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。

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。

路堑过渡段对高速列车气动荷载的影响:基于IDDES方法

当高速列车在横风条件下通过路堑过渡段时,列车的气动荷载将发生显著变化。本文基于改进的延迟分离涡湍流模型建立了列车-路基-风的三维空气动力学耦合模型,重点探讨了路堑深度对列车气动载荷变化和气动性能恶化的影响,揭示了相应的列车周围流场的演化机制。结果表明:当路堑深度为6 m时,头车所受的气动冲击能量最高。在列车完全驶入下一运行场景后,随着路堑深度的增大,来流对列车气动荷载的影响减弱,相应的波动幅度降低。头车气动载荷的突变幅值与风速近似满足线性正相关关系。

航空发动机露天侧风试验装置流场特性数值模拟

为了分析侧风试验装置的流场特性,建立了真实尺寸的CFD数值仿真模型,利用集总参数模型模拟了风机流动,研究了整流装置、风机布局和自然风对装置流场特性的影响。结果表明:稳定段加装3层开孔率为0.50~0.55的阻尼网可以使试验区动压系数μ≤0.005,改善了风机布局和收缩段突缩对出口流场品质产生的不利影响;装置内部外圈风机的流量低于中心风机的,且不同布局的风机组合具有不同的流场特性和抗自然风干扰能力;风向与装置轴线夹角为30°及以下的自然风对流场品质影响较小且有利于风机风量的输出,而夹角大于60°时装置内靠近风向一侧的风机受到的扰动较大,同时装置出口的射流方向发生大幅度偏转。研究结论对于航空发动机露天侧风试验装置的设计、使用和完善,以及进一步开展喷水、喷砂特性的模拟分析具有较大参考价值。

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。

侧风对冷却塔通风性能影响的现场试验

对某电厂一座135 MW机组的自然通风湿式冷却塔进行现场测试。通过对进风口周围流场的测试,分析侧风对冷却塔周向进风的影响。提出以进风偏斜角α来衡量进风偏斜度,以进风均匀系数ψ来量化进风恶化程度。通过计算分析侧风对冷却塔通风量、通风阻力系数和冷却数的影响,完成对冷却塔通风性能及其与热力性能关系的全面评价。最后将其与数值模拟结果进行对比分析。结果表明:自然风主要恶化了塔侧向的进风,大风下侧后方出现穿堂风;背风侧进风远小于迎风侧,但进风偏斜度较低;侧风风速增大使得各处除迎风侧外进风偏斜度增加,周向进风均匀度降低,相对于抽力对气流的径向加速作用,侧风的横向干扰作用逐渐贴近进风口,通风阻力系数增大,通风量降低,通风性能恶化,热力性能降低;由于穿堂风参与了雨区的传热传质,使得计算通风量增加,塔的热力性能有一定改善。

十字隔墙湿式冷却塔冷却特性的数值研究

为阐明十字隔墙对自然通风逆流湿式冷却塔冷却特性的影响,基于CFD软件FLUENT,建立了十字隔墙湿式冷却塔的三维数值计算模型,对塔内外空气动力场及塔内气-水两相间的传热传质进行了三维数值模拟。在2种典型风向下,分析了十字隔墙对冷却塔雨区空气动力场、水池水面水温场、通风量、塔内各区平均传热传质系数、各区冷却水温降及冷却水总温降的影响。研究表明:低风速时,十字隔墙可增大冷却塔总体冷却性能;高风速时,风向与迎风侧第1块隔墙平行时,冷却塔总体冷却性得到提高,风向与迎风侧第1块隔墙夹角为45°时,冷却塔总体冷却性能下降,间隙十字隔墙可有效减小无缝十字隔墙因高速侧风风向变化而产生的不利影响。

侧风风场特征对高速列车交会的影响研究

为了准确预测侧风环境下列车交会时的气动性能,考虑均匀风和大气底层速度边界型侧风,通过计算流体力学方法对比研究高速列车交会压力波特性和气动力特性.结果表明,两种风场下交会压力波有所不同,但幅值差异不明显;采用均匀风场评估列车侧风环境下交会会高估列车所受气动力.本文对高速列车行驶安全性评估和复杂运行场景的复杂流场的认识具有参考价值.

横向紊流风作用下桁架梁上列车气动特性的试验研究

在风洞试验室建立2种大气紊流场,并以某钢桁梁和1列高速列车为例建立1∶29.7的车桥节段模型,进行横向紊流风作用下桁架梁上列车气动特性的试验。采用同步测压法得到静止列车上的气动力分布,研究列车在不同位置、不同风攻角以及不同紊流场下的侧向力系数和气动导纳函数。结果表明:两车交汇时位于迎风侧列车的侧向力系数最大,列车单车位于背风侧时的侧向力系数相对最小,在-3°风攻角时的列车侧向力系数比+3°风攻角时大,紊流场对列车的侧向力系数有一定的影响,高紊流场中的列车侧向力系数相对更大;列车位于迎风侧(单车迎风侧和双车迎风侧)时,其侧向力气动导纳相对较小,而升力气动导纳相对较大;当折减频率小于0.1时,列车侧向力气动导纳在+3°风攻角时最大,升力气动导纳在-3°风攻角时最大;紊流积分尺度越大,列车气动导纳相对越大。在对试验影响因素总结的基础上,提出列车侧向力和升力的气动导纳函数拟合公式。

横向风场作用下磁悬浮车体运动稳定性数值研究

建立了风场作用下具有起伏、侧移、俯仰、侧滚和偏航五自由度运动的磁悬浮车体模型.以粘性不可压Navier-Stokes方程以及K-ε双方程湍流模型理论为基础,利用有限元分析软件ANSYS对磁悬浮车体/轨道系统的空气动力特性进行了数值分析,并研究了风荷载作用下车体的动力学行为.结果表明风速、车速、反馈增益系数对磁悬浮车体运行的稳定性具有很大影响,并进一步给出了具体影响规律.

强侧风对受电弓的气动作用规律

建立了弓-车-网组合模型,基于压力修正法的N-S方程,采用分离式求解SIMPLE算法,对强侧风条件下的受电弓气动特性进行了数值模拟.分析了受电弓的气动荷载在不同侧风速度,不同风向角下的变化规律及强侧风对受电弓绕流流场的影响.结果表明:随侧风速度及角度的增大,受电弓的气动力及力矩呈非线性变化;受电弓流场区域内产生大量漩涡及低速尾流区,接触网及车体对受电弓流场有明显影响.研究结果可为提高受电弓在侧风作用下的稳定性和安全性提供一定的理论依据.

侧风对湿式冷却塔空气动力场影响的数值分析

基于CFD软件Fluent,对侧风影响下的自然通风逆流湿式冷却塔进行了三维数值模拟,对风速廓线指数和雨滴当量直径进行了敏感性分析,研究了侧风风速对冷却塔内外空气动力场和塔内传热传质区冷却性能的影响。结果表明,侧风造成进风口进风相对偏离度增大,并形成横向通风量;横向通风量虽强化了雨区冷却性能,但使塔纵向通风量降低;纵向通风量的降低对填料区传热传质强度形成不利影响,降低了填料区冷却水温降,使出塔水温升高。进风相对偏离度的分析表明,通过改善进风口空气动力场,可以降低环境侧风对进风口径向风速周向分布的影响,提高侧风影响下的冷却塔总体冷却性能。

不同侧风下航空器近场尾涡的大涡模拟

为了保障航空运输安全和高效,采用大涡模拟仿真方法开展不同侧风下航空器近场尾涡的研究。阐述了大涡模拟的工作原理,构建了A320机翼模型及具有高网格质量的计算域进行仿真,模拟得到了无风条件下的尾涡。进一步研究侧风对尾涡的影响,通过模拟仿真得到了正侧风为3、5、7、10 m/s下的近场尾涡,通过数值拟合及量化分析得到了尾涡演化规律和发展趋势,并分析了侧风对尾涡涡量以及尾涡在侧向、垂直方向上移动距离和扩散速度的影响,为精确认识和规避尾涡提供了一定的参考。

横风下高速列车突入隧道瞬变压力及列车风

针对高速列车在横风下突入隧道的普遍情形,考虑空气的非定常、可压缩湍流特性,建立列车-隧道-横风三维数值模型,对比研究有无横风条件下列车突入过程中隧道内的瞬变压力变化规律和列车风特性。通过将数值计算结果与现场实测数据进行对比,验证了数值方法的准确性。研究结果表明:与无横风情况相比,列车在横风中高速驶入时隧道入口周围的瞬变压力和列车风发生明显变化;在尾车完全驶入前,横风对背风侧气动压力的影响程度比迎风侧的大,其中头车突入时对隧道入口气动压力的影响最为显著;横风对隧道内气动压力和列车风的影响范围有限,当横风速度为24.4 m/s时,隧道内受影响距离为50 m;头车突入隧道时,横风对列车背风侧列车风的影响较大,而尾车完全驶入时,横风对列车迎风侧的列车风的影响比较严重。横风效应是列车背风侧气动压力和气流速度大幅波动的根本原因。

改善间冷塔换热性能方案分析

环境风速变化使间冷塔内外空气流场发生改变,导致其换热性能发生变化,因此如何优化间冷塔内外空气流场具有重要意义。以某660 MW机组SCAL型间冷塔为研究对象,建立了三维模型并利用CFD换热器中简单效能法结合多孔介质模型,在不同环境风速下,对间冷塔空气流场分布及换热性能进行了数值模拟。根据间冷塔流场分布提出了3种改善方案,并定义了反映改善程度的改善系数。结果表明:间冷塔内外同时布置挡风墙(D方案)对其换热性能改善最大,间冷塔内部布置挡风墙(C方案)对其换热性能改善最小;D、C两方案分别在18 m/s和8 m/s时对间冷塔换热性能改善最大,改善系数约为17.34%和4.29%;D方案和B方案相比C方案换热性能均有一定改善,在18 m/s时均取得最大值,分别约为14.69%和15.39%。因此,对于风向较固定的地区,D方案可以有效改善间冷塔的换热性能。

水平挡板改善直接空冷凝汽器流场特性的数值模拟

以某1000 MW直接空冷机组凝汽器的一组空冷单元为研究对象,建立了物理模型和数学模型,通过计算流体力学模拟分析,研究横向风对空冷机组凝汽器的影响规律和水平挡板改善风机入口侧流场的机理.结果表明:加装水平挡板可以使空冷凝汽器横向风迎风侧第一单元风机入口的负压区前移,有效削弱横向风的不利影响,增加空冷单元进风的质量流量;对于所研究的直接空冷机组凝汽器,水平挡板的最佳长度为15 m.

航空发动机露天试车台侧风模拟研究

基于流体力学理论,通过运用ANSYS Workbench对侧风装置试验过程进行仿真,深入研究了不同工况下侧风装置出口压力、流量和速度分布。结果表明:全部风机同时工作时每台风机供给流量的能力均衡,中央1台风机单独工作时供给效率最高。全部风机同时工作时气流稳定区在中心区和壁面之间,中央1台风机的工作速度和压力偏离中心。中间7台风机同时工作时气流相对稳定,但未工作风机会引起流量损失。本研究从理论上为侧风装置的使用及完善提供了指导和依据。

开槽箱梁设置风障行车风环境模拟、试验与实测

为合理评估桥面风环境以保障行车安全,首先采用CFD方法对设置风障时开槽箱梁桥面行车风环境进行模拟,然后对西堠门大桥主梁节段模型表面局部进行风环境测试,并开展了桥面局部风环境现场实测验证,进一步对桥面风障进行优化比选,分析设置风障条件开槽箱梁桥面风环境特点,采用CFD方法对设置不同风障型式的桥面局部风场进行模拟,分析不同车道位置处风速沿高度的变化规律,量化侧风折减系数随风障类型、高度和透风率的变化规律。结果表明:所采用的CFD数值模拟方法能够准确地模拟桥面风场特性并可再现桥面的局部风速演变趋势,分析误差在3%~9%之间,满足工程应用精度需求;设置风障对桥面风速分布的阻风改善效应显著,各车道风速折减率在30%~50%之间,风障的阻风有效区域与其横杆高宽比、高度、位置及透风率密切相关,其中风障透风率是决定风速折减效果的主要影响因素;除此之外,相较于整体式箱梁,由于开槽部位对来流具有的一定的分流作用,导致开槽断面下游主梁表面风速低于上游。

橫风作用下导流罩高度对受电弓气动特性影响

建立接触网-受电弓-导流罩-列车整体模型,基于分离涡模拟方法,研究了橫风作用时不同导流罩高度下受电弓非定常气动特性,分析了涡量、流线、气动荷载等的变化规律。结果表明:导流罩高度为100 mm时分离涡向橫风背风侧偏转显著,导流罩高度增加为400 mm时对受电弓下部杆件、车体连接处等作用增强;导流罩高度为200 mm时横风作用产生的绕流场偏转的效应明显得到改善,流场分布在纵向呈较好的对称性,其阻力系数的增幅远小于受电弓所受横向力的降幅,同时大幅降低了倾覆力矩和侧偏力矩,故在恶劣的风环境下采用200 mm高度的导流罩是可取的。研究结果对横风作用下导流罩高度对受电弓气动特性的影响研究具有重要意义。

CRH3动车组模型侧风下明线运行的空气动力特性分析

为探究在强风作用下高速列车的空气动力性能,建立3车编组CRH3动车组在侧风下明线运行的三维计算模型,在FLUENT软件中对其空气流场进行数值模拟。当列车运行速度为60 m/s时,风向角分别选取0°、±3°、±6°、±9°、±12°、±15°、±18°、±21°、±24°,计算列车表面压力分布和流场域空气流速变化情况。结果表明:车体表面正压最大值和负压最大值与风向角呈现正相关性,压力最大值位于车头正对迎风侧部位,车体表面近壁区域空气流速也与风向角具有正相关性。