400 km/h高速列车过隧道时列车风特性研究

为探明400 km/h高速列车在隧道内运行时的列车风特性,采用三维、非定常、可压缩和可实现的k-ε湍流模型进行数值模拟计算,分析隧道内列车风时域演变特征和空间分布特征,并按照列车各部分到达和驶离测点的时间对车体周围流场进行分区,采用5个特征参数衡量各区域内列车风速度的变化,探讨列车编组长度和隧道长度对列车风的影响。研究结果表明:隧道内列车风时域变化特征受列车运行位置和隧道内压力波传播的显著影响;列车风正峰值会随着列车编组长度、列车速度的增大而增加,且峰值到达时刻分别延后和提前,8车编组对应的列车风正峰值相较于3车编组时增加68.75%,400 km/h时的列车风正峰值相较于300 km/h时增加22.65%;同种隧道长度下的列车风速度最大正峰值出现在隧道中点位置处,且此处的波动更为剧烈复杂,主要是压缩波和膨胀波叠加得更加频繁。长隧道内压力波系叠加对列车风速度峰值的影响减弱,当隧道长度达到3 km时,列车风正峰值相较于1 km长度时下降30.70%。

半封闭式车站列车风压极值分布规律研究

为了研究半封闭式车站内风压极值的分布规律,对高速列车通过高铁站时引起的列车风压进行数值模拟,并通过现场实测数据验证数值模型的准确性。基于验证的数值模型,研究列车分别以250 km/h、300 km/h和350 km/h的速度通过高铁站时,两个典型区域(临近站台区Ⅰ、远离站台区Ⅱ)的风压(头波、尾波的正压和负压)极值分布规律,并提出相应的风压极值经验公式。研究结果表明:风压极值与列车速度之间呈非线性关系;相同的车速下,区域Ⅰ和区域Ⅱ内列车风压极值随着水平距离的增加呈指数函数形式衰减,而衰减的速度与高度成反比;当水平距离小于15 m时,相同高度下区域Ⅰ的头波正压极值总是比区域Ⅱ的大,而区域Ⅰ的头波负压极值的绝对值又总比区域Ⅱ的小;当水平距离超过15 m时,车站内的风压极值逐渐趋于稳定,并且区域Ⅰ内趋于稳定的风压极值要强于区域Ⅱ;所提经验公式能够较为准确地描述半封闭式高铁站内列车风压极值分布规律。研究成果可为半封闭式车站的结构设计提供参考。

基于改进YOLOV5m的列车风管与折角塞门检测

由于操作环境复杂,风管和折角塞门尺寸小,原始YOLOV5m算法的检测精度有待提高。为此,在YOLOV5m的检测头输出部分增加了一个大尺寸特征图,用于提升小尺寸目标的检测能力。首先在主干网络中增加1个含有多卷积、短连接的类残差分流模块,以丰富浅层网络的梯度流信息,并将新增模块的输出作为新增的大尺寸特征图。然后在Neck部分使用特征金字塔模型FPN和路径聚合模型PAN进行多尺寸特征融合,最终在检测头部分得到了4种不同尺寸的特征图。结果显示,改进YOLOV5m的检测帧率约为每秒100帧,比原始YOLOV5m在平均精度mAP上提升了1.3%,表明改进YOLOV5m可作为可见光辅助模型提升列车摘钩机器人多模态识别系统的性能。

基于多尺度特征的货运列车风管与折角塞门检测

针对小尺寸列车风管与折角塞门的检测问题,提出一种多尺度特征增强的YOLOv5s检测算法。首先在主干网络Backbone增加了一个大尺寸特征图输出分支,使用C2f(CSP bottleneck with 2 convolution and forward)模块丰富新增特征图的梯度流信息;然后在Neck部分使用自适应空间特征融合增强特征金字塔模型FPN (Feature Pyramid Network)的多尺度特征融合能力,并使用路径聚合模型PAN(Path Aggregation Network)提高目标定位能力;检测头Head拥有4种尺度的特征图,其中新增特征图的尺寸最大,用于增强小尺寸目标的检测能力。实验结果表明,多尺度特征增强的YOLOv5s比原来的YOLOv5s在平均精度mAP(mean Average Precision)上提升了1.5%,优于其他检测器,提升了小尺寸风管和折角塞门的检测能力。

突变风与列车风耦合气动载荷下风屏障的强度分析

自然风与列车风的耦合气动作用是铁路风屏障产生弯曲、扭转等变形的主要原因。建立了列车-风屏障耦合的三维气动仿真模型,对风屏障在突变风与列车风耦合作用下压力分布规律进行了分析。建立了风屏障固体结构分析模型,对风屏障进行了模态分析,采用流固耦合的方法分析了风屏障在不同工况下的应力及变形量,据此对风屏障进行了强度校核。结果表明:风屏障自振频率最小为6.11 Hz,风屏障自振频率与列车风的振动频率相差较多,不会产生共振现象。在突变风与列车风耦合下,突变风的作用效果对风屏障的位移以及应力变化起决定性作用。在1.59 s时,风屏障在突变风与列车风耦合作用下产生最大位移,其中最大负位移达到1.42 mm,最大正位移达到0.605 mm。H形钢立柱产生最大的Mises应力,达到83.79 MPa,比列车风单独作用时增加了152.8%。可见突变风与列车风耦合会加剧风屏障的动力响应。

列车风管管接头间接识别定位方法

为完成移动机器人对列车风管的摘解任务,需要对列车风管管接头进行定位。针对列车风管管接头不易识别且识别定位需要一定实时性和精度的问题,利用双目视觉系统提出了一种间接识别定位方法。在目标识别中,根据列车风管的特点,基于颜色特征在HSV空间中对风管近端金属圈进行识别,提取出金属圈形心坐标;在三维重建中,利用具备较高精度和一定实时性的组合立体匹配算法对风管近端金属圈进行三维重建,得到其三维坐标后根据管接头与近端金属圈相对位置关系固定的特点,通过空间坐标转换得到管接头的三维坐标,实现列车风管管接头的定位。最后,在(200~650)mm的距离范围内进行实验验证,实验最大绝对误差为12.88mm,算法最长耗时为245ms,结果表明该方法满足要求。

速度400km/h高速铁路列车风作用的数值模拟研究

为研究速度400 km/h高速铁路列车风的荷载取值,基于动网格和滑移网格组合的方法,对高速铁路列车风效应进行三维数值模拟,分析列车周围不同距离、高度处的压力分布规律,考查不同车速下线周声屏障的气动力变化规律。结果表明,测点距列车距离越远,列车风压力越小,同一测点的列车风压力与车速平方成正比,线周声屏障的列车风压力也有类似的规律。对于速度400 km/h高速铁路列车风的荷载,可在现行规范中350 km/h列车风的荷载基础上,增大31%后作为设计值。

基于动模型的列车风作用下全封闭声屏障风荷载研究

列车风作用下的风荷载是影响全封闭声屏障结构安全的主要荷载之一。由于列车风为较复杂的三维非定常绕流,为了探究列车风作用下声屏障风压荷载问题,以某高铁线路矩形截面全封闭声屏障为研究背景,采用动模型试验方法,研究声屏障在高速列车以3种不同时速通过时的风压荷载分布。研究结果表明:高速列车通过声屏障时,压缩波传播到测点导致压力上升,膨胀波传播到测点导致压力下降,风压变化趋势与气压波传播规律相吻合;风压分布沿声屏障展向(长度方向)呈先增大后减小的趋势,建议取中间截面压力值为设计的参考压力;沿声屏障环向,跨中截面各测点压力峰值差异较小,压力变化幅值最大差异量为1.8%,风压荷载分布较均匀;出入口截面环向各测点的压力峰值差异较大,压力变化幅值最大差异量为40.8%,在声屏障进行结构设计时需要考虑出入口截面风压荷载沿环向不均匀分布的情况;沿声屏障高度方向,模型列车通过声屏障时在出入口截面引起的风压荷载不是呈线性变化,高度越高的测点压力衰减的越快;在跨中截面,高度变化对测点所受压力影响不大。

不同站台配置的列车风特性差异研究

列车高速运行时会产生可能危害站台人员安全的列车风,而对列车风的大多数研究没有考虑站台带来的影响。为研究站台对列车风特征的影响,基于实际情况提出3种站台(无站台、单侧站台和双侧站台)配置,通过改进延迟分离涡(IDDES)数值模拟方法对比分析高速列车在无站台、单侧站台和双侧站台区域的列车风特性与周围流场差异。研究结果表明:考虑站台时,中间车在轨侧产生的合成列车风速度大于无站台配置的列车风速度,而尾流区域的列车风速度较小;站台配置对一定高度上的列车风速度的纵向分量和垂向分量影响显著;站台的垂直端面与列车壁面之间的狭窄空间会改变周围的流场结构,破坏列车尾部压力和漩涡的对称性,在站台上形成随列车纵向长度发展而上移的漩涡,在车辆与站台间区域内的涡度显著增强。基于站台区域最大列车风速度的分布,当列车以300 km/h的速度通过时,若不存在站台,则人员的安全退避距离约为3.4 m,若存在站台,则该距离减小至约2.5 m。

高速磁浮列车过隧道诱导的隧道出口列车风研究

高速磁浮列车进入隧道时,产生的压缩波会在隧道出口诱导气流形成伴随速度。以高速磁浮列车为研究对象,采用三维、可压缩、非定常的计算方法对不同列车运行速度和隧道阻塞比下列车通过隧道的过程进行了计算,分析了隧道出口附近压缩波诱导的列车风特性,给出了列车运行速度和隧道阻塞比对列车风速度的影响规律。结果表明:隧道出口内,压缩波诱导形成的列车风速度变化趋势与峰值在纵向(列车运行方向)上基本保持不变;隧道出口外,列车风峰值速度在纵向25 m范围内逐渐降低,在横向(垂直于列车运行方向)5 m范围内基本保持不变;随着列车运行速度和隧道阻塞比增大,隧道出口内外的列车风峰值速度均明显增大,列车运行速度600 km/h、隧道阻塞比17.04%时,隧道出口外轨道中心线上纵向5 m处列车风峰值速度高达56 m/s。本文结论可为铁路隧道列车风防护及高速磁浮列车安全运行提供参考。

列车通过变截面长大海底隧道时的隧道内瞬变压力和列车风研究

在建造长大海底隧道时,为了加固隧道结构并节省成本,通常会改变隧道部分区段的截面面积,这将导致隧道内的空气动力学特性发生变化。本文通过对比变截面(VCS)隧道和常规(CCS)隧道,研究了突变截面对长隧道内压力瞬变和列车风的影响。数值模拟采用RNG k-ε湍流模型,通过动模型试验进行了验证。结果表明,越接近突变截面VCS隧道和CCS隧道内的正峰值压力之间的差异越大,在5.43 km处达到最大值7.63%。在两种隧道之间纵向列车风的差异最高达18.7%,但在其他两个方向上几乎相同。此外,突变截面对隧道不同区域的影响不相同。本研究对长大变截面隧道的参数设计和隧道内附属设施的布置具有参考价值。

双层动车组列车风特性研究

列车行驶过程中会诱导周围空气流动形成列车风,较大强度列车风会危及行人和轨道旁工作人员的安全,甚至会卷起附近的货物和杂物。通过数值模拟的方法研究不同行驶速度的五编组双层车厢动车组周围的流场结构和列车风。结果表明:列车风主要由尾流区域涡脱落诱导产生,头车流线型区域、转向架等附属结构和地面效应对诱导列车风也有重要作用。列车周围靠近地面的区域受到附属结构和地面效应直接影响,列车风强度大于远离地面的区域。依据TSI 130—2014,行驶速度在200 km/h及以下速度级的双层车厢动车组符合列车风风速的安全标准,行驶速度250 km/h及以下速度级的双层车厢动车组符合车头压力脉冲要求。

跨线天桥表面列车风压主要影响参数研究

采用计算流体力学软件Fluent和滑移网格技术,结合k-ε二方程湍流模型,对高速列车通过跨线天桥时作用在天桥表面的列车风压进行数值模拟,研究跨线天桥的高度和宽度对其表面列车风压的影响。结果表明:跨线天桥宽度对天桥表面列车风压的影响很小,而高度的影响显著,天桥表面列车风压随跨线天桥高度的升高呈指数降低,且列车运行速度越高天桥表面列车风压下降的速度越快,天桥高度由5m升至10m条件下,车头和车尾经过时天桥迎风面的列车正风压极值分别下降78%和80%,负风压极值分别下降88%和85%,负风压极值比正风压极值的衰减速度更快;天桥底面的列车风压变化规律与迎风面类似;不同列车运行速度下天桥表面列车风压力系数的变化规律基本一致,即列车运行速度不影响天桥表面的列车风压力系数,据此建议用不同高度跨线天桥表面的列车风压力系数与其到列车中心线水平距离的关系曲线对现行高速铁路设计规范进行补充。

高速铁路隧道列车风作用下接触网安全性分析

采用数值模拟方法,对高速列车在隧道内运行过程中所产生的列车风速度的变化过程进行分析,计算隧道内不同位置在列车运行过程中的最大风速和最大风压,进一步研究隧道内预留滑道槽型和螺栓锚固型接触网在列车反复冲击压力作用下的安全性。研究结果表明:隧道内不同断面的接触网设施只在列车车身运行至该断面的一段时间内才承受负向列车风(与列车运行方向相反);离列车表面越近的位置,列车风的速度越大;对于螺栓锚固型接触网悬挂件,在单线隧道350 km/h行车条件下,隧道衬砌混凝土中的最大拉应力已接近混凝土的疲劳抗拉强度,应采取适当的加强措施;对于滑道槽式接触网悬挂件,在列车风的反复作用下是安全的。

高速列车风对附近人体的气动作用影响

采用计算流体力学的数值方法和移动网格模拟计算方法,研究3种车头形状、从200 km.h-1到350 km.h-1的4种车速、从1.0 m到3.5 m的5种人车距离条件下列车风对人体气动作用力和人体附近列车风速度大小的影响,提出列车风对人体最大水平作用力计算关系式和人体附近最大列车风速计算关系式、以及高速列车附近人体安全距离的建议值。计算结果表明:列车风对附近人体产生的作用力因车头(尾)形状不同而差别很大,车头形状越钝,列车风对附近人体产生的作用力越大,完全钝型与充分流线型车头相比,在车速350km.h-1、人车距离1 m时列车风产生的作用力可相差7倍以上;不同车头形状产生的列车风对附近人体的作用力,其差别随人车距离的增大而减小,大致呈二次方函数规律变化;不同条件下车头(尾)通过时列车风对附近人体的水平作用力方向的变化趋势基本相同,作用力方向角变化约300°。

高速列车过双线隧道气动效应及列车风特性

为加深对隧道内气动效应和列车风特性的认识,采用RNGκ⁃ε湍流模型模拟高速列车偏心通过隧道全过程,应用滑移网格技术模拟列车高速运动,对列车通过时隧道内的气动效应及列车风进行研究。通过将数值计算结果与现场试验结果进行对比,验证了数值方法的准确性。研究表明:隧道入口处气动压力变化规律与隧道内有很大差别;列车两侧对称测点的最大正压值及峰-峰压力变化幅值分别相差13.1%和7.3%,近隧道侧列车风纵向速度分量与合速度最大值分别为远隧道侧的2.1倍和1.9倍,列车偏心通过对列车周围气动压力影响不大,而对列车风影响非常显著;列车表面边界层对列车风纵向分量影响显著,对横向速度分量和垂向速度分量几乎无影响;隧道内列车后方产生交替出现的复杂尾涡结构,与明线时差别很大;隧道内列车风风速衰减较慢,持续时间更久。

城际铁路隧道列车风特性及对人员安全的影响分析

采用数值模拟方法,对列车在城际铁路隧道内运行过程中所产生的列车风变化过程进行分析,计算CRH2流线型列车在隧道内运行时,隧道内沿纵向不同位置列车风最大风速,进一步探讨隧道内列车风纵向和横向分布特性,并参考相关标准分析隧道内轨侧疏散通道、轨下疏散通道进行人员疏散时的安全性。结果表明:车头风速梯度很大,且在车头侧面空间出现风速转向,环隙空间内气流流动为典型的Couette湍流流动和Poiseuille湍流流动的叠加,车尾风速最大,对轨侧人员安全最为不利;CRH2流线型车以200 km/h速度运行时,轨侧疏散通道最大风速17.2 m/s,轨下疏散通道口及通道内最大风速分别为15.2和9.5 m/s。按照16.9 m/s风速标准进行判断,人员可从轨下疏散通道进行疏散。

磁浮高速会车压力波和列车风的实测研究

会车压力波是影响高速磁浮列车快速、安全和舒适运行的一个重要空气动力学问题。为进一步评估车辆设计,于2003年11月对上海磁悬浮列车在5.1m线间距下的高速会车压力载荷进行了测量,得到了通过列车以400km/h^500km/h的速度运行时引起的会车压力波的大小,同时测量了距离列车侧面0.5m和1.3m处列车风的大小。

高速铁路双线隧道列车风特性与人员安全性分析

根据三维不可压缩Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,以我国高速铁路普遍采用的100m2双线隧道为研究对象,对高速列车在隧道内运行时列车风的变化规律和分布特征进行了深入研究,计算隧道内两侧疏散通道上不同位置在列车运行过程中的最大风速,进一步分析在列车风作用下人员的安全性.研究表明:列车风是随时间和空间而变的复杂三维流动,人员应避免在危险时段活动,单车正常运行和存在列车事故时列车风均有可能对人员造成安全威胁,需采取相关措施避免事故发生.

横风下高速列车突入隧道瞬变压力及列车风

针对高速列车在横风下突入隧道的普遍情形,考虑空气的非定常、可压缩湍流特性,建立列车-隧道-横风三维数值模型,对比研究有无横风条件下列车突入过程中隧道内的瞬变压力变化规律和列车风特性。通过将数值计算结果与现场实测数据进行对比,验证了数值方法的准确性。研究结果表明:与无横风情况相比,列车在横风中高速驶入时隧道入口周围的瞬变压力和列车风发生明显变化;在尾车完全驶入前,横风对背风侧气动压力的影响程度比迎风侧的大,其中头车突入时对隧道入口气动压力的影响最为显著;横风对隧道内气动压力和列车风的影响范围有限,当横风速度为24.4 m/s时,隧道内受影响距离为50 m;头车突入隧道时,横风对列车背风侧列车风的影响较大,而尾车完全驶入时,横风对列车迎风侧的列车风的影响比较严重。横风效应是列车背风侧气动压力和气流速度大幅波动的根本原因。