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