以国内某型高速列车的3车编组模型及不同形式外风挡为研究对象,采用大涡模拟和FW-H声学方程结合的计算方法,探究车端外风挡间隙和包覆面积对整车气动噪声的影响,得出增加外风挡包覆面积、采取对接密贴风挡有助于降低车端气动噪声,并通过风洞试验进行了验证。

为探明横风作用下车体侧滚对列车气动性能和运行稳定性的影响,采用三维、定常、不可压缩雷诺时均方程和k-ε双方程湍流模型,对CRH5G动车组进行仿真计算。研究结果表明:当侧滚角从0°增加到2.5°时,车底部迎风侧负压减小,绝对值最大相差532 Pa,车顶迎风侧负压增大,绝对值最大相差579 Pa,车底压力变化的区域更大,车顶和车底背风侧的压力变化都不大;头车后部车底负压减小,绝对值最大相差470 Pa;气动力方面,列车升力增大,头车升力变化最为明显,从0.15 k N增加到16.6 k N;头车的点头力矩提升了20%,尾车的点头力矩下降了7%;进一步的车辆动力学仿真计算结果表明:车体侧滚引起的气动载荷变化对列车脱轨系数、倾覆系数的影响很小。因而在研究横风作用下的列车运行稳定性时,一般可不考虑车体侧滚对气动性能的影响。

基于三维、不可压和定常N-S方程的数值模拟计算方法,从空调机组的安装位置和高度等2个方向着手,分析不同方案下列车运行时的气动特性。研究结果表明:当头车空调位置远离车头、尾车空调位置靠近车尾时列车总阻力最大,较之其他方案大2.66%左右;空调阻力随着车体高度增加而逐渐减小,当车体增加高度达到350 mm时,3节车总阻力下降7.55%,但与此同时,列车在横风环境下运行稳定性变差。

采用数值模拟方法,在明线及横风环境运行条件下,对城际列车安装裙板或设备舱后车底设备的气动性能进行分析。研究结果表明:明线条件下,安装裙板后整车阻力下降7.48%,而采用设备舱结构整车阻力下降10.51%;横风条件下,安装裙板后减少了车底设备的气动阻力,但各节车侧向力增加2%～8%;采用设备舱结构各车阻力下降39.22%,23.52%,30.02%和43.70%,头车侧向力急剧变化,增加了61.76%,列车行驶安全性下降。本文为城际列车的外形优化提供参考依据。

采用三维、可压缩、非定常N-S方程的数值计算方法,研究A型地铁列车在隧道内加减速时车体表面压力变化和车内压力变化,分析隧道净空面积与密封指数的关系,并采用动模型实验验证数值计算准确性。研究结果表明:列车在隧道内运行时,随着阻塞比的减小,测点压力幅值随之减小,主要体现在对正峰值的影响,压力变化规律基本一致;阻塞比越小,列车表面压力幅值随列车长度方向的变化趋势越平缓;列车以匀速、减速和加速3种方式运行,隧道断面为22 m2时,根据美国标准列车气密性需分别大于6,3和6 s,根据国内标准需分别大于10,6和10 s;隧道净空面积小于35 m2时,根据美国标准列车气密性需分别大于2,0.7和1.5 s,根据国内标准需分别大于3,0.4和1.5 s。

采用大涡模拟与声类比相结合的方法，对高速列车车辆连接部位不同尺寸参数时的气动噪声进行了数值模拟，并提出降噪改进方案。研究得到了高速列车以300km／h速度运行时车辆连接部位的气动噪声分布，结果表明：车辆连接部位气动噪声在很宽的频带内存在，是宽频噪声；各监测点气动噪声频谱在低频时幅值较大，随着频率的增大先增大后减小，1／3倍频程A声压级主要集中在315～1000Hz频率范围内；车辆连接部位不同尺寸参数中，气动噪声声压级幅值随着凹槽长度L和高度H的增大而有所增加；采用全风挡方案较无风挡时，有效避免气流在凹槽内剧烈扰动，气动噪声显著改善，声压级平均降幅约为9．4％，总声压级平均降幅4．27dBA；研究结果为低噪高速列车的初期研制设计提供科学依据。

为制定时速250 km速度等级动车组设备舱裙板气动载荷谱,通过对实际运行中的时速250 km等级动车组设备舱裙板气动载荷开展线路测试研究,并将全线所有列车通过隧道、列车明线交会工况集中起来统计分析,得出了设备舱裙板各测点内外压差的最大值、最小值和峰峰值的统计分布规律.经分析,列车隧道通过、隧道交会、明线交会时,设备舱裙板各点绝对压力的有不同特征;设备舱裙板气动载荷压差峰峰值最大不超过1500 Pa,该值可作为时速250 km速度等级列车设备舱裙板静强度载荷设计输入参考值;压差峰峰值主要集中在1000 Pa左右,该值可以作为时速250 km等级动车组设备舱裙板气动载荷疲劳设计输入参考值.

为探明不同线间距下600 km/h高速磁浮列车明线交会时的气动特性,基于三维、非定常、可压缩的N-S方程和SST k-ω湍流模型,采用重叠网格技术,分析列车明线交会时的车身周围流场结构、列车交会压力波和列车侧向力,通过动模型试验来验证数值模拟方法的准确性。研究结果表明:在不同线间距下,列车交会时的车身周围流场分布特征相似,随线间距增大,列车尾涡展向角逐渐增大,两交会侧车身之间流场的速度和压力不断减小;不同线间距下的列车压力波变化规律一致,压力波幅值与列车运行速度的二次方近似呈正比,当线间距由5.1 m分别增大至5.6 m和6.1 m时,压力波幅值分别减小28.2%和42.4%,且增大线间距对列车压力波正波缓解作用比负波的大,头波的缓解作用比尾波的大;列车交会过程中头车侧向力幅值比尾车和中间车的幅值大,增大线间距对尾车侧向力的缓解作用比头...

高速磁浮列车设计速度高达600 km/h,明线交会时压力波幅值激增,容易导致列车结构疲劳损伤。作为影响高速列车明线交会气动特性的关键参数,线间距是研究重点之一。本文采用计算流体力学数值仿真方法和网格滑移技术,模拟了高速磁浮列车在线间距5.1 m、5.4 m、5.6 m的线路上明线交会时的气动特性,对比分析了高速磁浮列车表面压力分布及列车气动力/力矩的变化规律。结果表明明线交会时,列车气动升力、侧向力和倾覆力矩随着线间距的增加明显降低;列车表面测点压力最大值、最小值的绝对值以及最大压力幅值随线间距增加近似呈线性关系降低;线间距5.1 m时,高速磁浮列车表面最大压力幅值为5379 Pa,小于车体承载极限±6000 Pa,满足600 km/h交会时对气动特性的要求。

机车运行过程中,排障器能有效地清除轨道上的障碍物,同时由于受到气动阻力作用,排障器对机车的气动性能有一定影响。采用求解三维、不可压、定常N-S方程的数值计算方法分别对安装不同外形排障器的机车运行时气动性能进行模拟,并针对模拟结果提出外形结构优化方案。结果表明:在机车运行时,不同外形排障器迎风面受到的气动阻力均较大,占机车气动总阻力的26.09%~31.82%;通过对排障器的迎风端面进行开孔处理,可以有效地减少排障器受到的气动阻力,阻力系数减少2%~10%;在同等的开孔面积下,开孔方向对减阻效果有一定影响,横向开孔方案比竖向开孔方案减阻效果更佳。