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。

横风下高速列车在隧道洞口交会非定常气动效应

针对横风下高速列车在洞口交会时的非定常气动问题,考虑流场的三维、可压缩、湍流特性,建立隧道-列车三维空气动力学模型,利用滑移网格技术模拟列车交会过程,采用SSTκ-ω湍流模型对列车交会全过程进行求解,研究横风对隧道内瞬变压力、列车风及流场分布特性的影响规律.研究结果表明:横风下列车交会时,洞口处气动压力系数变化幅值显著增大,交会完成时,列车之间压力系数峰-峰值较无横风情形增大30.6%;列车交会开始和完成时气动压力均发生突变,隧道中部附近气动压力峰值最大;横风下列车交会气动压力大小与空间位置有关,交会时列车间气动压力变化幅值分别是列车迎、背风侧压力变化幅值的2.2和1.5倍;横风对洞口附近列车风影响显著,横风时迎风侧列车风峰值最大,无横风时背风侧列车风峰值最大,且前者是后者的2.04倍;隧道内气动效应受横风影响范围有限,当横风为30 m/s、车速为350 km/h时,隧道内气动效应受影响范围为120 m;横风下交会开始与完成时,流场分布急剧变化,导致气动压力与列车风发生突变.

二维管道列车交会激波特性分析

列车在低真空管道内运行可以极大的减少阻力,但同时面临激波效应等难题。建立二维管道仿真模型,采用可压缩非定常SST k-ω湍流模型并结合滑移网格技术,研究不同起始交会距离、速度、时间下管道内激波演变规律。结果表明:两车相距较远时,列车前方壅塞区段向前推进,壅塞长度随时间线性递增,正激波相互扰动时,阻力/压力绝对值激增;两头车交会时,阻力/压力绝对值再次激增达到最大值,随列车的运行又急剧下降到相对平稳状态,交会过程中阻力/压力沿车尾方向先降低后增大。车尾区域存在激波、膨胀波相互交叉干涉现象,波系较为复杂,沿车尾方向激波反射强度减弱。随交会距离的增加,列车行驶在短、中长隧道(<1500 m)阻力/压力变化剧烈,长隧道(>1500 m)阻力/压力变化幅值较小。随速度的增加,列车前方壅塞区段长度缩短,阻力/压力绝对值增大,车尾激波串长度增加,强度减弱。

高速列车交会振动对邻近建筑内精密仪器的影响及减振措施研究

随着城际铁路的大力建设,铁路沿线特别是一些放置精密仪器的建筑因振动环境恶化,内部仪器受到反复振动的影响,且当列车高速会车时,引起的振动更为剧烈。本文对邻近线路建筑物内的精密仪器进行数值仿真分析,建立了高速列车会车的耦合模型,提出一种振动叠加的预测方法。对既有振动数据进行采集,用于模型验证。在此基础上,对精密仪器的振动进行评估并提出相应的减振措施。结果表明,既有振动主频在10~20 Hz,在该频段存在振动超限风险;列车高速会车会导致精密仪器无法正常工作。加装减振垫可以有效缓解列车引起的高频振动(40~80 Hz)影响。列车振动与既有振动叠加后,高层振动以10~20 Hz为主,建议在精密仪器处采取减振措施。

高速列车通过最不利隧道气动阻力数值分析

为了探明高速列车与最不利长度隧道耦合作用下列车气动阻力变化规律,以某动车组为计算模型,基于滑移网格技术和计算流体动力学(CFD)理论,采用k-ε两方程湍流模型对最不利隧道内8辆编组单车穿越和双车等速交会时的气动效应进行了三维数值模拟,并结合遂渝线上二岩隧道实测数据对计算方法的可靠性进行了验证。结果表明:(1)列车所受气动阻力变化与列车头尾部的压差变化有直接关系,压差的升高和降低会引起阻力的增大和减小。(2)在隧道内以时速300 km单车穿越和双车交会过程中,整车最大气动阻力分别发生在列车入隧道后3.1 s和2.8 s时刻,阻力系数分别达到1.37和1.49,且此时头车阻力在整车中占比最大,分别为34.67%和36.57%。(3)当列车头头交会和头尾交会时,尾车阻力占比最大,分别为56.79%和37.33%;当列车尾尾交会时,头车阻力占比最大,为44.62%,而尾车阻力此时接近为0。(4)列车行驶速度提高会引起气动阻力迅速增大,当列车时速从250 km提升至400 km时,隧道内单车穿越和双车交会整车气动阻力平均值分别增大了132%和150%。研究结果可为车隧设计提供一定的参考。

列车在特殊风工况下的运行品质分析

基于时速400 km中国标准化动车组的动力学参数,利用SIMPACK软件建立动力学模型,模拟列车在无风、“中国帽”横风激扰、列车交会以及通过隧道等状态下的运行平稳性,以便支撑动车组的设计工作。研究表明:在无风、两列车交会运行以及通过隧道的状态下,车速对列车横向平稳性的影响最大;在“中国帽”横风激扰的状态下,车速对列车横向平稳性以及乘坐舒适度的影响较大;在无风、横风激扰以及通过隧道的状态下,随着车速的增大,头车、中间车和尾车的平稳性以及乘坐舒适度都在增大。

横风下高速列车桥上交会行车风速阈值研究

采用有限元软件Ansys建立桥梁模型,多体动力学软件Simpack建立列车模型,采用联合仿真方法建立风-车-桥耦合振动模型,分析风速5~25 m/s下,CRH380A列车组在40 m简支梁桥上以350~425 km/h的速度进行交会时的桥梁和列车动力响应。研究结果表明:简支梁桥的横、竖向加速度随风速增大的增幅较小;横风对列车横竖向加速度、脱轨系数和轮重减载率影响较为显著;轮重减载率应作为列车桥上交会的控制性指标;列车若以425 km/h的速度在桥上进行交会时,风速阈值应为10 m/s。

高速列车交会时的风致振动研究

为了阐明高速列车交会过程中气动力对列车的系统动力学行为的影响,分别建立了CRH-2动车组的简化几何模型和50个自由度的车辆系统动力学模型。采用有限体积法对三维瞬态可压缩雷诺时均Navier-Stokes方程和k-ε两方程湍流模型进行求解,并通过滑移网格技术实现列车的运动,对考虑和不考虑气动力时的列车系统动力学响应进行了数值模拟,并对两种情况下列车的安全性和舒适性进行了分析讨论。研究发现:气动力在列车交会过程中变化剧烈,对列车系统动力学行为的影响非常明显,交会时列车振动剧烈,头车和尾车的安全性和舒适性明显降低。

列车交会压力波与运行速度的关系

随着列车速度的提高,列车交会时产生的瞬态压力冲击对行车安全、旅客舒适性均产生严重影响。根据多次实车试验结果和理论分析,将列车交会分为列车静止交会、等速交会和不等速交会3种工况,研究了3种工况的列车交会压力波与运行速度之间的关系,得到一系列回归关系式。研究结果表明:静止列车上的压力波与交会列车运行速度的平方成正比;两列车等速交会时,列车上的压力波幅值与两交会列车的运行速度和相对速度的平方成正比;两列车不等速交会时,高速列车承受的压力波幅值小于与之交会的低速列车所承受的压力波幅值;两列车等速交会时的压力波大于一方列车静止时交会的压力波。

列车交会压力波对高速磁浮列车横向动态响应的影响分析

以上海磁浮列车为研究对象,将车体、夹层、摇臂、摆杆以及悬浮架作为弹性体,磁系、二系悬挂、磁铁连接装置和其它弹性辅助元件作为弹簧—阻尼单元,建立了整车动力学计算模型。对列车交会瞬态压力冲击作用下的高速磁浮列车进行横向动态响应研究。研究结果表明,在磁浮列车高速运行时产生的交会压力波作用下,车体产生了较大的横向振动,经过二系悬挂的缓冲作用后悬浮架的振动明显减小。

准高速列车交会空气压力波试验研究

根据在广深准高速线上首次成功地进行列车交会压力波试验所得结果，本文分析了列车交会压力波幅值大小与列车运行速度、交会列车相对速度、线间距、车体截面形状、车头形状的关系，以及高速车对低速车的影响。

列车交会压力波的影响因素分析

根据数值模拟计算、实车和风洞试验结果 ,研究了列车交会压力波与相对速度、绝对速度、速度比、线间距、列车外形 (断面形状、流线型头部长细比、头部纵剖面最大轮廓线和俯视图最大轮廓线 )以及列车编组方式等之间的关系。研究结果已在我国流线型车体设计上正式采用 。

列车交会压力波三维数值的计算

采用求解三维可压缩非定常 N- S方程的方法 ,对列车交会问题进行数值模拟计算 ,该方法可以用于解决两交会列车外形及运行速度完全不相同的流场数值计算情况。采用分区计算的方法解决同一流场区域内包含两相对运行列车的问题 ;用不断进行数据交换的方法解决列车与列车、列车与流场之间的相对运动问题 ;采用 CAD技术生成网格。同类情况下计算结果与试验结果比较相差小于 10 %。

磁浮列车明线交会横向振动分析

为了研究气动力对磁浮列车运行稳定性的影响,以上海磁浮列车为研究对象,采用动网格技术,通过求解三维可压缩非定常N S方程对磁悬浮列车在相对速度860 km/h交会时的气动力进行数值模拟;同时将车体、悬浮架作为弹性体,悬挂系统作为弹簧阻尼单元,建立了详细的系统动力学模型,对考虑列车交会瞬态压力冲击作用下的高速磁浮列车进行了横向振动分析。计算结果表明,流场数值计算出的最大压力波幅值与实车试验结果两者差距小于6%;仅考虑轨道不平顺时,磁浮列车的横向振动较小,而在考虑磁浮列车高速运行时产生的交会压力波的情况下,车体却产生了较大的横向振动,底架最大横向加速度达1 5 m/s2,经过二系悬挂的缓冲作用后振动明显减小,悬浮架最大横向振动加速度约为0 7 m/s2。

侧向风作用下桥上列车交会过程的空气动力特性

以CRH3型高速列车为研究对象,采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟方法和动网格技术,通过局部动态层变法实现对侧向风作用下桥上列车交会过程的动态模拟,研究侧向风作用下桥上列车交会过程的空气动力特性。结果表明:无侧风情况下桥上列车交会时所产生的交会压力波是导致列车气动力波动的主要原因;在侧向风的作用下车-桥耦合系统的空气动力特性表现出明显的三维时空特性;与无侧向风作用相比,在侧向风的作用下,两交会列车车体表面的整体压力分布已不再具有对称性,其中迎风侧列车所受风荷载较背风侧列车的大;在列车交会过程中,由于迎风侧列车对侧向风的遮挡效应,使得背风侧列车的风荷载突变更加剧烈,这对背风侧列车过桥的安全性和舒适性更为不利;随着列车运行速度的提高,列车的侧向力系数、倾覆力矩系数逐渐增大,而且其气动力系数在列车交会瞬间的突变更加剧烈。

高速铁路隧道内列车交会压力波气动载荷分布特性

针对中国标准动车组以350 km·h^-1速度通过隧道,采用一维非定常可压缩不等熵流动模型和广义黎曼变量特征线法,在验证源代码程序合理和准确的基础上,对比单列车通过和2列车等速中央交会时隧道中央测点的压力变化、隧道空间和全时间区域内的压力场分布图、列车离开隧道后压力波传播规律,并获得洞内各测点的最大正负压和最大压力峰峰值。在此基础上,研究隧道长度、阻塞比、编组辆数和列车速度对隧道内压力的影响特性。结果表明:隧道交会压力波与列车驶入驶出隧道诱发的压缩波和膨胀波的反射及叠加密切相关,且隧道交会压力波随阻塞比、编组辆数和列车速度的增大而增大;2列车等速隧道中央交会处的压力最值明显大于隧道内其他位置,是洞口附近位置的2.0~2.7倍;隧道长度为1.0,2.5,5.0和10.0 km时,列车速度为400 km·h^-1时隧道内最大压力峰峰值是其为250和350 km·h^-1时的2.7~4.1倍和1.3~1.5倍。

“长白山”高速列车与货车交会试验研究

研究确定我国铁路200 km时速动车组与120 km时速货物列车在区间正线(4.4 m线间距)交会时的安全性,为铁路第6次大提速的技术改造和安全运行提供有力的科学依据,在京秦线的丰润至玉田路段进行了“京秦线提速200 km.h-1列车交会综合试验”。利用稳态和瞬态压力测试系统,对货车正常运行时(非交会)蓬布的稳态压力和列车交会时的空气压力波进行测试,并对测量结果进行综合分析。研究结果表明:货车以120km时速运行时,整块篷布和半块篷布受到的稳态气动升力分别为896 N和541 N;在线间距为4.4 m、货车以120 km时速与“长白山号”动车组200 km时速交会时,蓬布受到的最大交会压力波幅值为723 Pa,其最大应力值半块篷布略大于整块篷布,均小于其许用应力值;集装箱受到的气动倾覆力矩为8.5 kN.m,远小于其临界倾覆力矩。因此,200 km时速的动车组与120 km时速的货车在4.4 m线间距情况下交会时,只要蓬布拴结方式正确和在蓬布没有被破坏的情况下是安全的。

高速列车在隧道内和明线上交会时气动性能对比分析

建立了高速列车在隧道内和明线上交会的数值计算模型。利用有限体积法求解三维、可压、非定常N-S方程和k-ε两方程湍流模型,通过滑移网格技术实现列车的相对运动。分析了列车在隧道内和明线上以350 km/h等速交会过程中车体表面压力、气动荷载的变化规律。研究发现:列车在隧道内交会时,其车体表面压力比在明线上交会时约增加6 kPa,且车体表面压力的波动幅值是明线上交会时的2倍;交错车体表面的负压值比未交错表面的负压值大1.5kPa;气动力(矩)比在明线上交会时略小;头车、尾车气动阻力的变化规律与单车过隧道时相似,但阻力的变化峰值约是单车过隧道时的2.5倍。

侧风环境下列车高速交会流固耦合振动安全性分析

为防止侧风环境下列车高速交会压力波对车体结构造成破坏及气动载荷冲击对运行安全性影响,综合计算流体动力学有限体积法与列车多体系统动力学仿真方法,由流固耦合出发,同时对侧风环境下列车高速交会的外流场及列车系统动力响应进行分析,考察会车压力波、气动冲击、车体响应及列车运行的安全性。结果表明,背风侧列车会车压力波头波大于迎风侧列车,而尾波则小于迎风侧列车,最大压力波动出现在背风侧列车。侧风环境下列车高速交会时,彼此具有挡风作用,安全性指标出现波动,列车运行安全性短时间内有所改善。

列车交会动态压力波实车测试系统的开发与应用

简述了列车交会动态压力波实车实验测试系统的组成和基本原理。系统以压阻式压力传感器、数据采集仪和微机为核心，应用超声、红外检测技术，实现了列车交会压力波、交会车辆侧壁间距及相对车速的同时测量，并成功应用于广深线实车实验中。