高速列车通过桥梁时相互气动性能的数值研究

论文摘要

随着我国高速铁路的发展和列车车速的日益提高,列车空气动力学问题越来越受到重视。高速列车在桥梁上运行时的空气动力作用不仅是一个关系高速列车安全运行的重要工程技术问题,而且也是关系到旅客乘坐舒适性的问题,因此,研究高速列车在桥梁上运行时相互气动特性具有重要意义。针对高速列车在桥梁上运行时的气动特性问题,本论文以三维不可压缩的Navie-Stokes方程和RNGκ-ε两方程湍流模型为基础,采用有限体积法和动网格技术建立了列车空气动力学数值计算模型,综合桥梁、轨道板等因素,研究了不同风环境下列车在桥梁上运行时的相互气动特性。主要概括为以下几个方面：（1）建立高速列车——桥梁系统三维仿真模型,对比了静网格格模型和动网格模型的计算结果,二者结果相差不大,但动网格模型更加与列车实际运行相符,所以本文模拟列车运行采用动网格技术。（2）按照风洞实验的要求,利用静网格技术模拟1：20缩尺比模型下列车在不同位置时对桥梁节段的气动性能影响,总结分析其各气动系数的变化规律；此外还研究了列车在不同风偏角工况下,列车气动系数的变化规律。（3）研究列车在桥梁上运行时的相互气动特性。分别研究了列车车速和侧风风速对列车在桥梁上运行时的相互气动特性影响,同时对比了列车在迎风侧和背风侧运行时的气动力系数,研究了不同梁高对列车运行的气动性能影响,最后研究得出了列车气动力系数随风偏角的变化规律,为风作用下列车通过桥梁时的动力响应及行车安全性、舒适性研究提供基础数据。（4）研究了静风和不同侧风速度下列车等速会车时列车和桥梁的相互气动特性,总结对比了各气动力系数的变化规律和原因。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本文研究背景
• 1.2 国内外研究概括
• 1.2.1 国外研究成果
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 列车—桥梁系统空气动力的研究方法
• 1.3.1 实车试验研究
• 1.3.2 模型风洞实验研究
• 1.3.3 CFD数值模拟在桥梁工程中的应用研究
• 1.4 课题研究意义
• 1.5 本文主要研究内容
• 第二章 CFD数值模拟的方法和原理
• 2.1 流场描述的基本方程
• 2.1.1 质量守恒方程
• 2.1.2 动量守恒方程
• 2.1.3 能量守恒方程
• 2.2 湍流模型的模拟方法
• 2.3 计算区域的离散和数值模拟的计算过程
• 2.3.1 CFD的计算区域的离散方法
• 2.3.2 CFD数值模拟的计算过程
• 2.4 动网格计算方法概述
• 2.4.1 动网格守恒方程
• 2.4.2 动网格更新方法
• 2.5 用户自定义函数（UDF）
• 2.5.1 UDF的实际应用
• 2.5.2 动态网格的DEFINE宏
• 2.5.3 编译及连接用户定义函数（UDF）
• 2.6 本章小节
• 第三章 高速列车—桥梁数值模拟模型的建立
• 3.1 数学模型
• 3.2 几何模型
• 3.3 流体计算区域的确定和网格划分
• 3.3.1 流体计算区域的确定
• 3.3.2 网格划分
• 3.4 高速列车和桥梁受力分析
• 3.5 动网格模型和静网格对比验证
• 3.5.1 模型介绍
• 3.5.2 气动力系数对比
• 3.6 本章小节
• 第四章 高速列车-桥梁相互气动性能的实验理论分析
• 4.1 列车在不同位置对桥梁节段气动性能的影响
• 4.1.1 迎风侧下列车在桥梁上不同位置对桥梁的气动力的影响
• 4.1.2 背风侧下列车在桥梁上不同位置对桥梁的气动力的影响
• 4.2 不同风偏角下列车和桥梁相互气动性能影响
• 4.2.1 迎风侧下列车和桥梁相互气动性能影响随风偏角的变化规律
• 4.2.2 背风侧下列车和桥梁相互气动性能影响随风偏角的变化规律
• 4.3 本章小节
• 第五章 侧风下列车在桥梁上运行时相互气动性能研究
• 5.1 高速列车—桥梁动网格模型
• 5.2 不同车速下高速列车和桥梁相互气动性能的影响
• 5.2.1 不同车速高速列车对桥梁气动性能影响
• 5.2.2 不同车速的高速列车在桥梁上运行时的气动性能
• 5.3 不同侧风风速对高速列车和桥梁相互气动性能的影响
• 5.3.1 不同侧风风速下列车对桥梁的气动性能影响
• 5.3.2 不同侧风风速下高速列车在桥梁上运行时的气动性能
• 5.4 迎风侧和背风侧下列车在桥梁上运行时气动性能研究
• 5.4.1 迎风侧和背风侧下列车对桥梁气动性能的影响
• 5.4.2 迎风侧和背风侧下列车运行的气动特性研究
• 5.5 列车在不同梁高的桥梁上运行时气动性能研究
• 5.5.1 不同梁高下列车运行对桥梁的气动性能影响
• 5.5.2 列车在不同梁高的桥梁上运行时的气动特性研究
• 5.6 不同风偏角下列车运行的气动性能研究
• 5.7 本章小节
• 第六章 高速列车在桥梁上会车时气动性能研究
• 6.1 高速列车交会模型的建立
• 6.2 静风环境下等速会车时列车和桥梁相互气动性能影响
• 6.2.1 列车不同车速的等速会车对桥梁气动性能的影响
• 6.2.2 列车不同车速的等速会车时列车气动性能研究
• 6.3 侧风环境下列车等速会车时气动特性特性研究
• 6.3.1 迎风侧列车头车的气动特性变化规律
• 6.3.2 迎风侧列车尾车的气动特性变化规律
• 6.4 本章小节
• 第七章 总结与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要研究成果