建立高架桥和城际动车组的三维模型,应用ANSYS ICEM软件生成结构网格,采用RANS湍流方程开展定常计算以及大涡模拟进行非定常计算,得到车体表面压力时程曲线。通过风洞试验验证数值计算的网格模型和仿真算法。耦合车速和风速,计算高架运行的城际动车组车体气动载荷。研究结果表明:无横风时,动车组头车阻力最大,与速度的二次方成正比;有横风时,尾车阻力最大。车速在80 km/h至200 km/h范围,风速为10 m/s至60 m/s范围时,相同车速和风速下,动车组头车的侧向力、升力和倾覆力矩最大,中间车次之,尾车最小;横风风速对车体气动载荷的影响敏感度大于运行车速。

为了研究轨道间隙对磁浮列车气动性能的影响,采用三维、定常、不可压缩雷诺时均方程和标准k-ε双方程湍流模型,模拟无风及横风条件下不同轨道间隙下2车编组磁悬浮列车气动性能。研究结果表明:通过风洞试验验证,列车表面压力的数值模拟结果与试验数据变化规律一致,幅值相差不超过10%;在无风条件下,随着轨道间隙增大,在列车头车流线型及整车非流线型部分,列车与轨道之间空气流速呈增大趋势,而在尾车流线型部分,列车与轨道之间速度略有减小趋势,列车鼻尖点附近车底压力突变幅增大,头车升力减小,尾车升力增大;当轨道间隙由8 mm增大到20 mm时,头车升力减小36.01%,尾车升力增大10.09%,当横风风速为20 m/s时,随着轨道间隙增大,在头尾车鼻尖点附近位置,车轨之间空气流速随轨道间隙增大而减小,在头车流线型其他位置及非流线型部分,车轨之间速度随轨道...

针对单层、腔室型两种形式的开孔波纹板风障,采用滑移网格方法分别模拟横风条件下高速列车通过风障区域的过程,分析了在横风和列车风耦合作用下风障周围的绕流流场特性、风障面板气动荷载的时域特性及横风与列车风耦合脉动压力的频域特性。结果表明:在高速列车行经风障区域的过程中,无横风时头车产生的冲击作用要大于尾车的;存在横风作用时,列车头车产生的气动冲击作用与横风作用形成对冲,抵消了部分横风能量,而列车尾车则与横风作用相叠加,放大了横风对风障的气动作用;单层风障通过改变横风流向起到挡风减载作用,而腔室型风障同时可在腔室内部及尾流形成大量小漩涡来消耗横风能量,使用腔室风障能显著降低单个风障面板的气动荷载;该研究中,横风与列车风耦合作用于风障的脉动压力以及气动荷载的主频谱峰值集中在0.5~5 Hz内。

为研究高速铁路桥梁全封闭声屏障的横风气动特性,通过节段模型风洞试验对全封闭声屏障的三分力和表面风压进行了测试,分析了风速、雷诺数效应、风攻角、侧视断面位置对全封闭声屏障气动特性的影响。结果表明:在不同风速下测力和测压结果的规律相似;雷诺数效应对全封闭声屏障的横风气动特性和顶部的风压分布影响较大;风攻角对全封闭声屏障的阻力系数有较大影响;不同断面的风压分布曲线具有相似的规律,本文给出了设计用的近似风压曲线。

针对列车高速驶入隧道时流场的三维、非定常及可压缩湍流等特性,建立了精细化的隧道-列车-空气三维CFD数值模型,对比分析洞口有无横风条件下列车驶入隧道过程中车体周边的瞬态流场结构、压力分布,并研究横风条件下车体的5项气动荷载(气动横向力、气动升力、倾覆力矩、偏航力矩和点头力矩)指标的瞬变特性以及风速和车速变化对其最大瞬变幅值的影响情况.研究结果表明:当列车在横风环境下驶入隧道,洞外部分车体两侧流场结构和压力分布差异显著,而洞内部分差异较小,从而引发列车进洞前后车体压差突变;列车在进洞过程中,车体的各项气动荷载均存在瞬变效应,且尾车同时呈现出倾覆、“上跳”、“蛇形”摆动以及“点头”等行为;风速变化对尾车偏航力矩变化幅值影响较显著,而车速变化对头车偏航力矩变化幅值影响较显著.

对高速列车由横风环境驶入隧道过程中流场的非定常、可压缩以及湍流等特性,建立了隧道-列车-空气三维CFD数值模型,分析了列车驶入隧道时各节车厢的气动荷载瞬态变化特征及对应的车厢运行姿态变化,并从流场角度揭示了其变化机理,最后探讨了气动荷载对车厢的冲击效应.主要结论如下:(1)当列车由横风环境驶入隧道时,各节车厢的5项气动荷载均表现出显著的突变特征,相应地各节车厢均会呈现瞬间偏转以及瞬间"点头"等行为;(2)车厢两侧压差在纵向上的巨大差异是导致车厢横向力和倾覆力矩的突然卸载以及偏航力矩骤增的根本原因;(3)横风是导致气动荷载对车厢冲击强度显著升高的主要因素;(4)头车的安全系数是控制整列车运行安全性的关键.

本文主要综述了中南大学工程研究中心在桥梁-列车系统横风气动特性研究领域的重要成果。首先,从流体力学的角度分析了列车周围的流场特性,从而揭示了目前高速列车横风气动力评估方法的主要误差来源。然后,介绍了现场实测,数值模拟,动、静模型风洞实验等四种列车气动力评估方法及其优缺点。同时介绍了中南大学风工程研究中心最新开发的列车-线路系统动模型实验装置。为深化研究桥梁和列车之间的气动干扰规律。本文首先详细论述了与桥梁-列车系统横风气动特性相关的基础研究成果,主要包括既有高速铁路桥梁特征几何参数的统计结果,简化列车的气动特性,以及大跨度扁平箱梁和桁架主梁的气动特性。在上述研究的基础上,重点讨论了扁平箱梁和桁架主梁与列车之间的气动干扰规律。最后,对中南大学风工程研究中心开发的可调风向和透风率...

高速动车组客运专线多采用高架桥的形式,其沿线的强横风环境对列车运行安全影响较大,其中转向架是保证列车运行稳定的关键部件.本文以CRH2型动车组为研究对象,采用SIMPLEC算法和QUICK精度格式的数值算法对高架桥、横风和车速耦合作用下动车组转向架的气动载荷展开研究.计算结果及分析表明:转向架6阻力最大;转向架6的侧向力和升力变化规律特殊;转向架6的倾覆力矩数值最大,是所有转向架中最危险的一个;对于气动载荷中的倾覆力矩,当车速较低时,车速的影响敏感程度高于风速,当车速很高时,受风速影响显著.研究结果可为跨线运行高速动车组自适应转向架的设计提供理论依据.

为研究横风对移动列车非定常气动力的影响,该文介绍了两种获得移动列车脉动风速时程的模拟方法;基于准定常理论和气动权函数方法,推导了能同时考虑三个方向的湍流脉动和不同横风风向角效应的移动列车非定常气动力计算公式;通过数值算例,研究了不同参数对计算结果的影响。研究结果表明:通过气动权函数方法得到的非定常气动力会出现滤波和时间滞后效应;当考虑更多方向的湍流分量时,会获得更大的力脉动;横风风向角和侧向湍流分量会分别影响非定常力的均值和变异系数。

大跨度钢桁梁悬索桥对风作用敏感，桥上列车周围的流场也会受到较大影响，横风作用下考虑钢桁梁影响的列车气动力的研究十分必要。以某大跨度钢桁梁悬索桥为例，在风洞试验室建立两种大气紊流场，基于测压法分析静止于钢桁梁上列车气动力，得到频域内列车的等效气动导纳以及抖振力的跨向相关性，且考虑了攻角、紊流场、列车位置等影响因素，也指出了进一步的研究方向，为类似桥梁上列车运行的舒适性研究提供了一定的指导。