运动边界对冰雪风洞试验段流场特性影响研究

轨道列车转向架区域的积雪结冰现象,是关乎列车运行稳定以及行车安全的关键问题。为了解决转向架区域的积雪结冰问题,研建列车转向架积雪结冰风洞以研究原始比例模型转向架区域流场特性。基于SST k-ω的IDDES湍流模型,分析不同运动边界条件下风洞试验段气流流动特性,探索积雪结冰风洞在现有运动边界条件下的流场模拟适应性与差距。通过网格无关性验证和流场校测,验证数值方法能够满足积雪结冰风洞流场的模拟。研究结果表明:静止地面和静止轮对无法近似模拟真实环境下运动地面和旋转轮对的边界条件的流场特性,轨面以上的空间平均速度最高偏大5倍,静止地面和旋转轮对的风洞实际边界与真实边界更接近;静止地面和静止轮对下转向架后侧的空间压强平均负压高于其他工况,车体后端板表面和转向架表面平均负压强偏差较大,静止地面和旋转轮对的表面负压平均偏差9%,转向架轮对表面压强偏差15%;不同工况下的转向架区域的湍流度差别不大,转向架前侧区域的湍流度在静止地面和轮对下整体偏大。综上所述,在不同试验段运动边界条件下,现有积雪结冰风洞中静止地面和旋转轮对边界条件能较好地模拟实际运行状态下的转向架区域流场特性,为后续试验研究转向架区域的流场特性和积雪结冰问题奠定基础。

流线型部位风阻制动板对高速列车气动特性的影响分析

针对高速列车运行速度提升导致制动动能骤增、紧急制动距离延长的问题,采用基于Realizable k-ε湍流模型的雷诺时均法(RANS)研究高速列车流线型部位增设风阻制动板对列车周围空气流动特性及气动载荷的影响。研究结果表明:风阻制动板能够显著改变高速列车周围流场,在制动板上游造成明显气流冲击并在其下游诱发强剪切分离流动,大幅度增加高速列车整车压差阻力。相比于等截面车身位置布置风阻制动板,在列车流线型部位布置风阻制动板能够有效减弱风阻制动板间的干涉效应。对于风阻制动板而言,处于气流直接冲击区域和存在高度梯度分布特性的风阻制动板受力相对较大,受板间干涉作用影响较大的风阻制动板受力相对较小。相比于原始无风阻制动高速列车,本文提出的风阻制动装置最高可将三车编组高速列车气动阻力提升约517%。

城际列车梳齿状涡流发生器气动减阻研究

为减小钝体头型城际动车组的气动阻力,开展尾车车体与头型变截面区处梳齿状涡流发生器气动减阻效应研究。针对保留底部转向架基本气动外形的头车-中间车-尾车列车简化模型,采用Realizable k-ε湍流模型研究梳齿状涡流发生器对列车尾部流动分离以及整车气动阻力的影响。结果表明:钝头城际列车尾部存在明显流动分离现象,同时伴随涡旋产生、发展与脱落。在列车尾部车体末端安装涡流发生器后,气流分离被有效延缓,涡旋产生与发展得到明显抑制,列车尾部流场结构显著优化。对列车进行气动力分析发现,在60 m/s速度下,安装涡流发生器后,尾车压差阻力降低22.07%,三车模型气动总阻力降低7.15%,可以有效减少城际列车碳排放。

轨道车辆冰雪风洞收缩段曲线对试验段流场特性的影响

采用基于SST k-ω的IDDES湍流模型研究轨道车辆冰雪风洞流道空气流动品质,并分析收缩段约束曲线对试验段内流场品质的影响。采用风洞流场校测的数据验证本文数值模拟方法的计算精度可靠性、网格尺度无关性和湍流模型适应性。研究结果表明:原始工况下,收缩段入口处由于拐角导流片导致流动分离,气流速度呈锯齿状分布;在试验段喷口前未发生明显流动分离,试验段速度均匀分布;喷口射流与周围的动量交换而导致速度较低,涡量增加,湍流度也较高。不同收缩段曲线工况中,维氏曲线在收缩段入口位置过快收缩,导致截面的速度均匀性较差,维氏曲线对一阶变量如速度、俯仰角、偏航角等变量影响较大,双三次曲线对二阶变量影响较大。综合考虑风洞收缩段气动外形关键参数设置,五次收缩段曲线对保证试验段流场品质效果最佳。

运动边界对高寒动车组转向架区域风雪运动的影响

采用基于Realizable k−ε湍流模型的非定常雷诺时均方法(URANS)和离散相模型(DPM)探究运动边界对高速列车底部风雪运动规律及转向架区域积雪分布的影响。研究结果表明:地面的运动有效缓解了转向架底部气流的流向动能衰弱效应,显著增加了转向架2区域的流向速度分布,并影响了雪粒垂向速度分布,致使转向架1区域的表面积雪质量降低33.6%,转向架2区域的表面积雪质量增加20.1%;列车轮对的旋转未影响转向架底面积雪分布,但轮对旋转使后端板周围雪粒垂向速度大幅增加,进而增加了转向架上表面的积雪分布;相较于旋转轮对,在轮对静止条件下,牵引电机、齿轮箱、构架和后端板表面积雪质量分别降低1.5%、2.9%、3.4%和6.4%,转向架2区域的表面积雪总质量整体降低3.2%,因此,在高速列车转向架区域积雪的数值仿真和风洞试验研究中,要尽可能地实现转向架、地面和轮对之间的相对运动。