为研究沙尘环境下高速列车明线运行时的气动特性,基于剪切应力传输模型SST k-w双方程湍流模型和拉格朗日离散相模型,与无沙环境下的高速列车气动特性进行比较,计算分析不同沙粒浓度、不同车速下的高速列车气动特性。计算结果表明:沙尘环境下,当车速一定时,列车整车气动阻力、头车气动阻力、尾车气动阻力均随沙粒浓度增加而逐渐增大,且与沙粒浓度近似呈线性关系;对于气动升力,当车速一定时,头车气动升力绝对值随沙粒浓度的增加而增大,尾车气动升力随车速的增加而降低。该研究成果可为高速列车在沙尘环境中的运行安全提供理论参考。

基于SST k-ω湍流模型和Euler-Lagrange离散相模型,建立了风沙环境下高速列车空气动力学计算模型,研究了不同沙粒浓度、不同风速及不同车速条件下的列车空气动力学性能。计算结果表明风沙环境下,列车头车迎风侧主要受正压力影响,背风侧主要受负压力影响,最大正压力区域由鼻尖逐渐向迎风侧偏移;由于横风的影响,随着沙粒浓度的增强,头车迎风侧沙粒质量浓度增大,背风侧沙粒质量浓度变化较小;对于固定的车速和风速,头车气动力系数随沙粒浓度的增强而增大,且与沙粒浓度近似呈线性关系;沙粒浓度固定时,头车气动力系数随风速的增大而增大,随着车速的提升,头车气动力系数反而下降;风沙环境下,头车侧力系数、头车侧滚力矩系数可近似拟合为沙粒浓度、侧偏角及合成风速的二次多项式;头车升力系数可近似拟合为沙粒浓度、侧偏角及合成风速的三次多...

为了研究风雨环境对汽车空气动力学性能的影响,本文基于Euler-Lagrange方法建立风雨环境下汽车空气动力学模型,采用M-P(Marshall-Palmer)雨滴谱对雨滴降落进行数值模拟。基于风-雨双向耦合算法进行风场和雨滴迭代模拟,开展不同侧偏角,不同降雨强度条件下汽车空气动力学特性研究。计算结果表明,当侧偏角相同时,车身迎风侧所受正压、车身表面的雨滴浓度及单位时间内降落至车身的雨滴质量均随着降雨强度的增大而增大,且雨滴降落位置主要位于前车窗附近,汽车的气动阻力系数随降雨强度的增大而增大;当降雨强度相同时,汽车的气动阻力系数随侧偏角的增大先增大后减小,而侧偏角的增大或降雨强度的增大,均会导致汽车的气动性能恶化。该研究为车辆安全行驶提供了理论依据。

为研究强降雨环境下的汽车空气动力学特性问题,本文以标准MIRA阶梯背汽车模型为研究对象,建立汽车外流场空气动力学数值计算模型。同时,利用ANSYS Fluent软件,研究在不同降雨强度、不同偏航角对车身气动力、速度特性、压力特性的影响,并追踪了离散相雨滴的运动轨迹及其与车身的接触,分析了车身表面附近区域雨滴质量浓度分布和变化。研究结果表明,在无降雨环境下,随着车速的增加,车身表面正压区和负压区覆盖范围均明显增大,部分雨滴在车身表面发生明显的反弹现象,车速对气动阻力影响较大,而对气动阻力系数没有实质性影响;相同车速条件下,降雨强度越大,气动阻力(系数)增幅越大,并且与降雨强度近似呈线性关系;在一定降雨强度下,随着偏航角的增大,整车气动阻力(系数)和气动侧力(系数)相比无雨时增大,左侧面表面压力逐渐增大,汽车后侧窗边...

基于标准κ-ε双方程湍流模型和拉格朗日离散相模型,研究强降雨条件下列车前端计算区域长度的取值。在此基础上,分析不同车速、不同降雨强度下的高速列车气动特性,并与无雨条件下的计算结果进行比较。研究表明,列车前端计算区域长度应达到雨滴运动水平距离的1.5倍。降雨强度增加,列车周围雨滴浓度整体上增大。雨滴越靠近尾车,浓度越大。车速越大,雨滴飞溅程度越大,飞溅的距离越远。在强降雨条件下,列车的整车阻力、头车阻力、中车阻力均随降雨强度和车速的增加逐渐增大;尾车阻力随降雨强度增加而减小,随车速增加而增大。气动阻力变化的百分比随着降雨强度的增加而增大,随着车速的增加而减小。

为研究随机风作用下高速列车的非定常气动载荷基于COOPER理论和谐波叠加法计算随高速列车移动的点的脉动风分析车速和平均风速对量纲一功率谱密度的影响。采用计算流体动力学方法数值计算气动载荷系数随侧偏角的变化规律研究随机风作用下高速列车非定常气动载荷的计算方法并推导出非定常气动载荷的概率分布特性。通过仿真分析车速为200～400 km/h平均风速为10～35 m/s时的脉动风和非定常气动载荷发现量纲一功率谱密度随车速的增加往高频部分移动平均风速的变化对其影响较小;平均风速对脉动风速的影响大于车速对脉动风速的影响;当考虑侧偏角的变化时计算得到的非定常气动载荷的波动增大;采用准定常法和改进准定常法计算得到的非定常气动载荷具有随机过程的遍历性而采用权重函数法及改进权重函数法计算得到的非定常气动载荷不具

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...