转向架对高速列车气动特性影响研究

论文摘要

随着列车速度的不断提高,空气对高速列车产生气动作用的影响越来越大,而列车运动引起的气流流动也严重的影响了沿线周边环境。同时,列车速度的提高加剧了轮轨间作用力,运行能耗增加,这些均对车辆设计及运行控制提出了更高的要求。而以往建模时常被忽略的转向架,影响的不仅是列车的气动性能,同时也是轮轨关系及地面效应研究的基础。因此,以往过多简化模型计算得到的结果越来越不能满足现代高速列车的设计及运行控制要求。本文正是在以往研究的基础上,建立更为详细的计算模型,采用数值计算方法研究了列车周围的流场分布特性及转向架对列车气动特性的影响,一方面为车辆设计及运行控制提供更为准确的气动数据,另一方面也为进一步深入研究轮轨间热应力及地面效应的影响奠定了基础。文中基于列车空气动力学,根据明线上列车绕流特点,以Navier-Stokes方程和k-ε两方程湍流模型为基础,建立适用于求解列车三维湍流场的计算模型,利用计算流体动力学软件（STAR-CD）,对不同横风及运行速度下有无转向架列车的气动特性和外流场特性进行了详细的数值计算研究,得到可视化的图形结果,给出不同运行工况下列车周围流场的速度、压力分布及列车尾流的特性。此外,对列车的风挡进行了计算分析,得到列车不同运行速度下风挡凹槽处压力及速度变化规律,与有外风挡时相比,列车气动阻力增加了近3.4%。文中还对轮对进行了单独分析,利用移动网格技术,通过编程对节点的移动对位进行控制,实现轮对的旋转,分析轮对以不同速度旋转时对其周围速度和压力分布的影响。本文通过对转向架详细建模,采用移动网格技术实现轮对旋转,利用数值模拟方法对高速列车及周围环境进行了研究,计算数据为今后高速列车的设计与运行提供了参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 国内外研究发展现状
• 1.3 研究目的和主要内容
• 1.4 本文所采用的技术方案和手段
• 第2章 列车空气动力学基础
• 2.1 列车空气动力学基本特征
• 2.1.1 列车纵向绕流流动
• 2.1.2 具有横风效应的高速列车绕流流动
• 2.1.3 列车空气阻力
• 2.1.4 列车风
• 2.1.5 会车压力波
• 2.1.6 气动噪声
• 2.2 数值模拟方法
• 2.3 本章小结
• 第3章 流场数值仿真的理论基础
• 3.1 列车外部流场特性
• 3.2 流场控制方程
• 3.3 湍流流场的数值模拟方法
• 3.3.1 k-ε两方程湍流模型
• 3.3.2 壁面函数与高雷诺数湍流模型结合
• 3.4 本章小结
• 第4章 高速列车气动力特性分析
• 4.1 STAR-CD软件的介绍
• 4.2 计算模型的建立
• 4.2.1 数学模型
• 4.2.2 几何模型
• 4.3 计算模型和边界条件
• 4.3.1 计算区域与网格划分
• 4.3.2 边界条件
• 4.4 高速列车气动力特性
• 4.4.1 无横风时列车气动力性能
• 4.4.2 横风下列车气动力特性
• 4.5 轮对气动性能及周围流场特性
• 4.5.1 网格移动与信息交换
• 4.5.2 计算结果与分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 高速列车外流场特性分析
• 5.1 无横风时列车外流场特性
• 5.1.1 列车上部流场特性
• 5.1.2 列车下部流场特性
• 5.1.3 列车侧面流场特性
• 5.1.4 列车尾流特性
• 5.1.5 列车风挡处流场特性
• 5.2 横风下列车外流场特性
• 5.2.1 列车上部流场特性
• 5.2.2 列车下部流场特性
• 5.2.3 列车侧面流场特性
• 5.2.4 列车尾流特性
• 5.3 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表论文