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。

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。

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。

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。

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。

横风作用下高铁全封闭矩形声屏障气动性能

我国沿海地区已规划(有部分已建成)多条重要的且穿越居民聚集区的高铁线路,多种型式的全封闭矩形式声屏障将在该区域的高铁沿线上广泛运用。近年来,在西太平洋生成的较大台风频繁在该地区登陆,该地区高铁桥上声屏障结构频繁遭遇强横风侵袭。为给高铁桥上全封闭矩形式声屏障结构的抗风设计提供理论依据,参照缩尺比为1∶16.8的列车-声屏障动模型试验装置,建立相同比例的横风-列车-桥梁-声屏障三维精细化CFD数值仿真模型;采用大涡模拟(LES)方法分析横风作用下2种全封闭矩形式声屏障的气动压力以及流场结构;基于本征正交分解(POD)理论,采用Matlab软件分别对横风作用下2种全封闭矩形式声屏障的绕流流场进行分解,探讨各阶模态对其湍动能的贡献。研究结果表明:1)全封闭矩形式声屏障绕流流场的湍流强度在纵向分布上呈两端小、中间大的规律,内部流场湍流强度高于相应的声屏障外侧,该差异在声屏障中间区段表现最为显著。2)在声屏障进、出口顶部开孔将导致全封闭矩形式声屏障内侧的负压值降低82%,湍流强度升高114%。3)相对于全封闭矩形式声屏障,进、出口开孔式声屏障出现端部绕流现象的纵向区域更长,且相应的湍流模态组成极为复杂,全封闭矩形式声屏障在进、出口顶部开孔将导致横风风致振动加剧。

强横风对高速列车驶入隧道气动效应的影响研究

为研究强横风条件下高速列车驶入隧道过程中的气动效应,基于有限体积法理论,建立隧道-高速列车-横风三维数值模型,采用SST k-ω湍流模型进行求解计算,研究高速列车在横风条件下驶入过程中隧道内气动压力和列车风的变化规律,对比分析横风对隧道内流场特性的影响。研究结果表明:在横风作用下,车头、车尾通过时隧道壁面气动压力变化幅值最大,隧道入口处气动压力受横风影响最大,在列车背风侧气动压力受横风影响更加显著;列车迎、背风侧列车风变化规律存在显著差异,迎风侧列车风风速随到入口距离的增加而减小,背风侧列车风风速则与到入口距离的关系不显著;横风对隧道内列车风风速的影响范围有限,隧道入口处列车风风速受横风作用影响最大,当横风风速为30 m/s、车速为350 km/h,距入口超过50 m时,列车同侧空间内列车风风速变化规律基本相同;隧道外流场向列车背风侧偏移,涡旋起始位置由头车流线段转移至隧道入口处,隧道内列车迎风侧大尺度涡旋结构逐渐向迎风侧偏移,并在列车驶入过程中逐渐分解消散,流场特性与无风情形的流场特征显著不同。

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。

横风桥隧区域列车突出隧道时的瞬态气动特性

基于横风作用下高速列车流场的非定常特性,建立了横风-列车-桥隧模型进行仿真计算,并通过1∶8列车动模型试验验证数值方法的准确性。随后研究横风条件下列车突出隧道时,隧道内外瞬态气动压力、气动荷载变化及流场特性,揭示了横风-列车-隧道之间的相互作用机理。研究结果表明:随着横风风速的增大,压力逐渐减小,但压力随时间的变化规律相似;横风对隧道出口处及隧道外监测点处的压力梯度有明显的影响,对于隧道内的监测点几乎没有影响;随着横风风速增大,隧道外背风侧正压峰值随风速增大略有减小,迎风侧正压峰值基本保持不变,背风侧负压峰值减小速率大于迎风侧;横风对列车突出隧道运行过程的压力波动影响有限,在横风风速为20 m/s时,隧道外界流场影响隧道内气动压力的范围不超过20 m。同种横风条件下,迎风侧、背风侧监测点处压力时程变化规律不相同,压力梯度峰值出现的位置也不同,且位于列车同侧越靠近地面的监测点处压力峰值及压力梯度峰值绝对值越大;横风下,气流经过车-桥系统时,在桥底部、列车背风侧顶部及底部发生明显的流动分离现象,导致隧道外车体两侧的压差大于隧道内车体两侧压差。

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.

横风风载对云梯消防车臂架变形及振动特征的影响分析

为探究横风对云梯消防车臂架的变形及振动特征的影响,采用有限元软件研究不同横风风速条件下云梯臂架的结构振动规律。臂架的风载变形主要体现在副臂在风载作用下的摆动,以偏心力矩造成的弯曲变形为主。臂架在外载荷与周期性变化的内应力共同作用下产生了低频震源,激发了臂架的低阶模态,云梯消防车臂架形变呈现出周期性振动的特征,随着风速的增加,振动幅度逐渐增大。基于该研究成果提出了一种解决方案,可为改良云梯消防车的设计提供思路。

宁夏高速公路横风分布特征及风险分析

基于宁夏大监站观测资料和近1~5 a宁夏4条高速公路沿线36个区域自动站和交通气象站的风观测资料,以横风风速大于12 m/s为统计指标,开展宁夏主要高速公路沿线横风风险分析.结果表明,宁夏高速公路横风灾害高风险区位于京藏高速公路(G6)惠农段;次高风险区位于京藏高速公路(G6)惠农—燕子墩段和桃山—兴仁路段、定武高速公路(G2012)太阳山—马儿庄段、乌玛高速公路(G1816)青铜峡西—甘城子段;中等风险路段主要有京藏高速公路(G6)平罗—燕子墩段、乌玛高速大武口—甘城子路段;京藏高速公路(G6)贺兰—吴忠段、福银高速公路(G70)同心以南路段属于次低或低风险路段.

矩形平面超高层建筑横风向气动力谱的神经网络预测

在超高层建筑抗风设计中常发生当平面深宽比较大时,荷载规范建议的横风向风荷载过于保守而高估建筑风荷载和风振响应的现象。利用高频底座测力天平技术,分别在B,C两类风场中对10种不同深宽比(D/B)的矩形平面超高层建筑模型进行风洞试验。采用遗传算法(GA)和误差反向传播(BP)神经网络相结合的方法(GA-BP)对试验得到的横风向气动力谱进行建模研究。用GA对BP神经网络的初始权值和阈值进行寻优,找到最优参数后,再赋值于BP神经网络训练求解问题,并运用k折交叉验证法进行仿真验证,最终获得精度明显高于BP模型的结构横风向气动力谱预测模型,显示GA-BP神经网络横风向气动力模型收敛速度快、泛化能力强。采用本文模型进行预测并和试验数据对比,结果显示,基于GA-BP的气动力模型能够很好地预测未参与建模的横风向气动力谱,采用本文模型和原始风洞数据计算的结构横风向风荷载和风致响应具有很好的一致性,但在较大深宽比时均显著小于现行规范方法结果,显示规范方法结果偏于保守。

双层高速动车组横风倾覆稳定性研究

双层高速动车组因其重心高、迎风面积大等特点,运行安全受横风影响更为显著。以我国某双层高速动车组作为研究对象,建立横风条件下3节车辆编组的气动仿真分析模型,通过与风洞试验数据比较,验证模型有效性,仿真得到了在不同横风条件下各车辆所受到的气动载荷,基于EN14067标准中的五质量模型方法,分析了横风条件下双层高速动车组倾覆安全性,得到了列车临界倾覆风速曲线。研究结果表明:横风条件下头车气动载荷最大,且在60°左右的侧滑角时达到最大;当横风垂直于列车行进方向时,临界倾覆风速随车速增加而下降,在车速为80 km/h左右,其下降趋势出现明显的变化,动车组以200 km/h速度运行在平地时,头车临界倾覆风速为22.5 m/s。在同等车速条件下,头车临界倾覆风速随风向角的增加迅速下降,平地路况在风向角为90°时取得最小值,路堤和桥梁路况在风向角为80°时取得最小值。在平地、10 m高度路堤和桥梁3种路况条件下,路堤情况的倾覆风速最小。横向未平衡加速度、空重车状态对列车横风安全性也有显著影响,当加速度与横风风速同向时,其头车临界倾覆风速值随横向未平衡加速度的增加而下降,而重车状态下的临界倾覆风速高于同等条件空车状态下的临界倾覆风速值。

横风中桥隧过渡段移动列车的气动特性试验研究

本文通过缩尺比为1:16.8的复兴号动模型试验研究了横风中移动列车经过桥隧过渡段时的气动特性。该试验在中南大学风洞实验室自主研发的弹射模型实验装置上进行,移动列车表面的气动压力通过装载在车体内的无线测压系统获得,并可通过积分获得列车气动力。实验结果表明,横风中移动列车经过桥隧过渡段时,列车侧向力会发生先负后正或先正后负的剧烈变化,列车迎风面压力标准差大于背风面压力标准差。在迎、背风侧轨道上运行的移动列车经过桥隧过渡段时所受气动力变化规律相似,迎风侧轨道上移动列车在隧道洞口处所受侧向力一般比其在背风侧轨道时的大;其主要原因是相对于背风侧轨道上的列车,迎风侧轨道上的列车迎风面所受负压更小,背风面所受负压更大。