高速列车头型长细比对气动噪声的影响

高速列车的头尾车外形对气动噪声具有重要的影响.工程实践中随着车速的增加,车辆头部越来越细长,日本高速磁悬浮列车实践中甚至出现了具有极端长细比的头部形状.本文以讨论头型长细比对列车气动噪声的影响规律为出发点,应用非线性声学求解器(NLAS)和FW-H声学比拟法的混合算法,在3种运行速度下对基于CRH380A高速列车头型概化的4种不同头型长细比的模型车的气动噪声进行了数值模拟.给出了不同头型长细比列车的流场特征、气动阻力和气动噪声.结果表明,列车的气动总阻力随头型长细比的增大而减小,且头型长细比对列车总气动阻力的影响随运行速度的增加而增强.而头型长细比对气动噪声的影响呈现出较为复杂的影响,并不存在单调的影响关系;综合考虑气动阻力和气动噪声,长细比最大的头型综合性能较优,但差异并不显著,因此在不考虑微气压波等因素的条件下,简单增加车头长细比并不一定能带来明显的气动噪声性能提升.     

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．     

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.     

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系列气动外形优化工作. 在基于流场机理的改型优化上, 着重从"和谐号"和"复兴号"这两款主力车型的外形研发上探讨其改型优化的思路, 主要探讨了空调导流罩、受电弓平台、风挡和转向架裙板几类对列车阻力影响较为明显的部件的优化设计,并介绍了其相对于上一代车型在气动性能上的提升. 基于优化算法的外形优化方法,则因循气动外形优化流程, 在列车外形已经具有较好性能的基础上,以高速列车头型流线型为主要优化对象,分别从高速列车参数化方法、替代模型开发以及优化算法改进三个方面进行介绍.其中,高速列车参数化方法主要介绍了局部型函数法、修正车辆造型函数法和类别/形状函数法三类;替代模型开发介绍了最优化替代模型和基于交叉验证的Kriging模型; 在优化算法的改进上介绍了改进的非劣分类多目标粒子群算法和连续域混沌蚁群算法两方面的内容.基于上述三个方面介绍了气动外形优化策略在典型工程上的应用案例.      

中国高速列车研发与展望

十几年来, 以高速列车为代表的高速铁路装备在长期技术积累和自主研发的基础上,经过引进消化吸收再创新、自主提升创新、全面创新和持续创新,成功研制了多代先进的高速列车产品. 通过不断的技术创新,突破了高速列车系列关键技术, 形成了自主研发能力,不断提升高速列车的安全性、可靠性、经济性、环保性及智能化.我国高速列车的运行速度、综合舒适度、安全性、可靠性、节能环保等各项综合性能指标优良,部分指标达到国际领先水平.论文系统回顾了我国和谐号动车组、复兴号动车组、城际动车组、前沿动车组产品的发展成就及主要技术突破,分析了高速列车研发过程中面临的复杂环境适应性、大系统复杂耦合作用、安全可靠设计、智能化应用等关键技术挑战,系统概述了高速列车故障预测与健康管理技术、车体轻量化技术、被动安全防护技术、碳纤维复合材料应用、气动外形设计技术、高速转向架技术、噪声控制技术、牵引制动技术等关键技术的研究进展及主要技术突破, 并展望了高速列车动力学技术、结构安全技术、被动安全防护技术、流固耦合技术、牵引制动技术、智能控制安全技术、故障预测与健康管理技术、综合节能技术等关键技术的未来发展方向.      

The Effect of Bogie Positions on the Aerodynamic Behavior of a High-Speed Train: An IDDES Study

Flow, Turbulence and Combustion - In this study, an improved delayed detached-eddy simulation method has been used to investigate the aerodynamic behavior of the CRH2 high-speed trains (HST) with...     

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。     

Aerodynamic thermal environment around transonic tube train in choked/unchoked flow

The aerodynamic thermal environment in an evacuated tube transport (ETT) system is an important factor in ensuring the operational safety of tube trains, where choking can further worsen air flow and aerodynamic heating. A compressible flow solver based on total variation diminishing (TVD) schemes was used to calculate the transonic aerodynamic behaviour of a capsule train in a confined space under low pressure conditions, and the flow fields and aerodynamic heating effect on the train were obtained. The results showed that the flow state around the train could be classified into choked and unchoked flow according to the blockage ratio (BR) and train speed based on the Kantrowitz limit. The wall viscosity caused a difference in the boundary-layer flow and potential flow in the annular space between the train and the tube with an increase in the BR. The choked flow was driven forward by the train, passing through its throat at the speed of sound. Owing to the complicated compressible flow in the tube, the thermal environment around the train gave rise to extreme temperature changes on its surface. In transonic choked flow, the temperature rise of the train head reached a maximum of 525 K, whereas local cooling could occur in the afterbody, causing the surface temperature to fall below the ambient temperature under certain conditions. The findings can be used to guide the design of ETT systems.     

高速列车致声屏障风压变化和分布特性研究

高速列车致声屏障在极短的时间内受到交变气动力作用,一旦声屏障因强度或疲劳破坏而失效,有可能危及行车安全,因此准确评估高速列车致声屏障的脉动风压分布是结构设计需考虑的关键要素．利用数值风洞技术,模拟了道路及桥梁两侧分别布置5m、3.5m高声屏障,350km/h的列车通过时致声屏障的极值风压分布特性．研究结果表明列车驶过声屏障会产生气流挤压的正压波及气流填充的负压波,正压数值较负压数值大;极值风压随声屏障高度的增加而减小,且列车中心与声屏障的距离、声屏障的高度都会明显减弱极值风压的数值;两列车的交会相比单列车的通过,会更明显地挤压声屏障区域内的气流,从而在声屏障上产生更大的极值风压,且随着列车与声屏障距离的靠近,挤压增大极值风压的特性表现更为明显．最终通过选取京沪高铁试验段,进行相关的现场高速列车致声屏障极值风压试验测试,试验结果验证了数值模拟结果的准确性．     

Influences of affiliated components and train length on the train wind

The induced airflow from passing trains, which is recognized as train wind, usually has adverse impacts on people in the surroundings, i.e., the aerodynamic forces generated by a high-speed train’s wind may act on the human body and endanger the safety of pedestrians or roadside workers. In this paper, an improved delayed detached eddy simulation (IDDES) method is used to study train wind. The effects of the affiliated components and train length on train wind are analyzed. The results indicate that the affiliated components and train length have no effect on train wind in the area in front of the leading nose. In the downstream and wake regions, the longitudinal train wind becomes stronger as the length of the train increases, while the transverse train wind is not affected. The presence of affiliated components strengthens the train wind in the near field of the train because of strong flow solid interactions but has limited effects on train wind in the far field.     

高速列车空气动力学

着重描述了高速列车与其它交通工具在空气动力学方面的差异，重点在包括磁悬浮列车（Maglev）在内的现代高速列车。这些差异与下述因素紧密相关：高速列车贴近地面或轨道运行、其长径比远大于其它交通工具、两列火车会擦身而过，与道旁建筑物相互干扰、常受到横风的干扰、通过隧道时会产生隧道出入口效应。本文综述了最新的相关信息，涵盖实验技术和实验结果、理论分析和数值方法。     

Numerical study on wake characteristics of high-speed trains

Intensive turbulence exists in the wakes of high speed trains, and the aerodynamic performance of the trailing car could deteriorate rapidly due to complicated features of the vortices in the wake zone. As a result, the safety and amenity of high speed trains would face a great challenge. This paper considers mainly the mechanism of vortex formation and evolution in the train flow field. A real CRH2 model is studied, with a leading car, a middle car and a trailing car included. Different running speeds and cross wind conditions are considered, and the approaches of un- steady Reynold-averaged Navier-Stokes （URANS） and de- tached eddy simulation （DES） are utilized, respectively. Re- suits reveal that DES has better capability of capturing small eddies compared to URANS. However, for large eddies, the effects of two approaches are almost the same. In conditions without cross winds, two large vortex streets stretch from the train nose and interact strongly with each other in the wake zone. With the reinforcement of the ground, a complicated wake vortex system generates and becomes strengthened as the running speed increases. However, the locations of flow separations on the train surface and the separation mechanism keep unchanged. In conditions with cross winds, three large vortices develop along the leeward side of the train, among which the weakest one has no obvious influence on the wake flow while the other two stretch to the tail of the train and combine with the helical vortices in the train wake. Thus, optimization of the aerodynamic performance of the trailing car should be aiming at reducing the intensity of the wake vortex system.     

非线性热环境下高温合金蜂窝板隔热性能研究

金属蜂窝板结构在高温热环境下的隔热特性是高速飞行器热防护设计的重要参数. 使用自行研制的高速飞行器瞬态气动热试验模拟系统, 对高温合金蜂窝平板结构在高达800℃的非线性热环境下的隔热性能进行实验研究, 获得了蜂窝板结构的瞬态和稳态传热特性以及在多种不同温度下金蜂窝平板结构隔热效果的实验数据. 在考虑结构内部蜂窝芯壁面间辐射、金属结构的传热以及蜂窝腔内空气传热的多重热交换条件下, 采用三维有限元计算方法对蜂窝板的隔热特性进行了数值模拟, 计算结果和试验结果的吻合性良好, 验证了数值模拟方法的可信性和有效性, 并为数值模拟方法能够在一定程度上较好地替代价格昂贵的气动热模拟试验打下了基础. 讨论了在复杂非线性高温环境下金属蜂窝板隔热效率的变化, 加热面温度的升降速度与隔热效率的关联性以及金属蜂窝板表面发射率的选取等问题, 对高速飞行器金属蜂窝结构的热防护研究具有重要的参考价值.      

随机风速下高速列车的运行安全可靠性

基于可靠性理论提出了随机风速作用下高速列车风致安全分析的新方法, 这种方法可以对随机风速作用下高速列车的运行安全可靠性进行有效评估.首先基于Cooper理论和谐波叠加法计算随车移动点的脉动风速, 建立随机风速作用下高速列车非定常气动载荷的计算方法, 并通过数值仿真得到气动载荷系数的标准差随侧偏角的变化规律. 然后建立高速列车车辆系统动力学模型, 并对计算模型的正确性进行验证.最后以随机风速、侧力系数、升力系数、侧滚力矩系数、摇头力矩系数和点头力矩系数为基本随机变量, 研究随机风速作用下高速列车的运行安全可靠性和可靠性灵敏度, 给出随机风速作用下高速列车的概率特征风速曲线.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;通过可靠性灵敏度分析发现侧力系数和侧滚力矩系数对高速列车的运行安全影响最大, 应该特别注意这两个参数的变化对高速列车运行安全性的影响;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.     

非等比例缩比侵彻/贯穿相似规律研究

高速侵彻弹体的弹载部件/关键元器件的生存性与可靠性考核是引战系统研制领域的热点与难点问题，受原型试验的成本限制，利用缩比弹体搭载原型引信部件开展非等比例缩比试验研究是可行途径。针对传统等比例缩比方案无法满足弹体刚体过载相似性要求的情况，研究了非等比例缩比侵彻/贯穿相似规律，提出了非等比例缩比侵彻试验设计方法。数值计算结果表明:侵彻半无限厚混凝土靶条件下，非等比例缩比弹刚体过载的脉宽、幅值均可实现与原型弹刚体过载一致的加载条件；贯穿多层薄靶的条件下，通过调节靶板布置及弹体初速等试验工况，合理设计缩比弹体结构，可使非等比例缩比试验的弹体刚体过载峰值和脉宽覆盖原型试验。通过缩比模型试验得到的刚体过载特性可以为弹体及引信部件抗过载防护设计提供可靠的参考依据。     

高速铁路连续箱型梁桥的动力响应与减振分析

根据列车具体的轴距和轴重,建立了和谐号动车组CRH380AL型列车简化模型;对高速铁路两跨连续梁桥采用多自由度欧拉伯努利梁单元进行主梁的模拟,并将液体黏滞阻尼器模拟为有限元阻尼单元;采用Newmark直接积分方法求解了高速列车作用下的连续梁桥运动方程,数值分析了列车车速以及液体黏滞阻尼器的阻尼系数对于高速铁路连续梁桥振动响应的影响。结果表明:黏滞阻尼器对于桥梁具有明显的减振效果,阻尼力不仅与阻尼系数有关还与列车时速有关;同一黏滞阻尼器条件下,桥梁的最大加速度并不随列车速度的增加而单调增加,而是在某些特定列车车速下桥梁的最大加速度出现了峰值,且随着黏滞阻尼器的阻尼系数增大,桥梁振动响应峰值处的最大加速度减幅不同;同一列车时速的条件下,桥梁的减振效果并不是随着阻尼系数的递增呈正比递增,而是随着阻尼系数的增大,阻尼器的减振效果增幅在减小。     

Numerical Study of the Aerodynamic Performance of a Train with a Crosswind for Different Embankment Heights

A numerical study using improved delayed detached eddy simulation (IDDES) was used to investigate the influence of the embankment height on the aerodynamic performance of a high-speed train travelling under the influence of a crosswind. The results of the flow predictions were used to explore both the instantaneous and the time-averaged flows and the resulting aerodynamic forces, moments and slipstreams. An increase of the aerodynamic drag and side forces as well as the lift force of the head and middle cars were observed with rising embankment height. While the lift force of the tail car decreased with the increasing embankment height. Furthermore, the height of the embankment was found to have a strong influence on the slipstream on the leeward side of the train. The correlation between the embankment height and the slipstream velocity on the windward side, was rather small. The flow structures in the near-wake of the leeward side of the train, responsible for the aerodynamic properties of the train were analyzed, showing strong dependency on the embankment height.

     

高速列车轴承可靠性评估关键力学参量研究进展

轴承是高速列车牵引传动和轮轴系统的关键零部件. 受列车运行过程中电机转矩、齿轮啮合以及轮轨随机激励的影响,轴承可能发生疲劳破坏, 严重影响高速列车的行车安全.我国特有的复杂运用条件对轴承部件的疲劳性能提出了更高的要求,而轴承疲劳可靠性的基础理论和关键技术是我国轴承正向设计研发中的薄弱环节.可靠性评估方面的相关研究在解决轴承可靠性研究的瓶颈问题中起到了承上启下的关键作用.高速列车轴承可靠性评估手段与技术旨在获得使用环境中轴承可靠性评估的关键力学参量,并以此推动复杂激励下轴承疲劳可靠性理论研究. 因此,需要哪些关键力学参量并且在复杂的实际使用环境下如何去获取这些力学参量是进行高速列车轴承可靠性评估的关键所在.本文首先概述了高速列车轴承所处的复杂使用环境及运用中的主要失效模式,并据此分析了高速列车轴承可靠性评估所需的关键力学参量,强调了轴承内部滚滑行为和载荷分布在可靠性评估和轴承状态监测中的重要作用,之后从计算模型和测试技术等方面系统阐述了针对这两个关键力学参量的研究进展.最后提出了在高速列车轴承可靠性评估关键力学参量特征及测试技术研究中值得关注的若干问题.      

轻型飞机机翼气动/结构协同优化研究

探讨用协同优化方法能否有效地解决机翼气动／结构一体化设计优化问题。首先对基本的协同优化和基于响应面协同优化两种方法的特点进行了探讨,然后以轻型飞机机翼气动／结构一体化设计为例,着重研究如何用协同优化方法建立机翼气动／结构一体化设计的优化模型。研究结果表明,基本的协同优化算法不能有效地解决该机翼气动／结构一体化优化问题,而基于响应面的协同优化方法在求解这一问题时具有较好的鲁棒性。