风沙流结构是研究风沙流运动的重要内容,沙粒的起跳速度的分布对其有重要影响。这里使用光滑粒子流体动力学方法(Smooth Particle Hydrodynamics,简称SPH方法),建立了气体和沙粒的受力模型、沙粒之间的碰撞模型以及两相之间的耦合机制,分别模拟了两种粒径的沙粒在单一粒径沙粒条件下,在分布均匀的沙床面上从起跳到风沙流稳定的过程。发现沙粒的起跳速度分布符合Gamma分布,输沙率在约3000步后达到稳定,稳定后输沙量沿高度的分布属于分层结构。模拟结果证明SPH方法能够进一步应用在风沙流结构的数值模拟研究中。

随着城市化进程加快,越来越多的城市街谷涌现,研究城市街谷内流场及污染物扩散规律对城市规划有一定的指导意义。这里使用计算流体力学法(CFD),建立了气体和污染物分子在城市街谷内流动模型。模拟带房裙街谷与传统街谷,以及不同高度房裙时,街谷内污染物分子扩散效果对比。研究发现街道内污染物均在背风侧淤积,而相较于传统街谷,带有房裙街谷污染物扩散效果更好,随着房裙高度的降低,街谷内污染物分子浓度越低,即污染物分子的扩散效果越好。

为研究高速列车在不同车速下受到强风沙的冲蚀效应,基于欧拉-拉格朗日体系,利用DPM模型将风和空气设为连续相,将沙子颗粒设为离散相,对不同车速、沙粒粒径和风速下的高速列车的冲蚀效应进行了数值模拟。结果表明:随着列车车速的增加,冲蚀率开始的增速较缓,后来急剧增加;随着颗粒直径的增加,冲蚀率开始时增长较快,后面增长较为平缓。随着风速的增加,列车的冲蚀率开始时增长较缓慢,同时随车速的增大,列车的冲蚀率也逐渐增大。为研究高速列车车体处实际的冲蚀效应,在忽略涂层的情况下,采用冲蚀磨损实验机与数值模拟结合的方法,研究颗粒形状与质量流量对冲蚀效应的影响。结果表明:当颗粒形状因子增加时,车体的侵蚀率下降,而决定车体的冲蚀磨损主要是微切削磨损,当质量流速增加时,磨损率先增加后下降。

为研究风沙耦合作用对高速列车运行状态的影响,基于流体动力学理论建立高速列车空气动力学模型。采用三维、定常、不可压雷诺时均Navier-Stokes方程和标准κ-ε两方程湍流控制模型,模拟计算列车在平地、路堤和桥梁上行驶时的气动特性。沙粒采用欧拉-拉格朗日方法进行离散化处理,气流为连续化处理,这种处理方式与风沙自然状态非常吻合。研究结果表明高速列车在有沙环境下的表面压力远大于无沙环境;列车头车受到的气动阻力最大,且沙粒对头车阻力的影响极为显著,较无沙环境头车阻力增加了(10~12)%;头车受到的倾覆力矩最大,尾车受到的倾覆力矩最小,方向与头车的受力相反;桥梁路况最大正压区相对较大,且列车两侧压力差最大,桥梁迎风侧凹槽处产生漩涡,背风侧产生双回流现象,致使气动性能最差。

为研究高速列车在风沙环境中运行时的空气动力学性能及冲蚀特性,基于Navier-Stokes方程和标准κ-ε方程控制模型,运用FLUENT软件中离散相模型(DPM)对沙粒进行离散化处理,对气流进行连续化处理。数值模拟了高速列车运行速度为250km/h,风速为20m/s时,高速列车在风沙环境下的表面压力、气动阻力、黏性力及冲蚀特性,采用欧拉-拉格朗日方法进行求解计算。研究结果表明列车在高速运行时最大正压主要在分布在车头鼻翼处,受风沙影响时列车的表面压力有所增大;列车运行的速度越大或沙粒颗粒直径越大,车头冲蚀越严重;在风沙环境下行驶时,头车阻力系数增加了32%,车尾增加了25%,升力和黏性力有不同程度的减少。

为了研究强风沙环境下高速列车运行的安全性能和气动性能,基于空气动力学理论,运用Navier-Stokes方程、标准k-ε湍流模型对气流进行连续化处理,应用DPM模型对沙粒进行离散化。算例采用欧拉-拉格朗日方法进行求解。研究结果表明:随着挟沙风速的增大,列车背风侧的涡流强度有所降低,但在背风侧的近地面,列车的流线越来越不规则;除此之外,列车车身的压力会随着挟沙风速的增大而增大,会随着沙粒直径的增大而有所降低;随着挟沙风速的增大,列车的阻力、侧力、升力均增大。随着沙粒直径的增大,列车的升力、侧力、阻力、倾覆力矩均有所降低,但比净风情况下要大。研究结果对强风沙地区合理设计高铁线路具有一定的参考价值。

为研究不同偏航角下风沙耦合作用(激励)对高速列车的气动性能和冲蚀特性的影响,基于空气动力学理论,采用Navier-Stokes方程、标准κ-ε湍流模型对气流进行连续化处理,应用DPM模型对沙粒进行离散化处理。模拟车速230 km/h、风速30 m/s条件下,0°偏航角、45°偏航角和90°偏航角3种工况下,列车的气动特性、冲蚀特性以及侧力系数、阻力系数的变化规律,采用欧拉-拉格朗日方法分别进行求解。研究结果表明:随着偏航角的增大,正压区域逐渐向侧面扩大,涡流也逐渐增大,阻力系数减小,侧力系数逐渐增大;90°偏航角有沙侧力系数是0°偏航角有沙的250倍,90°偏航角无沙侧力系数是0°偏航角无沙的142倍;冲蚀面积由头部向侧面转移且增加,冲蚀率增加。

为明确兰新二线桥梁防风栅的防风效果以及防风栅背风侧流场分布情况,选取兰新二线新疆段桥梁中最具代表性的32 m箱梁结构建模,基于Fluent风沙两相流非定常模型,运用标准κ-ε湍流模型,对风沙环境下高速铁路桥梁及防风栅整体风场分布特征进行定性的模拟分析。结果表明:在设置单侧、双侧防风栅后,会在防风栅背风侧形成一个相对连续的风压减速区;在布置单侧、双侧风栅的情况下,防风栅背风侧距床面0.4 m高位置处风速变化规律基本呈现先减小再增大趋势,且不同高度条件下的风速垂直廓线基本一致,呈先增大后减小再增大的趋势,双侧防风栅背风侧的风速变化始终小于单侧防风栅;在双侧防风栅作用下,随着风速的增加,在距上行线道床面1.2 m以上至防风栅自身高度区间内风速变化保持稳定;防风栅在一定程度上会加剧桥梁轨道线路上方的积沙。

为研究西北戈壁地区新疆段桥梁防风栅的防风效果,基于Fluent风沙两相流非定常模型,采用标准κ-ε湍流模型,选取兰新高铁中最具代表性的32 m箱梁结构,分析风沙环境下不同孔隙率防风栅对高速铁路桥梁及防风栅自身风沙流场分布的影响。结果表明:一定孔隙率的防风栅会降低迎风气流速度,对防风栅周围流场施加阻力,造成气流动量损失,从而对背风面产生遮蔽作用;防风栅可以阻挡部分来流风,但会使桥梁上的阻力和力矩增加,降低桥梁的抗风性能;防风栅孔隙率过低不利于桥梁稳定性,过高不利于列车行驶安全,20%~30%孔隙率的防风栅较优。

为研究携沙强横风在不同路堤下对高速列车气动特性的影响,建立简化的高速列车模型,采用三维、定常、不可压雷诺时均Navier-Stokes方程和标准κ-ε两方程湍流模型,数值模拟高速列车在单线路堤、双线路堤、半堑路堤的气动性能,分析列车在不同路堤倾角的流场结构,计算列车的侧力系数、升力系数、倾覆力矩与路堤倾角之间的关系。结果表明:不同类型的路堤下,在列车背风侧近地面处,都生成一个形状不规则的漩涡,漩涡的大小与路堤倾角正相关,且负压的最