基于多孔介质的高速铁路透风式挡风墙关键参数研究

合理的匹配参数是风区铁路沿线防风设施研究的关键问题。针对风区铁路沿线部分区段混凝土实心挡风墙出现的环境风越过挡风墙顶导致严重的弓网离线、无法正常升弓,危及铁路行车安全问题,提出改“堵”为“疏”,通过一定的透风率来调控挡风墙后的线路风场,从而为缓解上述现象提供一种新思路,其关键问题在于透风式挡风墙关键参数与防风效果的合理匹配。为此,基于多孔介质的自身特性,提出一种基于多孔介质的挡风墙风场新研究方法,将挡风墙透风率与防风效果的合理匹配问题转化为多孔介质的阻力系数与列车气动载荷的关系研究。首先,通过比较数值模拟结果与兰新高铁挡风墙风场现场试验结果,修正并验证数值模拟方法的准确性。然后,通过数值模拟研究进一步探究多孔介质阻力参数与挡风墙透风率之间的关系,获得风区铁路沿线透风式挡风墙关键参数最优区间。研究结果表明:可以采用多孔介质代替挡风墙几何进行挡风墙风场研究,能够显著提升研究效率;多孔介质的黏性阻力系数在挡风墙风场研究中可以忽略,多孔介质的惯性阻力系数与挡风墙的透风率呈幂函数关系;风区铁路沿线透风式挡风墙高度为3.5 m,透风率在24.4%~28.7%区间时,对一线、二线列车的防风效果最好。

时速120 km地铁快线空气动力学试验研究

为探明设计时速120 km快速地铁列车在多区段桥隧衔接线路运行时的气动效应和气密性能,采用实车试验的方法,在武汉某多区段桥隧衔接地铁快线对某4车编组的新研A型密封性地铁列车开展空气动力学测试。实验测试系统采用LL-250-15A型Kulite压力传感器,通过测量列车外部和内部的瞬态压力变化,分析全线路车外压力波动特性,对比沿列车长度方向不同测点位置的压力变化幅值,并分析不同空调状态下的车内压力舒适性。经过3次实验测试分析,该实验的结果具有可重复性。研究结果表明:全线路运行时,列车在隧道段内加减速导致车外压力变化幅值明显大于高架段,气动效应最恶劣的位置为地下段人防门变截面处,列车上行通过该处时车外任意3 s内压力变化幅值为1 071 Pa,下行通过该处时车外任意3 s内压力变化幅值为905 Pa;相对于下行线全线路,上行线车外任意3 s内压力变化幅值大18.3%;列车正线运营时压力波保护阀会在压力变化剧烈区段进行动作响应,列车上行时,空调开启、压力波保护阀正常启用状态下,车内任意3 s内压力变化幅值相对于压力波保护阀打开未启用时减少了16%,下行时,减少了28%,空调压力波保护阀能够有效降低车外压力波动对车内气压变化的影响。本文研究成果可为快速地铁线路设计、地铁列车运营及地铁气密性优化提供参考依据。

桥上脱轨列车姿态演变行为与倾覆风险研究

针对高速列车桥上脱轨后的车体姿态演变行为与倾覆风险问题,通过多体动力学方法,建立八编组整车−桥梁防护墙多体动力学模型并开展数值研究。首先,通过相同工况下多体动力学结果与有限元方法结果,对比验证本文模型的正确性。然后,通过数值模拟分别研究直线空载高速列车、直线满载高速列车、曲线不同离心加速度下高速列车脱轨后的动力学演变行为。研究结果表明:桥上脱轨列车与防护墙发生撞击后,会出现明显的车轮跳起和车体大幅度侧滚现象,各车存在极大从右后向左前翻滚到线路外侧坠落的风险;桥梁曲线脱轨比直线脱轨更加危险,会出现明显的甩尾现象,离心加速度越大,甩尾现象越明显。

外置转向架包覆对高速列车气动阻力影响

转向架作为高速列车大面积裸露在外且外形复杂的运行部件受到列车底部气流的直接作用,区域气动外形结构对高速列车整车气动阻力具有重要影响。基于三维稳态SST k-ω双方程湍流模型,采用数值仿真方法研究了轴箱外置式转向架不同包覆方式对高速列车气动性能的影响。研究了转向架区域安装小裙板、半包裙板、全包裙板、全包裙板+小底板以及全包裙板+大底板等5种方案下的高速列车气动性能,比较了不同方案下高速列车气动阻力的变化规律,阐明了高速转向架包覆方式对整车气动阻力、车底流动特性以及列车表面压力分布的影响。研究结果表明:随着转向架裙板包覆面积的增加,转向架腔后端板受到的气流冲击逐渐减弱,后端板上的正压分布降低,列车转向架区域周围的边界层厚度逐渐减小,转向架区域内的压力分布差异性逐渐减小,从而实现了列车整车气动阻力系数的降低。与小裙板模型相比,半包裙板、全包裙板、全包裙板+小底板以及全包裙板+大底板模型的列车气动阻力系数分别降低了5.2%、8.65%、10.3%、11.1%。对于轴箱外置式转向架来说,全包裙板+大底板方案可有效改善转向架区域流场,降低整车气动阻力。研究得到的转向架包覆方式将为新一代高速列车气动减阻设计提供有利支撑,实现列车气动节能。

新风量对地铁客室咳嗽飞沫传播影响的数值模拟研究

优化通风系统参数以降低乘客呼吸道传染病的感染风险是创造安全、舒适的地铁客室出行环境的重要途径。利用欧拉−拉格朗日数值模拟方法对地铁客室中呼吸道飞沫传播进行模拟,研究不同送风量下乘客咳嗽释放的飞沫扩散规律和时空分布特性。研究结果表明:随着新风量增加,车厢通风系统对飞沫粒子的清除速度和效率也相应提高;当新风量为2000 m3/h时,仅有3.9%的飞沫在30 s内进入废排口;而当新风量为8000 m3/h时,在10 s内38.9%的粒子进入废排口;车厢内悬浮的粒子数量并非呈线性下降,而是随新风量的增加呈现复杂的变化;随着新风量提高,车厢内主导飞沫运动的气流逐渐由回风产生的气流转变为废排口产生的气流,同时,废排口气流在车厢内形成的涡流区域逐渐增大,导致部分未能快速进入废排口的部分飞沫在车厢内的悬浮时间延长;废排口附近乘客摄入粒子的比例随着新风量的增加表现出显著的差异;随着新风量的增加,在感染乘客同侧区域的乘客被感染风险逐渐减小,而在感染乘客面对区域的乘客被感染风险随着新风量的增加先增加后减小。研究结果可为制定预防地铁客室内呼吸道传染病毒空气传播的控制策略提供参考。

低真空管道磁浮列车交会激波流场特性分析

为了解决管道列车高速运行时产生的激波等气动效应问题,通过建立三维仿真模型,针对不同阻塞比、线间距和列车外形,基于DES湍流模型,开展非稳态数值模拟研究,分析列车在低真空管道内交会时的激波流场结构、管道壁面压力、列车表面压力。研究结果表明:随阻塞比的增大,列车前端壅塞长度增加,且正压区域压力增大,激波反射更加剧烈,尾流激波反射强度增大,激波串长度加长;阻塞比增大有助于增大激波和膨胀波的入射角,从而增大激波和膨胀波的反射次数。随线间距的增大,管道内压力波动幅度相对增大,但改变线间距对管道内激波流场结构、管道壁面压力、列车表面压力的影响不大。列车头部压力和尾部激波强度与流线型长度存在一定的关系,随着列车流线型长度的增加,列车前端壅塞长度缩短,车头前端高压区壅塞强度和车尾末端尾流区域激波反射强度均减小。

高速列车车身喷射氦气气动减阻研究

传统的列车头尾外形优化及车体平顺化气动减阻方式已趋于减阻极限,应用流动控制技术来降低列车表面摩擦阻力成为实现列车气动减阻的重要途径之一。采用改进的延迟分离涡模拟方法(IDDES)对高速列车头车车身向外喷射氦气的主动控制减阻技术进行研究,分析喷气速度、喷气部位以及喷气方式对列车气动阻力及周围流场结构的影响。研究结果表明:等截面车身顶面喷气时,随着喷气速度提高,减阻效果减弱,当以0.1U(U为来流速度)喷气时,具有最佳气动减阻效果,整车气动减阻率为3.68%,对比各节车在不同喷气速度下摩擦阻力变化,当喷气速度较低时对各节车均有减阻效果,而喷气速度越高,对中间车和尾车的减阻效果越差,甚至产生增阻效果。头车流线型与等截面车身过渡位置和等截面车身顶面分别以0.1U喷气时均降低了列车整车阻力,流线型头部过渡位置顶面喷气时整车减阻2.22%,减阻率小于等截面车身顶面喷气。当喷气速度为0.1U时,相较于等截面车身顶面或侧面单独喷气,顶面和侧面同时喷气减阻效果最佳,整车气动减阻率达到10.93%,喷射出的氦气在列车表面附着情况比顶面或侧面单独喷气时的效果更好,列车顶面到侧面过渡区域的壁面剪切应力有效降低。研究结果为高速列车气动减阻提供新思路,对克服由于空气动力效应带来的提速瓶颈具有重要意义。

基于心率变异性的高速列车乘员舒适度评价研究

“以人为本”是我国高速铁路事业发展的基本出发点,高速列车乘坐舒适度的评估及优化是高速铁路技术发展的关键。而生理信号作为人体状态的直观反映,在评价乘员舒适度方面具有不可比拟的优势。心率变异性是心电信号中相邻心跳间期时间间隔的变化,可反映自主神经系统平衡状态。为研究心率变异性与高速列车乘员舒适度之间的关系,在沪昆高速铁路线上开展高速列车乘员舒适度实车实验,结合乘员主观舒适度问卷反馈结果,分析乘员的平均心跳间期、心跳间期标准差等10种心率变异性特征在舒适度劣化时的变化情况。对乘员综合舒适度、振动舒适度和耳气压舒适度3类不同问题,使用T检验法分析各特征对“舒适”和“不舒适”状态的显著性,并建立基于随机森林算法的高速列车乘员舒适度评价模型。研究结果表明,心率变异性特征在不同类问题舒适度状态改变时,基本具有一致的变化趋势;其中平均心跳间期(Mean_rr)与综合舒适度显著相关,心跳间期标准差(SDNN)及庞加莱图标准差(SD2)与振动舒适度显著相关;建立的舒适度识别模型对综合舒适度、振动舒适度及耳气压舒适度识别准确度分别达74.32%,70.67%及68.27%。

横风下车体运动对高速列车气动性能的影响

为揭示横风下车体运动对高速列车气动性能的影响规律,通过数值模拟对典型车体运动形态下的横风气动性能开展研究。首先基于实车试验确定了横风下的车体典型运动形态并定义研究工况,然后通过改进的延迟分离涡模拟(IDDES)方法详细分析不同工况下的车体与转向架的气动载荷,以及列车周围的流场结构与表面压力变化情况。研究结果表明:横风下高速列车车体运动主要表现为侧滚与横移,车体的侧滚运动对列车升力的影响最明显,头、中、尾车升力均随着车体从迎风侧向背风侧运动而增大,并且车体向背风侧运动时,头车升力增大的幅度大于车体向迎风侧运动相同角度时减小的幅度;当车体运动时,第1转向架横向力、升力与倾覆力矩均增大;车体运动对列车头部、背风侧以及尾部的流动均有较明显的影响,车体向背风侧运动时,头车鼻尖区域流速降低,尾车鼻尖位置的高速流区扩大,并且由头部位置分离在背风侧形成的旋涡结构与车体的夹角呈增大趋势,旋涡流速减小;车体向迎风侧运动时,头车鼻尖区域流速增大,尾车鼻尖位置的高速流区缩小,并且从头部位置分离在背风侧形成的旋涡结构与车体的夹角呈减小趋势,而旋涡流速增大。

80 km/h B型地铁列车隧道内运行空气动力学试验研究

为探明80 km/h B型地铁列车在隧道内运行时空气动力学效应,采用实车试验方法,在南宁某隧道直径为5.4 m的全地下线路开展空气动力学测试,分析列车在隧道内运行时,车内外气压波动情况以及车内耳压舒适度情况。研究结果表明:列车以80 km/h速度通过隧道内中间风井位置时,车内外压力波动剧烈,车外与车内测点峰峰值分别为1452 Pa与923.4 Pa;列车在车内外压力波动剧烈时,车外各测点压力差异大,车内各测点压力差异小,车外各测点峰峰值的均方差值为车内各测点峰峰值的均方差值的9.6倍;列车在非风井区间运行时耳压舒适度良好,而在风井区间运行时有造成乘客耳压不舒适的风险。研究结果可为80 km/h速度等级地铁列车耳压舒适度的评估和改善提供参考。

真空管道磁悬浮列车气动特性及激波效应三维研究

近年来,真空管道列车系统以其减阻降噪、高速运行的特点成为高速列车新的研究方向。真空管道列车运行环境复杂多变,对管道内部气动特性及流场结构的研究在真空管道列车的设计和优化中尤为重要。研究基于SST k-ω湍流模型及大涡模拟方法,采用三维数值模型对阻塞比为0.15的真空管道磁悬浮列车系统在马赫数为0.490~0.980的来流条件和0.3~0.1 atm的管道压力下进行稳态和非稳态模拟,得到列车周围外部流场的气动特性,详细阐述了列车尾流激波的形成和传播。根据不同来流马赫数和压力条件将流场分为3类典型工况,并沿流动方向将流场分为5个区域分析流场特性。结果表明,随着来流马赫数从0.490增加到0.654,尾车肩部开始出现激波。随着来流马赫数进一步增加至0.817,尾流区域出现斜激波、“X”型激波结构等复杂流动现象,不同来流马赫数条件下跨声速流场中的气流马赫数分布相似,压力系数呈现梯度分布。激波与尾涡、边界层相互干涉与融合,成为尾流流场的主要结构。研究成果可为真空管道列车不同来流速度和不同真空度情况尾流激波抑制以及气动阻力优化设计提供工程指导。

强侧风作用下棚车气动外形优化

铁路通用车型中,强侧风作用下棚车的气动性能最差。利用二维定常不可压缩N-S方程、k-ε两方程紊流模型,采用有限体积法对强侧风作用下棚车气动外形进行了优化研究。结果表明,棚车车顶形状对强侧风作用下棚车气动性能有较大影响,圆弧型车顶的P65型棚车气动性优于“人”字型车顶P64型棚车;棚车侧壁和车顶圆弧采用圆弧过渡比直接连接的效果好,综合考虑棚车气动性能和有效容量两方面因素,建议车顶圆弧和过渡圆弧半径分别取2692mm和500mm。

动力车纵向气动力风洞试验及数值模拟

采用风洞试验(在地板抽吸和不抽吸情况下)和数值模拟计算对200km/h动力集中型电动旅客列车组动力车纵向气动力进行了研究,得到了动力车作为头、尾车的纵向气动力系数。结果表明,地板抽吸后,头、尾车空气阻力均有明显增加,头车负升力增加,尾车正升力减少;动力车头、尾两车联挂时底部空气阻力占总的空气阻力的25.9%,列车减阻的重点在车体底部空气阻力。

列车气动性能评估参数研究

列车外形对列车气动性能起决定性作用。以往常采用长度法定义的长细比(长度长细比)来评估不同头部外形气动性能,这种方法在车身横截面积相同的情况下,致使长度相同外形不同的流线型车头具有相同的长细比而无法进行比较。针对这一情况,对不同外形系列的流线型列车开展了风洞实验研究,在此基础上提出了一组新的列车气动性能评估参数-整体长细比和宽细比。整体长细比考虑了车头流线型部分水平面投影形状(水平长细比)和纵向对称面投影形状(纵向长细比)对空气阻力的影响,宽细比则综合了长度长细比和车头流线型部分水平面投影形状对列车交会压力波的影响。研究结果表明该组评估参数能较好地反映出端车流线型外形对列车气动阻力和交会空气压力波幅值的影响。

4种车型横向气动性能分析与比较

根据二维定常不可压缩Navier-Stokes方程和k-ε双方程紊流模型,采用有限体积法对客车、敞车、棚车和罐车4种不同外形铁路车辆在路堤高度、横风风速相同条件下的横向气动性能进行分析与比较。研究结果表明:对于车顶外形为圆弧形的车型,空气流过圆弧形车顶时流速增加,压力下降,故其升力较大;对于车顶外形为钝形的车型,车体迎风面正压区域较大,而背风侧产生较大的漩涡区,在此区域内压力较小,故其侧向力较大;在横风作用下,客车、敞车、棚车和罐车4种车型中,罐车的侧滚力矩最小,稳定性最强,敞车和客车次之,棚车的侧滚力矩最大,其稳定性最弱;在进行强横风地段挡风墙优化设计时,可将棚车作为设防车型,以保证所有列车在强横风地段运行安全。

列车风挡对空气阻力影响的数值模拟研究

采用数值模拟方法研究了列车风挡对空气阻力的影响。研究表明,采用大风挡和全封闭风挡可明显降低列车运行空气阻力,为进一步完善列车气动外形提供了科学依据。

列车交会空气压力波测量的影响因素

研究了连接动态压力传感器的信号线长度、放大器的滤波频率和数据采集系统的采样频率对空气压力波测量的影响。研究结果表明,当传感器信号线长度小于100m时,对传感器输出的动态信号影响不大于1%,满足列车交会空气压力波实车测量要求;放大器的滤波频率和数采系统采样频率对空气压力波的测试结果均有较大影响,应采用带低通的应变放大器,滤波频率以100Hz为宜;随着采样频率的增加,测量得到的空气压力波幅值增大,采样频率增加到1kHz后,测量结果趋于稳定。在列车交会空气压力波实车测试中,为保证测试的准确性,节省设备内存空间,采样频率取1kHz较合适。

环境风与列车交会耦合作用下磁浮列车横向气动性能

采用三维、可压、非定常N-S方程,用动网格技术实现列车与地面、环境风与列车之间的相对运动,对不同风速、风向环境风作用下,磁浮列车以430 km/h速度等速交会时列车横向气动性能进行数值分析。研究结果表明：当风向角为135°时,磁浮列车受到的交会压力波幅值最大;头车和尾车横向力在风向角分别为270°和225°时最大,分别为-172.5 kN和77.4 kN;头、尾车侧滚力矩均在风向角为90°时最大,分别为-226.7 kN·m和-203.7 kN·m;在90°风向角下,风速增大,列车受到的横向力和侧滚力矩增大,横向力近似与风速的0.8次方成正比,而侧滚力矩约与风速的1.3-1.5次方成正比。

200km/h动车组交会空气压力波试验

为确定我国200km/h动车组与准高速列车交会空气压力波的大小,从而为动车组安全评估提供依据,在广深线上利用瞬态压力测试系统,对其列车交会空气压力波性能进行测试,并对测量结果进行综合分析.研究结果表明:在线间距为4m、动车组运行速度为200km/h(准高速列车速度为160km/h)时,准高速列车所受到的压力波幅值为1568Pa,而动车组承受的压力波幅值在1400Pa左右;列车头部外形对列车交会压力波幅值有较大影响,控制车外形流线化程度比动力车的流线化程度好,控制车对准高速车造成的压力冲击波幅值小于动力车造成的压力冲击波幅值;对于目前使用的准高速车辆,动车组以200km/h的速度与之交会运行是安全的.

高速列车牵引电机冷却风机风量实车测量方法研究

通过地面标定实验 ,对 2 70km/h高速列车牵引电机冷却风机风量实车测量方法进行了研究 ,得到了皮托管动压及风机全压与流量的关系。