受电弓仿生导流罩对高速列车横风气动特性影响研究

横风作用下高速列车气动横向力和倾覆力矩显著增加,气动性能显著恶化,列车脱轨、倾覆可能性增大,严重影响列车运行安全。受电弓作为高速列车核心的外突部件,直接受到横风的影响,因此改善受电弓区域的横风气动性能显得尤为重要。以鞘翅目生物形态为原型,构建受电弓仿生导流罩几何外形,并以8车编组高速列车为基准,建立4种不同的计算模型:原始模型(模型Ⅰ)、仅受电弓Ⅰ加装导流罩(模型Ⅱ)、仅受电弓Ⅱ加装导流罩(模型Ⅲ)、受电弓Ⅰ和Ⅱ均加装导流罩(模型Ⅳ)。基于三维稳态SST k-ω双方程湍流模型,分析不同方案下高速列车整车以及受电弓区域的横风气动性能。研究结果表明:安装受电弓导流罩后,气流更为平顺地越过受电弓区域,阻滞效应减小,下游车体顶部和受电弓Ⅱ(升弓)区域的气流速度有所增加,同时造成列车背风侧的流场结构改变。相比原始模型(模型Ⅰ),导流罩模型(模型Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ)均可减小列车气动横向力和倾覆力矩,其中模型Ⅱ和模型Ⅲ的横向力分别减少9.65%、4.18%,倾覆力矩分别减少11.47%、4.37%;受电弓Ⅰ与受电弓Ⅱ均被包裹的模型Ⅳ效果最为显著,8车编组列车横向力和倾覆力矩分别减少11.39、16.81%。研究成果可为横风环境下新一代高速列车受电弓区域优化设计提供参考。

高速列车突入复线隧道的横风效应分析

横风作用下运行环境不同导致高速列车气动特性发生突变,严重影响列车运行安全和乘客的舒适性。基于高速列车流场的可压缩、非定常特性,建立隧道-列车-横风三维数值模型,采用SST k-ω湍流模型进行求解,通过与动模型试验对比,验证了数值模拟的准确性,进一步分析横风对列车周围流场与表面压力分布的影响,得到了横风作用下列车气动荷载变化规律。研究结果表明:列车周围流场分布受横风影响显著,隧道外流场向列车背风侧偏移,并形成起始于隧道入口处的纵向涡旋,而隧道内列车背风侧涡旋消失,迎风侧形成延伸至入口处的垂向涡旋,并在列车驶入过程中隧道内涡旋结构逐渐消失。在列车驶入隧道前列车迎风面气动压力以正值为主,背风面气动压力以负值为主。当列车驶入隧道时列车表面压力发生剧烈变化,气动压力波动程度随列车驶入而明显减弱。气动荷载变化规律与风环境密切相关,无风时尾车横向力和升力变化幅值最大,而横风下头车横向力和升力变化幅值最大。此外,列车气动性能与编组位置密切相关,横风下头车横向力变化幅值分别是中车、尾车的4.8倍和15.4倍,头车升力变化幅值分别为中车、尾车的1.1倍和1.2倍,头车发生行车安全事故风险最高。研究成果可为类似情形下高速列车运行安全性评价和高铁隧道选线提供参考。

高速列车突出隧道过程中横风效应研究

为研究横风效应对突然驶出隧道过程中高速列车气动特性的影响,基于列车流场的三维、可压缩性的非定常特性,建立隧道-列车-横风三维数值模模型,研究横风效应对驶出隧道过程中高速列车流场分布和列车表面压力的影响,揭示列车气动荷载变化机理。通过与动模型试验结果进行对比,验证数值模拟的合理性。研究结果表明:横风下列车驶出隧道过程中流场分布具有显著空间效应,受列车与隧道相互作用影响,隧道出口附近流场具有明显非定常特性;相较于无风情形,横风下列车底部压力变化幅值增大60%,列车迎风面、顶部压力变化幅值分别增大38.1%和28.6%,背风面压力变化幅值差异为4.8%,背风面压力分布受横风影响最小;横风效应导致列车气动特性发生显著变化,气动荷载变化幅值远比无风情形的大,无风时尾车横向力、升力变化幅值最大,横风作用下头车横向力变化幅值最大,倾覆风险最大。

隧道类型对驶出隧道高速列车横风效应影响研究

基于横风下高速列车流场的非定常特性,建立横风-隧道-列车数值模型进行计算,研究隧道类型对横风下高速列车驶出过程中气动压力、流场特性和列车气动荷载的影响.结果表明:隧道出口处气动压力受隧道类型影响最为显著,单线隧道列车迎、背风侧气动压力变化幅值比双线隧道气动压力变化幅值分别大15.7%和22.6%;在列车类型、车速和横风条件相同情况下,阻塞比是导致单线隧道气动压力较大的根本原因;列车背风侧分离涡形成位置到头车鼻尖距离相同,但双线隧道列车背风侧流场偏移程度更大;头车与中车周围流场分布规律基本相同,受隧道类型影响较小,而尾车流场分布特性受隧道类型影响较大.尾车气动荷载对隧道类型更加敏感,双线隧道尾车横向力系数、升力系数变化幅值分别比单线隧道大27.3%和7.1%.当高速列车在横风环境中驶出隧道时,建议考虑隧道类型对列车气动性能的影响.

新型气囊结构对高速列车横风气动性能的影响

为保障高速列车在大风环境下的行车安全,提出一种安装于列车背风侧、改善列车横风气动性能的新型气囊结构外形,以三车编组高速列车为基准,建立4种不同气囊−列车模型即气囊列车(模型Ⅰ)、增加气囊横向宽度(模型Ⅱ、Ⅲ)、增加气囊垂向宽度(模型Ⅳ)。基于三维稳态SST k-ω双方程湍流模型,研究不同气囊模型作用下高速列车横风气动性能。研究结果表明:列车背风侧气囊改变了背风侧车体表面压力分布,列车横向力系数降低、升力系数增大,使得列车倾覆力矩系数减小,高速列车横风气动性能显著提升;随气囊横向宽度增加,列车横向力系数逐渐降低,而升力系数逐渐增大,模型Ⅲ的横风气动性能较优。相较于原始列车模型,模型Ⅲ的横向力系数减小7.09%,升力系数增加12.78%,模型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的倾覆力矩系数分别降低8.43%、11.05%、13.15%;改变气囊垂向宽度对高速列车横风气动特性影响较小,模型Ⅳ倾覆力矩系数降低8.78%,与模型Ⅰ的优化效果相近。

横风下基于滚动GAPSO算法的列车速度曲线优化

针对普通环境下高速列车目标速度曲线优化算法不适用于横风环境的问题,提出一种横风环境下基于滚动GAPSO(遗传粒子群)算法的列车速度曲线优化方法。首先,考虑横风风速阻力作用改进列车动力学模型,并建立列车运行多目标优化模型;其次,基于GAPSO算法寻优巡航构建列车在起始阶段的最优目标速度曲线,引入滚动优化框架实时调整目标速度曲线,并在横风限速区按照改进快行策略运行;最后,在列车进站前采用GAPSO算法寻优惰行点生成目标速度曲线。仿真实验结果表明:GAPSO算法较GA算法和PSO算法具有搜索能力强、收敛速度快的优点;滚动GAPSO算法能在不同横风环境下实时生成优化后的目标速度曲线,并与改进快行策略和RH-PSO算法相比,具有较优的节能性和准时性。横风下基于滚动GAPSO算法的列车目标速度曲线优化可为横风环境下列车节能、准时运行提供一种可行的解决方案。

基于横风作用的大跨径桥梁交通运行安全影响分析

横风作用对大跨径桥梁上车辆运行安全影响较大。为探究大跨径桥梁段横风特征参数与交通运行安全性间作用规律,以横风频发的黄河特大桥为试验段,分析桥梁上交通事故与横风分布规律的关系,建立横风作用下大跨径桥梁段交通运行协调性拟合关系模型。研究表明:各季节横风的发生具有较高离散性,横风作用是桥梁段发生侧翻的主要原因,追尾、刮擦、撞物事故直接或间接地受横风作用影响。结合车辆运行速度分布可知,春季和秋季交通运行协调性较差,且运行速度与横风分布特征一致。利用Poly非线性曲面拟合方法,建立运行速度与横风风速、风向间季节性函数关系模型,由模型拟合优度和显著性检验结果可知,该模型拟合优度R^(2)均大于0.8,拟合结果满足收敛和统计学要求。通过剔除横风季节性特征,建立横风作用下大跨径桥梁交通运行安全性一般性模型,提升了模型的适用度。

横风环境下高速列车气动力模拟与分析

为探究不同风攻角、风向角下高速列车所受气动力特性,通过数值模拟的方法对高速列车所在风场进行研究。采用时间序列法模拟得到列车移动点的脉动风速时程,根据准定常假设下风速与气动力之间的关系计算得到列车所受静风力和抖振风力,分析了不同参数对计算结果的影响。结果表明,在同一模拟点下,相较于顺风向脉动风,竖向脉动风的脉动量更小;同一风攻角,风向角越大,静风力越小;同一风向角,风攻角越接近3°,静横向力越小;风攻角越接近0°,静升力越小;随着风攻角由-3°过渡到3°,同一车速下,脉动横向力逐渐减小,而脉动升力先减小后增大;同一风攻角下,随着风向角增大,脉动横向力标准差先增大后减小;脉动升力除风攻角为-3°且呈现逐渐增大的趋势外,其余两种均为先减小后增大;气动力的离散程度即变异系数与风攻角关系不大,主要与风向角有关,风向角越大变异系数越大。

考虑横风工况的货车导流罩多目标优化设计

环境横风的作用会增加货车的侧向力,因此,设计一款兼顾纵向空气阻力系数(Cd)和侧向空气阻力系数(Cs)的导流罩装置,对提高车辆经济性和行驶稳定性具有重要意义。以简化的货车模型为研究对象,采用拉丁超立方采样(LHS)方法构建300个数据样本,并使用CFD软件计算值作为对应样本的监测值。将数据样本按7:2:1分为训练集、验证集和测试集,采用分布训练模型预测Cd和Cs,训练模型在测试集上对Cd和Cs的拟合优度(R2)分别达到0.87和0.83。再利用构建好的数据样本进行深度学习训练,并将训练好的BP神经网络模型作为NSGA-Ⅱ的目标函数进行多目标优化求解。从NSGA-Ⅱ得到的Pareto前沿解集中,按照Cd最小、Cd和Cs适中和Cs最小的原则,分别选取验证模型A、B和C,通过与CFD仿真值对比,预测值最大误差为1.9317%。其中:模型B和原始模型相比对,Cd降低了12.7167%;模型C和原始模型相比对,Cs降低了11.9957%。

横风下不同编组长度城际动车组气动载荷规律分析

横风是城际动车组运行时产生晃动和不稳定现象的重要原因。为提高城际动车组在横风条件下的运行安全性和稳定性,并找到动车组最优的编组配置,开展城际动车组在横风环境下的气动载荷研究。基于三维、非定常、不可压的DES湍流模型,采用新型城际动车组研究有/无横风环境不同编组长度对列车气动特性的影响,分析城际动车组在高架运行时各节车厢周围流场变化情况,探究城际动车组气动载荷变化规律。研究结果表明:当无横风时,头车和尾车的阻力系数大于中间车,且随着车速的增加头车和尾车的阻力系数基本不变;尾车的升力系数大于头车和中间车,且随着车速的增加头车和尾车的升力系数基本不变。当有横风时,头车的阻力系数反向增大,尾车的阻力系数正向增大,头尾车阻力系数随速度的增大而减小,中间车基本不变;头车升力系数小于尾车和中间车,编组越长,中间车升力系数波动减缓,且随速度的增大而减小。对于侧向力系数,横风使头车侧向力系数最大,中间车次之,尾车最小。编组越长,中间车侧向力系数波动越小;对于倾覆力矩系数,横风使头车倾覆力矩反向最大,中间车次之,尾车最小,随速度的增大而减小。此外,不同编组的城际列车在运行中存在着不同的气动特性,长编组列车在相同条件下具有更好的稳定性和舒适性,且城际动车组车头各种载荷变化波动最大,需要重点关注。研究可为优化列车设计、提高运行安全性和稳定性提供科学依据。在城际动车组设计和编组时,应当优先选择较长编组,以确保列车运行安全和稳定。

横风作用下地铁车辆运行平稳性及安全性分析

[目的]城市轨道交通列车在高架线路上运行时,横风对车辆运行的平稳性和安全性有较大影响,需要对横风作用下地铁车辆的动力学性能进行更为深入的研究。[方法]在MATLAB软件中分别采用3种经典的横风风载模型(定常稳态风载模型、瞬态中国帽风载模型及非定常随机风载模型)模拟动态风场,在SIMPACK软件中建立单节编组车辆的精细化刚体动力学模型,将3种风载模型作为外部激励分别施加到车辆上;对比分析了车辆在直线上运行时不同风载模型、不同风速、不同车速对地铁车辆运行平稳性的影响;从安全设计角度出发,选取非定常随机风载模型,对车辆在曲线上运行时的平稳性及安全性进行分析,探究了不同风速下车辆运行速度的安全域。[结果及结论]在横风作用下,地铁车辆车速、风速均对车辆的运行平稳性及安全性有显著影响。车辆高速运行时,风速对车辆的横向振动影响更为突出。3种横风风载模型中,非定常随机风载模型对车辆的平稳性影响最明显;基于对车辆平稳性及安全性的分析,给出了不同线路形态(直线或曲线)、不同风速下的车辆限速值。

横风环境下高速列车运行安全性研究

为研究不同横风(风向角为90°)环境下列车安全运行的临界速度,对横风速度分别为5、10、15、20、25、30、35 m/s,以及列车速度分别为200、250、300、350、400 km/h的多个工况用MATLB软件进行气动特性的数值模拟,得到不同工况下的气动载荷值,并选取中国高速铁路无砟轨道不平顺谱进行数值模拟;建立基于SIMPACK的高速列车多体系统动力学模型,以轨道不平顺谱转化的时域不平顺样本作为轨道不平顺激励,将其与得到的气动载荷值作为外部激励输入,对高速列车在不同工况下的车辆模型进行仿真和分析,得到不同风速和车速下的列车安全运行指标。给出不同风速下列车安全运行的最高速度限值,并通过数值拟合方法得到不同风速和车速下的高速列车运行安全域。结果表明,随着风速或车速的增大,轮轴横向力首先超出限值,应特别注意此指标对列车运行安全性的影响;在横风风速或列车运行速度过高时,需要进行一定的速度限值或加以一定的控制来保证列车运行安全性。

汽车横风下的动力学仿真分析及横摆稳定性研究

目前随着汽车行业的发展,对于汽车的稳定性能要求也越来越高。本论文以某款车型为研究对象,探讨在高速的行驶的情况下,汽车结构参数、底盘参数等20个参数对于汽车横风稳定性的影响。首先利用CFD软件计算车辆气动力系数,并通过Carsim软件建立整车动力学仿真模型,将气动力系数导入Carsim气动力学模型中。在专家工程师所设定可接受程度的参数进行动力学仿真分析,并将汽车的横摆角速度作为车辆的稳定性能指标评估。仿真结果表明,汽车前、后载荷对于横摆稳定性能影响最大,针对此款后驱车辆,前/后载荷增大,横摆稳定性能越好;风压中心位于质心或质心稍微靠后的位置,横摆角速度较小,具有较好横摆性能。

兰新线强横风对车辆倾覆稳定性的影响

兰新线百里风区内经常发生车辆脱轨、倾覆等事故,本文根据动力学力矩平衡原理研究了列车最高安全运行速度与环境风风速之间的关系,并分析了各种因素对车辆运行稳定性的影响,对于预防事故,确保季风区行车安全具有重要的意义。计算结果表明:空车比重车的临界倾覆风速低,货车的临界倾覆风速比客车低,空棚车的临界倾覆风速最低。

横风作用下高速列车安全运行速度限值的研究

横风作用下的列车安全运行速度限值应通过列车气动特性和车辆轨道动力学特性的分析得到。以我国CRH3型高速列车实车为原型,考虑真实受电弓、转向架等列车的细部特征,假定列车在平地上行驶,对列车速度分别为200、250、300、350和380km/h,横风速度分别为10、15、20、25和30m/s,风向角为90°的25个工况进行气动特性的数值模拟,并采用国内实测轨道谱和德国轨道谱分别对这25个工况的车辆轨道动力学性能进行仿真计算和对比分析。结合国家标准和技术规范,给出CRH3型列车在平地上运行时,横风风速与列车最大安全运行速度之间的对应关系,为横风作用下的列车运行安全控制提供参考。

基于大涡模拟的高速列车横风运行安全性研究

结合高速列车空气动力学和多体系统动力学,研究横风对高速列车运行安全性的影响。首先采用大涡模拟计算方法,研究了不同横风风速下高速列车非定常气动载荷的时域及频域特性,列车周围流场结构及相应的非定常流场特性。然后建立高速列车多体系统动力学模型,将得到的气动力作为外加载荷作用于列车上,研究了不同横风风速下定常气动力和非定常气动力对直线上高速列车运行安全性的影响特性,计算结果表明,与定常气动力相比,作用于车身上的非定常气动力使列车的振动加剧。最后参照高速列车的安全运行标准,对高速列车的安全运行进行分析,为横风下高速列车的安全运行提供参考。

横风中不同行驶工况下高速列车非定常空气动力特性

通过三维大涡模拟(LES)数值计算方法,对横风中不同行使工况下高速列车的非定常空气动力特性进行研究。计算得到各工况下高速列车车体所受非定常空气动力的时域特性、频域特性、脉动特性,以及列车周围非定常流动结构。分析结果表明,横风中高速列车所受空气动力存在明显的非定常性。从各工况高速列车所受空气动力脉动的均方根值来看,各节车的非定常现象基本随着合成风向角的增加而增大。在高速列车所受非定常空气动力的频域特性方面,其峰值频率集中在斯托劳哈尔数0.05~0.2范围内,这一范围对应实车情况的频率为0.5 Hz^2 Hz,这与高速列车系统本身存在的一些固有振动频率接近,存在由横风引起高速列车系统共振、降低高速列车行驶安全性乃至引发高速列车脱轨倾覆的可能性。

横风环境中弓网动力学性能分析

为研究横风对弓网动力学性能的影响,基于AR模型的线性滤波法和Davenport风速谱,构建了受电弓-接触网系统的随机风场,获得了作用于受电弓和接触网的风速时程;建立受电弓/高速列车空气动力学仿真模型,采用计算流体力学方法求解了列车运行速度为300 km·h-1,不同横风速度下的受电弓气动抬升力,从而得到横风平均速度为20 m·s-1时,受电弓气动抬升力时程;采用三维弓网耦合动力学模型,系统分析了横风对弓网动力学的影响规律。研究表明,横风使得受电弓的气动抬升力变大,并与横风速度的平方成正比;受电弓气动抬升力的增加和波动,使得接触压力平均值以及标准差变大;接触网产生的风致振动改变了弓网之间的接触状态,导致接触压力波动范围变大,因此,列车在横风环境中运行时,不仅增大了弓网接触压力从而加剧了受电弓滑板和接触线的磨耗,而且使得接触压力最小值减小以及标准差增大,导致弓网受流质量显著降低。

横风作用下货物列车通过大跨度铁路斜拉桥的走行安全性研究

根据弹性系统动力学总势能不变的原理,以轨道不平顺作为自激励、风荷载作为外部激励,建立考虑风荷载作用的车—桥系统耦合振动方程,对横风作用下满载和空载2种运营工况下货物列车通过大跨度铁路斜拉桥时的走行安全性进行研究。结果表明:在桥面风速为25m·s-1情况下,当车速低于100km·h-1时满载货物列车的脱轨系数和轮重减载率均未超标,而车速高于40km·h-1时空载货物列车的脱轨系数和轮重减载率均超标;相对于满载工况,空载工况下桥梁与列车的动力响应受车速和桥面风速的影响较大,而受列车在桥面迎、背风位置的影响较小;在横风作用下,货物列车通过大跨度铁路斜拉桥时,空载工况的车辆响应明显大于满载工况,因此货物列车以空载状态通过大跨度铁路斜拉桥时应根据桥面风速合理降低车速。

横风下高速列车的非定常气动特性及安全性

为研究横风下不同路况(平地、路堤、桥梁)运行时的高速列车非定常气动特性及安全性,基于空气动力学和多体系统动力学理论,建立高速列车空气动力学模型和车辆系统动力学模型。采用分离涡模拟(Detached eddy simulation,DES)方法,计算在横风下运行速度为300 km/h列车的周围流场,风速为17.1 m/s,风向与列车运行方向垂直,得到各路况运行时高速列车车体所受非定常气动力的时域特性、频域特性及列车周围非定常流动结构。根据高速列车整车试验规范,以脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力和轮轨垂向力为安全性指标,分析不同路况下列车的运行安全性。结果表明,横风中列车所受气动载荷存在明显的非定常性,各车辆的气动载荷功率谱密度存在明显峰值,气动载荷主频集中在5 Hz以内;复线路堤背风侧运行列车的安全性最差,其次为复线桥梁迎风侧、复线桥梁背风侧、复线路堤迎风侧、平地。