基于颗粒轨道模型的高速列车多相流数值模拟和分析

论文摘要

现如今我国高速铁路发展的步伐不断加快,随着列车速度的提高,在不同工况下所受到的气动性能也愈发复杂；随着铁路线路的不断延伸以及我国复杂多变的天气环境,高速列车在恶劣天气环境下的行车安全也越发重要。本文主要采用定常不可压N-S方程、标准k-ε两方程的湍流模型、以及基于颗粒轨道的多相流模型,通过Fluent软件研究高速列车在降雨和冰雹条件下行驶时的情况。论文的第一部分主要研究列车在单相流条件下受到的气动力。首先建立列车模型,考虑了转向架、受电弓和风挡等复杂的列车部件；其次求解基于欧拉方法的N-S方程和湍流方程,并模拟以270km/h的速度在明线行驶的列车外流场,计算压力分布,分析阻力、升力以及其系数,并与试验结果进行对比；研究揭示了列车每一个部件对整车气动性能的影响,分析了造成这些影响的原因,研究结果对减阻设计和列车外形设计具有一定的参考价值。论文的第二部分主要研究列车在降雨和冰雹条件下受到的气动力。首先求解基于拉格朗日方法的颗粒轨道模型,并应用于雨滴和冰雹等不同颗粒；其次,在Fluent软件中加入离散相模型,计算NACA机翼在大雨中的气动性能并与实验数据对比,发现两者较好吻合,验证了拉格朗日-欧拉方法相结合的多相流模型；接着将验证过的计算模型应用于高速列车多相流的模拟,即高速列车在降雨和冰雹环境下行驶的数值模拟,观察列车周围和表面第二相颗粒的分布,并解释造成这些现象的原因；对比明线行驶和多相流环境中的气动力如阻力、升力和横向力等,研究第二相对列车行驶安全的影响,为列车行车安全提供理论依据。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目次
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 研究内容和方法
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究方法
• 2 计算流体动力学控制方程
• 2.1 基于欧拉方法的N-S方程
• 2.1.1 质量守恒方程（连续性方程）
• 2.1.2 动量守恒方程
• 2.1.3 能量守恒方程
• 2.2 湍流模型
• 2.2.1 湍流数值模拟方法
• 2.2.2 k-ε两方程模型
• 2.3 多相流模型
• 2.3.1 气固两相流动模拟
• 2.3.2 基于拉格朗日方法的颗粒轨道模型
• 3 高速列车稳态行驶的数值模拟分析
• 3.1 高速列车几何模型
• 3.2 数值模拟设置
• 3.2.1 计算区域设置及网格的创建
• 3.2.2 数值模拟边界条件设置
• 3.2.3 数值模拟计算参数选择
• 3.3 计算结果及分析
• 3.3.1 列车气动力分析
• 3.3.2 列车外流场特性分析
• 3.3.3 速度特性
• 3.3.4 列车部件对整车气动性能影响分析
• 3.4 本章小结
• 4 高速列车在降雨和冰雹天气下行驶的数值模拟分析
• 4.1 DPM离散相模型简介
• 4.1.1 离散相模型的求解过程
• 4.1.2 离散相模型边界条件设置
• 4.2 离散相模型在机翼算例中的验证
• 4.3 高速列车在降雨中行驶的数值模拟
• 4.3.1 雨滴颗粒参数的确定
• 4.3.2 数值模拟结果及分析
• 4.4 高速列车在冰雹中行驶的数值模拟
• 4.4.1 冰雹颗粒相关结果及分析
• 4.4.2 列车在冰雹中运行相关结果及分析
• 4.5 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 在学期间所取得的主要科研成果