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