆编组的高速列车动力学模型,通过数值仿真得到了列车在三种工况下的车体所受的气动力,基于数值积分分析了列车的动力响应和脱轨系数。研究发现:明线会车和隧道会车工况相比,车辆的侧向运动相反。明线会车和过隧道时,气动载荷对列车的脱轨系数影响较小,而隧道会车时,气动载荷作用对尾车的安全性影响较大。     

不可压缩流场多体运动问题的两种数值解法

不可压缩流场中多体运动的数值模拟是计算流体动力学的前沿课题,目前可以求解此问题的两种高精度方法是重叠网格法和移动网格法。本文详细讨论了两种方法的理论基础,典型算法的实现过程,并采用两种方法对单圆柱和多圆柱运动问题进行了数值试验。通过分析比较,本文认为重叠网格法计算效率高于移动网格法,重叠网格法比移动网格法更适合于求解物体大位移运动问题,尤其当计算区域几何形状复杂时重叠网格法的优势更加明显。     

配点型无网格法理论和研究进展

有限元法是当前工程科学领域应用最广泛的数值计算方法之一,但是其在求解极端大变形、高速碰撞等一些复杂问题时,容易出现网格畸变和网格敏感性,从而导致计算结果精度低和不收敛的问题.为了避免网格带来的问题,出现并兴起了各种无网格法.无网格法不仅建模简便,而且收敛速度更快、计算精度更高,可用于求解有限元等网格类方法难以求解乃至尚未触及的问题.本文首先阐述了无网格法的分类以及具有代表性的方法.目前限制无网格法发展的主要问题是效率偏低.伽辽金型无网格法效率较低,而配点型无网格法效率较高,在复杂问题的高效高精度数值模拟中具有更大潜力.因此本文详细介绍了配点型无网格法的起源和研究进展,归纳了其常用的近似函数和离散方法,最后对无网格法的发展做出了总结和展望.无网格法的研究和改进,为复杂问题的高效高精度数值模拟开辟了新的途径.     

高速列车空气动力学研究技术综述

随着我国高速铁路的快速发展,高速列车运行速度越来越快,包括气动阻力、横风效应、会车效应、隧道效应和气动噪声等一系列空气动力学问题日益突出. 利用模型试验、实车测量和数值计算等不同的研究手段,开展全面的高速列车空气动力学研究显得十分重要. 本文比较全面和系统地介绍了国内外高速列车空气动力学研究在模型试验、实车测量、数值计算等方面的技术现状和进展情况,对今后的发展方向和内容进行了展望.     

基于Fluent与Simpack的高速列车流固耦合联合仿真

基于列车系统动力学和高速列车空气动力学建立了高速列车流固耦合联合仿真计算方法。利用Fluent和Simpack分别计算高速列车气动特性和气动作用下的高速列车动力学性能,通过实时传递气动参数和姿态参数,实现高速列车流固耦合的联合仿真。利用建立的流固耦合方法研究了横风速度为10．7m／s时高速列车以350km／h速度运行时的流固耦合动力学行为。比较了离线仿真和联合仿真两种方法下列车气动力与姿态、安全性和舒适性指标的差异。研究表明,列车一气流的流固耦合效应对头车气动力和姿态的影响显著,头车安全性指标有所恶化。     

高速磁浮列车气动噪声分布规律研究

本文基于上海线高速磁浮列车现场噪声测试，结合数值仿真分析了磁浮列车行驶时的噪声特性以及气动噪声分布规律．数值仿真采用延时分离涡结合声比拟的方法，并对比现场测试噪声数据，给出了高速列车气动噪声特性以及噪声源分布规律．研究结果表明：列车行驶时噪声时程呈现很强脉冲性，频率小于100 Hz噪声主要来源于与高架桥梁结构振动相关的二次辐射噪声，特别是次声频段内，桥梁自振会产生显著的噪声．磁浮列车表面气动噪声分布规律与噪声频率相关，低频噪声与列车的车尾涡脱相关，高频噪声由车头边界层分离以及再附着、车身边界层流动等引起，而中频噪声主要产生于列车底部、抱轨与轨道梁表面相对运动作用．因此，高速磁浮列车除了要重点考虑车头、车尾的气动外形对气动噪声的影响外，还应考虑轨道间隙处气动噪声及其分布规律．     

高铁为什么长这样?——不是跑得快,而是飞得低

在过去十年中,中国高速列车迎来了爆炸式的发展,本文就高速列车主要涉及到的空气动力学问题如气动阻力、交会压力波、隧道压力波、气动噪声进行了阐述,并就这些问题的影响因素和规律给出了介绍.     

高速列车隧道会车空气阻力数值模拟研究

建立计算流体力学三维数值仿真模型,采用三维可压缩非定常湍流模型,利用重叠网格方法对高速列车隧道内等速交会过程进行动态数值模拟,分析会车过程中列车所受空气阻力的形成机理及分布特性。计算结果表明:隧道交会过程中,压差阻力对列车空气阻力的变化起主导作用,隧道交会对阻力峰值及峰峰值的影响比隧道单车大得多;列车隧道内交会时最大空气阻力是明线时的2.65倍,对应时刻的压差阻力和摩擦阻力分别为明线时的3.35倍、1.36倍;在交会完成前,头车表现为产生与速度方向相同的"推力",并呈现先增大后减小的趋势;尾车阻力最大,也呈现先增大后减小的趋势。     

地面效应影响下的高速火箭橇气动特性数值与风洞试验研究

精确预示地面效应下高速火箭橇的气动特性及流场规律对高速火箭橇的设计和评估具有重要意义。本文应用有限体积方法,研究了湍流模型对火箭橇气动特性计算精度的影响,建立了基于realizable k-ε湍流模型的火箭橇气动特性的高精度数值计算方法;结合风洞试验方法,研究了雷诺数和地面效应对高速火箭橇流场流动规律的影响,分析了火箭橇气动特性。结果表明,火箭橇阻力系数随雷诺数增大而减小,升力系数和俯仰力矩系数随雷诺数增大而增大,但雷诺数对高速火箭橇气动特性的影响较小;地面效应会使火箭橇流场发生激波-激波干扰、激波-边界层干扰和激波反复反射等复杂气动现象,大幅提升了火箭橇的升力系数和俯仰力矩系数,但对阻力系数的影响较小。研究为高速火箭橇气动外形的设计及运动稳定性的评估提供依据。     

考虑地面效应的高速列车远场气动噪声计算方法研究

为研究高速列车远场气动噪声的计算方法,根据高速列车近地面运行的实际情况,利用半自由空间的Green函数求解FW-H方程;建立考虑地面效应时的远场声学积分公式,并研究地面效应对高速列车远场气动噪声的影响.研究表明,由于存在地面效应,原来的自由声场变成了相当于真实列车声场与镜像列车声场的叠加,并且作用在镜像列车上的力源和法向运动速度与真实列车上的相同.当列车运动速度为350 km/h时,不考虑地面效应时,远场测点的等效连续A计权声压级的最大值为90.76 dB;考虑地面效应之后,远场测点的等效连续A计权声压级的最大值为94.72 dB.     

高速列车气动外形优化研究进展

随着运行速度的提升,高速列车对气动外形的要求也越来越高,追求性能优异、美观大方的气动外形是新型高速列车研发的一个重要方向.基于当前高速列车外形研发的思路,可以将气动外形优化概括为基于流场机理的改型优化和基于优化算法的外形优化两类.本文简要回顾了当前国内外在这两类优化途径上的系列工作,着重介绍了作者所在团队近年来做过的一...     

AERODYNAMIC OPTIMIZATION OF HIGH-SPEED TRAIN BASED ON RBF MESH DEFORMATION

基于局部型函数三维参数化方法、改进的蚁群算法和改进的克里金（Kriging）代理模型,开展了列车头型的三维气动减阻优化设计研究。为了避免复杂几何外形大变形情况下千万量级网格的重复生成,提高高速列车头型优化设计的效率,引入了缩减控制点的径向基函数网格变形技术。优化结果表明：径向基函数网格变形技术在不降低网格质量的情况下可以有效缩短网格变形的时间消耗,能够用于复杂几何外形的气动优化设计;在给定的设计空间内,控制鼻锥外形的6个关键设计参数对列车气动阻力的影响呈单调递增关系;优化后,在满足约束条件的情况下,简化外形列车的整车气动阻力减小5.41%,头尾车减阻效果明显,中间车气动阻力基本不变。     

无砟轨道结构对高速列车气动性能的影响

基于计算流体力学,采用滑移网格方法数值模拟了在有、无横风两种环境下高速列车以300km/h速度通过不同无砟轨道模型的空气动力学性能,研究了车体底板及转向架的表面压力特性,分析了列车与轨道周围的流场特性,研究了轨道结构对气动性能的影响.研究结果表明:当列车通过框架型轨道模型时,由于框架的存在,列车底板及转向架表面压力均呈现周期性波动现象,其压力波动的主频接近16.90Hz.在无横风环境下,列车车体底板的压力变化规律基本一致,且不同模型同一位置处的压力均值相差不大;在横风环境下,利用传统方法计算得到的车体底板压力幅值略大于框架型和平板型轨道模型的计算结果.     

高速列车车体长度对气动噪声影响的数值研究

高速列车具有细长形状, 数值评估气动噪声往往需要巨大的计算量.目前对高速列车气动噪声的数值模拟大多基于对简化短编组列车的评估,而实际列车通常具有较长的8$\sim$16节编组.如何基于现有条件合理评价真实长度列车的气动噪声,是一个急需探讨的问题. 本文应用非线性声学求解器(NLAS)和FW--H声学比拟法的混合算法, 先求解噪声积分面上的声场脉动,再进行远场积分, 引入多噪声面积分技术,通过对三种不同长度(3节、4节、6节)列车模型的气动性能和噪声数值模拟,分析了车体长度对列车气动噪声的影响. 结果表明,同一列车模型的各节车厢具有相似的沿线噪声分布,其噪声曲线在量值上十分接近,只是主峰位置会随着车厢空间位置的不同而相应地发生偏移;不同长度编组列车对应部位之间的远场噪声特性具有较强的关联性,它们的远场噪声具有接近的总声压级和噪声频谱.通过利用短编组计算数据进行分解、平移和叠加,成功重构了4编组和6编组列车远场噪声特性,与直接计算结果相比误差在可接受范围内.由此发展了基于短编组列车噪声的数值结果,重构长编组列车沿线噪声的近似评估方法.      

高速铁路长隧道压缩波波前变形规律分析

高速列车进入隧道时产生的压缩波在长隧道中传播时会产生波前变形,即波前压力梯度发生变化。线路测量和学者的研究表明,隧道出口处微气压波的强度与压缩波波前压力梯度最大值成正比,而微气压波的大小又与隧道出口的爆破音直接相关,因此有必要研究压缩波在长隧道中传播时的波前变形规律。采用计算流体力学三维动态仿真计算方法,对长隧道内压缩波的生成和传播过程进行研究。证明了压缩波的波前变形不仅与初始压缩波生成时的惯性运动和气体摩擦相关,而且与列车在隧道中的运动相关,即列车运动产生的能量输入会影响压缩波波前的变形。通过多工况计算,获得了隧道内压力梯度的最大值及其出现位置与列车速度和隧道阻塞比之间的变化规律。     

高速列车车体长度对气动噪声影响的数值研究

高速列车具有细长形状,数值评估气动噪声往往需要巨大的计算量.目前对高速列车气动噪声的数值模拟大多基于对简化短编组列车的评估,而实际列车通常具有较长的8～16节编组.如何基于现有条件合理评价真实长度列车的气动噪声,是一个急需探讨的问题.本文应用非线性声学求解器(NLAS)和FW–H声学比拟法的混合算法,先求解噪声积分面上的声场脉动,再进行远场积分,引入多噪声面积分技术,通过对三种不同长度(3节、4节、6节)列车模型的气动性能和噪声数值模拟,分析了车体长度对列车气动噪声的影响.结果表明,同一列车模型的各节车厢具有相似的沿线噪声分布,其噪声曲线在量值上十分接近,只是主峰位置会随着车厢空间位置的不同而相应地发生偏移;不同长度编组列车对应部位之间的远场噪声特性具有较强的关联性,它们的远场噪声具有接近的总声压级和噪声频谱.通过利用短编组计算数据进行分解、平移和叠加,成功重构了4编组和6编组列车远场噪声特性,与直接计算结果相比误差在可接受范围内.由此发展了基于短编组列车噪声的数值结果,重构长编组列车沿线噪声的近似评估方法.