采用三维数值方法,模拟强横风下货运高速列车周围流场,探索4种风挡方案对货运高速列车气动性能的影响。研究结果表明风挡局部变化对整列货运列车周围流速、压力以及车体表面压力影响主要体现在风挡区域;全包围风挡区域流速、压力及表面压力分布较均匀,并能在横风下使得整列车具有更小的气动阻力以及侧向力;顶端开口、以及上下两端开口后,风挡区域流场变化明显,且明显使整列车气动阻力、侧向力增大;底端开口对流场以及气动力影响较小。若需要在风挡处开口以方便检修,建议将开口设在风挡底部。

用风洞试验获得的气动系数可评定受强劲横风影响的铁路车辆的运行安全性,本文利用风洞试验,提出了半填半挖线路区段的气动系数的确定方法。

采用数值模拟方法分别建立桥上静态和移动列车数值模型,基于2种模型研究不同风向角及风屏障对桥上列车和桥梁气动特性的影响规律。结果表明当风向角小于42°时,头车的阻力系数最大可达中车的1.5倍,且远大于尾车,因此头车是桥上列车运行时的关键部位,其行车安全受横风影响更大;2.05 m风屏障对列车和桥梁的气动特性影响十分显著,有效减小了移动列车和桥梁的表面风压和气动力,降低了横风对列车和桥梁的影响,有助于提高桥上列车的安全性;而对于桥上静态列车模型而言,在风向角为90°时列车的气动力和表面风压会因风屏障而增大;总体而言,合成风向角法可以在很大程度上反映列车在上游桥道运行时的气动特性,但受风屏障影响时该方法不再适用;当列车在桥上运行时,横风与列车风叠加产生的气动特性表现出十分显著的瞬态效应,静态模型无法揭示桥...

西部风沙地区强风沙流对高速列车运行带来巨大安全隐患。高速列车的行驶线路一般分为平直地面、路堤及高架桥等,不同线路类型对高速列车气动特性的影响差异明显,尤其在强横风下,列车运行的流场特性更加复杂。为研究风沙环境下不同线路类型对高速列车横风气动特性的影响,采用数值模拟方法对列车运行速度250 km/h,横风风速分别为10,20,30,40,50 m/s,线路结构分别为平直地面、5 m路堤及10 m高架桥等不同工况下的列车气动性能进行仿真对比分析。计算结果表明风沙环境下列车迎风侧正压区域及背风侧负压区域相比无沙环境均增大,其中,头车在平地工况下压力增幅最大,路堤及高架桥工况较小;风沙流中沙粒增加了列车的阻力,随着横风风速增大,头车阻力系数减小,尾车阻力系数增大,中间车阻力系数基本不变,列车侧向力系数均增大;在同一横风风速下,不同...

建立受电弓-接触网-列车模型,通过雷诺时均方法研究了横风对受电弓各杆件气动特性的影响。通过改变横风风速、风向角,分析了受电弓的流线、表面压力和涡量等分布,探讨了受电弓各部件阻力系数、升力系数和侧向力系数,对比了各部件与受电弓总作用力系数的关系。研究表明对于受电弓的滑板、上臂杆及下臂杆部分,其阻力、侧向力系数均随风向角和横风风速的增大呈现出逐渐增大的趋势;滑板阻力系数最大,下臂杆阻力最小;上、下臂杆升力系数为负值,与受电弓相比作用力方向相反。在各杆件中滑板所受气动力占总气动力份额最大。受电弓上部构件受横风和风向角产生的影响显著,其结果对受电弓各杆件气动特性的研究及应用具有重要意义和价值。

为揭示横风下车体运动对高速列车气动性能的影响规律,通过数值模拟对典型车体运动形态下的横风气动性能开展研究。首先基于实车试验确定了横风下的车体典型运动形态并定义研究工况,然后通过改进的延迟分离涡模拟(IDDES)方法详细分析不同工况下的车体与转向架的气动载荷,以及列车周围的流场结构与表面压力变化情况。研究结果表明横风下高速列车车体运动主要表现为侧滚与横移,车体的侧滚运动对列车升力的影响最明显,头、中、尾车升力均随着车体从迎风侧向背风侧运动而增大,并且车体向背风侧运动时,头车升力增大的幅度大于车体向迎风侧运动相同角度时减小的幅度;当车体运动时,第1转向架横向力、升力与倾覆力矩均增大;车体运动对列车头部、背风侧以及尾部的流动均有较明显的影响,车体向背风侧运动时,头车鼻尖区域流速降低,尾车鼻...

为研究高速铁路桥梁全封闭声屏障的横风气动特性,通过节段模型风洞试验对全封闭声屏障的三分力和表面风压进行了测试,分析了风速、雷诺数效应、风攻角、侧视断面位置对全封闭声屏障气动特性的影响。结果表明:在不同风速下测力和测压结果的规律相似;雷诺数效应对全封闭声屏障的横风气动特性和顶部的风压分布影响较大;风攻角对全封闭声屏障的阻力系数有较大影响;不同断面的风压分布曲线具有相似的规律,本文给出了设计用的近似风压曲线。

针对列车高速驶入隧道时流场的三维、非定常及可压缩湍流等特性,建立了精细化的隧道-列车-空气三维CFD数值模型,对比分析洞口有无横风条件下列车驶入隧道过程中车体周边的瞬态流场结构、压力分布,并研究横风条件下车体的5项气动荷载(气动横向力、气动升力、倾覆力矩、偏航力矩和点头力矩)指标的瞬变特性以及风速和车速变化对其最大瞬变幅值的影响情况.研究结果表明:当列车在横风环境下驶入隧道,洞外部分车体两侧流场结构和压力分布差异显著,而洞内部分差异较小,从而引发列车进洞前后车体压差突变;列车在进洞过程中,车体的各项气动荷载均存在瞬变效应,且尾车同时呈现出倾覆、“上跳”、“蛇形”摆动以及“点头”等行为;风速变化对尾车偏航力矩变化幅值影响较显著,而车速变化对头车偏航力矩变化幅值影响较显著.

对高速列车由横风环境驶入隧道过程中流场的非定常、可压缩以及湍流等特性,建立了隧道-列车-空气三维CFD数值模型,分析了列车驶入隧道时各节车厢的气动荷载瞬态变化特征及对应的车厢运行姿态变化,并从流场角度揭示了其变化机理,最后探讨了气动荷载对车厢的冲击效应.主要结论如下:(1)当列车由横风环境驶入隧道时,各节车厢的5项气动荷载均表现出显著的突变特征,相应地各节车厢均会呈现瞬间偏转以及瞬间"点头"等行为;(2)车厢两侧压差在纵向上的巨大差异是导致车厢横向力和倾覆力矩的突然卸载以及偏航力矩骤增的根本原因;(3)横风是导致气动荷载对车厢冲击强度显著升高的主要因素;(4)头车的安全系数是控制整列车运行安全性的关键.

为改善高速列车的横风气动性能，建立高速列车流线型头型的多目标优化设计方法，以横风下高速列车的侧力和升力为优化目标，对高速列车流线型头型进行多目标自动优化设计。建立高速列车流线型头型的参数化模型，提取出5个优化设计变量，利用计算流体动力学方法进行高速列车流场计算，并结合多目标遗传算法，实现横风下高速列车流线型头型的自动寻优设计。通过相关性分析，得到影响侧力和升力的关键优化设计变量，并进一步研究关键优化设计变量和优化目标之间的非线性关系。经过多目标优化设计，获得一系列的Pareto最优头型，这些头型的横风气动性能均得到明显改善。同时为保证无风环境下高速列车的基本气动性能不发生恶化，最终筛选出8个Pareto最优头型。对于这8个Pareto最优头型，相对于原始头型来说，横风下的侧力最多可降低3...