采用大涡模拟和FW-H方法,对1:8缩比8车编组北京轨道交通新机场线列车气动声学特征进行模拟研究。列车模型按照实际列车缩比而成,包含转向架、风挡和受电弓等复杂结构。列车运行速度分别为140,160,220和250 km/h。研究分析速度场、涡量场、压力脉动场和辐射声场等。研究结果表明:偶极子声源强度主要分布在尾车、头车流线型车底、第1个转向架、空调机组和受电弓区域;不同测点声压级随着频率的增加,总体呈现为先上升后下降的趋势,在400~700 Hz频率左右时测点声压级达到峰值;监测点的总声压级在头车流线型附近较大,在尾车及其下游,总声压级逐渐减小。

通过并列耦合双吊索节段模型的整体测振与测力风洞试验,研究不同间距下双吊索的整体振动行为与气动阻尼特性。引入驰振气动阻尼非线性项的动力方程模型,得到非线性振动的近似解析方法。基于弹性悬挂节段模型动力响应识别出驰振非线性气动参数,并与经典单自由度驰振理论结果进行对比分析。研究结果表明:并列耦合双吊索在一定工况下会发生剧烈的整体尾流致振现象,结构阻尼比对其起振风速影响明显;经典驰振理论求得的气动负阻尼绝对值要小于识别得到的气动负阻尼绝对值,横、顺风向两自由度耦合失稳较单自由度驰振更易发生。

采用通用CFD工程分析软件,对高速列车突入有间缝式开口缓冲结构的隧道的空气动力学特性进行三维数值模拟。分析间缝式单、双开口缓冲结构的最优结构形式,采用模型试验和现场测试方法,对数值分析结果进行比较验证。研究结果显示:与常规既有的缓冲结构相比,间缝式开口缓冲结构对压力梯度的降低效率更高,经济性更好。从控制隧道出口微气压波的需要,提出应综合考虑单位米长降低率与总降低率,来选择缓冲结构的形式及参数。

基于三维、不可压和定常N-S方程的数值模拟计算方法,从空调机组的安装位置和高度等2个方向着手,分析不同方案下列车运行时的气动特性。研究结果表明:当头车空调位置远离车头、尾车空调位置靠近车尾时列车总阻力最大,较之其他方案大2.66%左右;空调阻力随着车体高度增加而逐渐减小,当车体增加高度达到350 mm时,3节车总阻力下降7.55%,但与此同时,列车在横风环境下运行稳定性变差。

采用基于SSTκ-ω的DDES数值模拟计算方法,对城际列车的气动阻力进行研究。分析城际列车的阻力分布及组成,根据列车流场变化对列车表面进行平顺化,主要优化车下设备、风挡和空调等部位,分析各种措施减阻效果。通过对结果的分析对比,得出了其变化规律:列车气动阻力主要由压差阻力组成,占总阻力的70%~90%;列车转向架、车下设备、受电弓及风挡连接处流场变化比较剧烈,需通过外形优化进行减阻。优化模型减阻效果显著,以设备舱的形式封装车下设备,总气动阻力下降3.7%;封装车下设备的同时采用外风挡,列车总气动阻力下降12.7%;增加2种不同角度的空调导流装置,总气动阻力分别下降16.3%和18.9%。

采用数值模拟方法,在明线及横风环境运行条件下,对城际列车安装裙板或设备舱后车底设备的气动性能进行分析。研究结果表明:明线条件下,安装裙板后整车阻力下降7.48%,而采用设备舱结构整车阻力下降10.51%;横风条件下,安装裙板后减少了车底设备的气动阻力,但各节车侧向力增加2%～8%;采用设备舱结构各车阻力下降39.22%,23.52%,30.02%和43.70%,头车侧向力急剧变化,增加了61.76%,列车行驶安全性下降。本文为城际列车的外形优化提供参考依据。

采用三维、可压缩、非定常N-S方程的数值计算方法,研究A型地铁列车在隧道内加减速时车体表面压力变化和车内压力变化,分析隧道净空面积与密封指数的关系,并采用动模型实验验证数值计算准确性。研究结果表明:列车在隧道内运行时,随着阻塞比的减小,测点压力幅值随之减小,主要体现在对正峰值的影响,压力变化规律基本一致;阻塞比越小,列车表面压力幅值随列车长度方向的变化趋势越平缓;列车以匀速、减速和加速3种方式运行,隧道断面为22 m2时,根据美国标准列车气密性需分别大于6,3和6 s,根据国内标准需分别大于10,6和10 s;隧道净空面积小于35 m2时,根据美国标准列车气密性需分别大于2,0.7和1.5 s,根据国内标准需分别大于3,0.4和1.5 s。

基于空气动力学数值模拟方法,针对列车不同部位的转向架和转向架结构表面的气动阻力分布进行分析,对高速动车组列车整车气动效应进行数值仿真。研究结果表明:转向架流场区域在靠近来流端的上部会形成部分死水区,该区域流场与外部质量交换较小,转向架结构表面在来流方向上游会形成一个正压区,在下游方向的转向架结构表面会形成小范围的负压区。列车头车转向架气动阻力明显高于中间车和尾车,其中列车头车I位转向架受到的气动阻力最大,其次是头车II位端转向架,列车的中间车和尾车转向架阻力分布较为均匀,均为头车转向架阻力的60%左右。

为研究兰新高铁大风区段挡风墙对接触网正馈线气动特性的影响，基于流体力学建立正馈线流场模型，分别针对无墙和有墙的情况，分析正馈线在不同风速下气动特性的变化规律。研究结果表明:挡风墙对气流有较强的汇聚作用，大幅增加了正馈线周围的空气流动速度。随着来风速度的增大，挡风墙后正馈线处风攻角也随之增大，当风速达到15 m/s 及以上时，攻角基本稳定在29°~30°之间。有墙条件下正馈线升力及阻力系数幅值加大且呈现无规律振荡，挡风墙对正馈线气动力的增大效应是导致正馈线发生低频高幅舞动的主要原因。挡风墙外形尺寸对于正馈线气动特性有重要影响，选择合适的高度和截面宽度可一定程度改善正馈线气动特性，以减少舞动的发生。

为了研究时速140km/h高速地铁列车以不同运行方式在隧道中运行时的气动效应,采用三维、可压、非定常N-S方程的数值计算方法,对地铁列车由明线驶入隧道及站间运行时产生的气动效应进行数值模拟,分析不同运行方式对高速地铁隧道气动效应的影响。研究结果表明:列车站间运行时,车体表面测点压力峰峰值沿车长方向基本不变;而列车由明线驶入隧道时,车体表面测点压力峰峰值从头车向尾车逐渐降低。2种运行方式下的隧道壁面测点压力峰峰值均在中间风井处达到最小值。并且列车由明线驶入隧道时的最大车体表面和隧道壁面压力峰峰值分别为列车站间运行时的1.37倍与1.49倍。不同列车密封指数下,列车由明线驶入隧道时的车内压力变化均大于列车站间运行时的车内压力变化。因此,地铁列车由明线驶入隧道时的空气动力学效应比站间运行时更加不利。