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.

脉动风场下二维高速列车/桥梁气动特性研究

强脉动环境风加剧高速列车周围流场瞬变特性,进而形成强脉动列车气动载荷,直接危及列车行车安全。当列车在高架桥上运行时,环境风-列车-桥梁耦合条件下的列车气动载荷变化将更为剧烈。因此,采用更加真实的风场边界模拟横风作用下高速列车在桥梁上运行时的气动特性、明确不同风场特征下的列车周围流动结构特征显得尤为重要。基于大涡模拟方法,研究了恒定均匀风场、指数平均风场以及指数脉动风场(基于谐波合成法并采用Kaimal风速谱密度模型生成风速时程数据)特征作用下二维车体在10 m高桥梁上的横风气动特性。研究结果发现:不同风场特征下,车体周围流场结构、气动性能存在较大差异。对比指数平均风场,恒定均匀风场下车体背风侧产生一对更加充分发展的漩涡结构;车体的侧向力系数减少16.4%,升力系数增加59.7%,倾覆力矩系数降低23.6%,不同速度剖面对应的2种时均风场下,列车的气动特性出现了显著差异。当采用更为真实的指数脉动风场剖面时,车体表面压力分布呈现差异性变化,车体的侧向力系数增加9.0%,升力系数减少13.4%,倾覆力矩系数增加9.5%,可见脉动风场对桥梁上高速列车的横风气动性能具有较显著的影响。研究成果可为风环境下桥上高速列车的行车安全和限速指挥系统提供技术支撑。

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。

风沙环境下内燃机车内部沙相分布特性分析

为了研究阿联酋机车在不同横风风速情况下的风沙环境中以200 km/h的速度运行时,进入车厢的沙粒在车厢内的分布情况,利用计算流体动力学软件STAR-CCM+对其进行数值模拟计算。仿真均采用0.01 mm的沙粒粒径,得到沙粒在机车内部的流动情况。计算结果表明,机车在风沙环境下运行时车厢内部受到的压力和流场速度都增大;而随风沙流进入车厢内的沙粒数量随着横风风速的增大而减少,由于入射角的差别,风速在15 m/s时进入车厢内的沙粒数量略少于其他工况。沙粒进入车厢内易产生堆积,主要发生在发动机、柴油机和制动气缸处,均靠近冷却室,因此在机车运行时,应注意这些设备的防护,且为了针对性地对设备进行防护,可以尝试设计改变冷却室位置,减少堆积。

挡风墙对风区隧道火灾排烟效果的影响研究

烟气是隧道火灾中的最致命因素。针对处于风区的隧道受环境风影响,火灾烟气无法有效排出导致隧道内热量积聚和人员受困的问题,建议在风区隧道出口设置合理尺寸的挡风墙。以标准的2车道公路隧道为例,基于对公路隧道火灾载荷的调研,借助FDS(Fire Dynamics Simulator)软件建立典型的2车道公路隧道火灾模型,考虑风区10,20和30 m/s 3种横风速度,分别讨论有无挡风墙时的隧道内火灾烟气运动情况。无挡风墙时,横风会将烟气封堵在隧道内,造成隧道内热量的积聚,同时,隧道下部空间被烟气侵蚀,对人员逃生和救援工作产生不利的影响。进一步探讨不同宽度和高度的挡风墙对隧道内火灾烟气运动、隧道顶部温度、能见度及烟气层高度参数的影响,从而确定适合风区2车道公路隧道的最佳挡风墙尺寸。研究结果表明,隧道出口设置挡风墙可以有效促进风区隧道火灾烟气的排出,且能够大大降低隧道顶部温度。这是由于风流经过挡风墙时发生边界层分离,挡风墙内部形成负压驱使火灾烟气从隧道排出。当横风速度较大时,烟气倾向于全部从风区一侧排出,非风区一侧形成完全干净的空间,此时人员逃生和灭火救援可以从非风区侧进行。此外,挡风墙的尺寸并非越大越好,基于3个隧道火灾安全疏散指标,提出了优化的风区2车道公路隧道的挡风墙尺寸为4 m(宽)×8 m(高)。

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。

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。

基于ANSYS Fluent的微型汽车气动力分析及风扰响应系统设计

为提高微型汽车在横风作用下的驾驶安全性,文章利用ANSYS Fluent软件模拟了0°至90°风向下的风洞实验,获取和分析了不同驾驶速度、风向和风速等对车辆稳定性的影响。基于以上研究设计了一款微型汽车横风风扰响应系统,可实现车辆环境智能判定与驾驶员自动警示。该系统可提升微型汽车在复杂风环境下的安全性,拓宽其应用场景,对微型汽车的研究与应用有重要价值。

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。