高速列车明线会车气动特性研究

论文摘要

随着我国高速铁路的飞速发展,列车高速运行时引发的空气动力学问题也日益突出,尤其当两列车交会时,两车之间的气流受到挤压,在列车表面产生很强的瞬态压力冲击,有可能会使车窗玻璃受气动冲击而损坏,如果压力波传入密封性不好的客室还可能导致乘客耳鸣、头晕等不适症状。此外,各节车厢也会受到交变的气动作用力和力矩冲击,有可能引发列车横向、垂向振动以及蛇形运动,不但加剧了轮轨磨耗,影响列车安全、稳定运行,而且严重情况下甚至会产生列车脱轨、倾覆等重大的事故。然而,高速列车明线会车压力波和气动作用力（矩）变化规律,以及影响它们大小的主要因素如两列车运行速度、列车外形尺寸和线间距或车间距等参数之间具体关系式还很欠缺。而当列车高速通过声屏障时,列车风产生很大的空气压力脉动载荷作用在声屏障上,对声屏障的疲劳寿命有很大影响,一旦声屏障因强度或疲劳破坏而失效,有可能危及行车安全。为了实现高速列车的安全、舒适、低能耗等要求,必须对列车交会过程气动特性进行深入细致的研究。文中基于三维、粘性、非定常、可压缩、非稳态流体控制方程和k-ε紊流模型,采用CFD有限体积法和移动网格技术对某型高速列车明线会车压力波和气动作用力（矩）进行了模拟分析。分析了列车交会时车体表面压力和气动作用力（矩）的变化过程,得到压力波峰值沿列车纵向、垂向的分布规律,以及各节车厢气动作用力之间的异同。通过计算6个线间距下列车以多种速度按照单车静止交会、等速交会和不等速交会的压力波与气动作用力（矩）,找出研究列车以任意速度交会压力波和气动作用力（矩）大小的方法,得到会车压力波和气动作用力（矩）与列车交会速度、线间距和车间距定量关系式。此外,还分析了列车等速交会时3种不同类型及2种高度声屏障压力波和气动力,为高速铁路和高速列车的设计提供参考。计算结果表明：（1）列车交会时,车身表面各测点会车压力以及各节车厢气动作用力的头波和尾波峰值大小和形状与该处的气流合速度的方向和大小有关。（2）列车会车压力波与气动作用力（矩）的大小不但与交会列车运行速度大小有关,而且与相对速度比即通过列车速度与相对速度的比值存在函数关系。当列车以任意速度交会时,会车压力波峰值和幅值与相对速度比为6次多项式关系；气动阻力系数与相对速度比为4次多项式关系；气动侧向力系数与相对速度比为2次方多项式关系；气动升力系数、侧翻力矩系数、俯仰力矩系数、偏转力矩系数与列车相对速度比均为3次方多项式关系。（3）会车压力波和气动作用力（矩）与线间距或车间距为负指数关系。（4）随着相对速度比的减小,压力波和气动作用力（矩）尾波相对头波下移,因此对于不等速交会中速度高的列车来说,与列车车尾交会时的气动特性危害程度有可能远大于与列车头车交会气动特性。（5）气动俯仰力矩、偏转力矩在列车交会过程中出现6个峰值,方向改变4次,对列车平稳运行影响更大。（6）不同结构形式的声屏障所受气动作用力是不一样的：单位长度上直立型声屏障所受气动力最小,倒L型声屏障最大,内倾45°型居中；声屏障受到的气动力随着列车速度提高而增加,气动力与列车速度的二次方成正比；随声屏障高度增加,所受到得气动力相应增加。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 研究内容
• 1.4 研究方法
• 第2章 数值计算方法
• 2.1 流体流动与传热问题的控制方程
• 2.2 紊流流动数值模拟
• 2.2.1 紊流流动数值模拟方法
• 2.2.2 紊流模型
• 2.2.3 壁面函数法
• 2.3 流场数值计算方法
• 2.3.1 常用的数值计算方法介绍
• 2.3.2 有限体积法的基本思想
• 2.3.3 有限体积法离散方程的解法
• 2.4 移动网格技术
• 第3章 列车交会模型的建立与验证
• 3.1 基本假设
• 3.2 计算模型的建立
• 3.2.1 几何模型建立
• 3.2.2 确定计算区域
• 3.2.3 CFD计算网格生成
• 3.3 边界条件
• 3.3.1 压力边界条件
• 3.3.2 固壁边界条件
• 3.3.3 对称边界条件
• 3.3.4 滑移边界条件
• 3.4 列车交会计算模型验证
• 第4章 列车交会压力波分析
• 4.1 列车交会压力波基本特性
• 4.2 会车压力波峰值和幅值沿列车纵向和垂向变化
• 4.2.1 会车压力波峰值和幅值沿列车纵向变化
• 4.2.2 会车压力波峰值和幅值沿列车垂向变化
• 4.3 列车交会压力波与运行速度的关系
• 4.3.1 列车等速交会
• 4.3.2 单车静止会车
• 4.3.3 列车不等速交会
• 4.3.4 关于列车会车压力波的说明
• 4.4 列车会车压力波与线间距、车间距的关系
• 4.5 列车会车压力波与速度和线间距关系
• 4.6 本章小结
• 第5章 列车交会气动作用力分析
• 5.1 列车交会气动作用力基本特性
• 5.2 列车交会气动作用力与运行速度的关系
• 5.2.1 列车交会气动阻力分析
• 5.2.2 列车交会气动侧向力分析
• 5.2.3 列车交会气动升力分析
• 5.2.4 列车交会气动侧翻力矩分析
• 5.2.5 列车交会气动俯仰力矩分析
• 5.2.6 列车交会气动偏转力矩分析
• 5.3 列车交会气动作用力与线间距、车间距关系
• 5.4 本章小结
• 第6章 明线会车气动特性对列车和线路的部分影响
• 6.1 列车会车压力波对客室乘坐舒适性的影响
• 6.2 列车交会对铁路声屏障结构的影响
• 6.2.1 计算模型的建立
• 6.2.2 声屏障上气动压力分布
• 6.2.3 列车交会通过声屏障气动作用力
• 6.2.4 不同高度声屏障气动力比较分析
• 6.3 本章小结
• 结论与展望
• 结论
• 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文