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。

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。

高速列车尾车垂向偏置对列车气动性能影响

在长期的高速列车运营过程中,极易形成前后车辆的不同形式偏置,造成列车气动性能改变,甚至可能引发行车平稳性问题,极大影响乘坐舒适性和安全性。以高速列车尾车作为研究对象,探究尾车上下偏置时,高速列车尾部流场变化以及气动特性。基于SST k-ω双方程湍流模型,采用数值仿真方法研究了350 km/h高速列车尾车无偏置、尾车下降20 mm、尾车下降40 mm、尾车下降60 mm、尾车上升20 mm、尾车上升40 mm以及尾车上升60 mm 7种工况下列车的气动性能,分析高速列车气动阻力的变化规律,揭示了不同垂向位移下高速列车尾部流场特性以及列车表面压力分布情况。研究结果表明:高速列车尾部垂向位移对列车整体气动阻力影响较小,但对高速列车气动阻力分布以及流场特性造成一定影响。当尾车偏置位移达到60 mm时,列车车体气动阻力相对于无偏置工况分别降低了-1.11%和2.64%,转向架气动阻力相对无偏置情况下分别降低了11.35%和-17.43%。此外,尾车偏置对列车近尾流区域流场结构有一定影响,尾车鼻锥下方排障器周围漩涡结构由双漩涡结构向单漩涡结构转变;鼻尖处漩涡结构随着尾车高度下降而增大,随着尾车高度上升而逐渐变小。本研究结果丰富了列车尾部偏置情况下的相关研究,对列车检修以及CR450高速列车设计等具有重要指导意义。

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。

汽车-动力两轮车碰撞前驾驶员风险感知研究

人机共驾阶段人类驾驶员对驾驶环境保持较高的风险感知水平是保证及时有效、稳定安全接管的核心。本研究通过开展风险感知模拟驾驶试验,获取了驾驶员在典型汽车-动力两轮车碰撞场景下的驾驶行为及脑电响应数据。从驾驶行为层面以制动TTC(time to collision)和平均加速度为评价指标,利用分位数回归构建了驾驶员风险感知量化模型,通过独立样本检验发现驾驶经验、碰撞场景类型对驾驶员风险感知存在显著影响。在脑电响应层面,通过双独立样本检验及FDR校正发现Alpha频段与驾驶员风险感知显著相关。此外,提出了驾驶员风险感知神经机理,包括视觉感知与认知加工两个阶段。研究结果有助于提升人机共驾汽车的安全性。

高寒动车组槽型引流式结构的防积雪性能研究

为了解决高寒动车组车载防转向架区域积雪难题,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)研究槽型引流结构对高寒高速列车转向架区域风雪运动特性的影响。研究结果表明:高寒动车组安装槽型引流结构可促使车底剪切层提前分离,从而大幅度降低转向架区域内的风雪流向运动速度,并抑制转向架区域内风雪垂向速度的波动幅值,进而有效缓解转向架区域的积雪情况。相比于5.14°导流槽结构,10°导流槽结构明显改变了转向架入口位置的风雪流运动方向,进而有效降低了转向架下方风雪流的垂向分布范围,削弱了车底高速气流和高浓度雪粒对转向架发热部件迎风面的冲击作用;10°导流槽结构还显著抑制了风雪流在转向架中间区域和后端板位置的向上爬升运动,降低了转向架上方悬浮雪粒数量,进而减小了转向架上表面积雪分布;相比于原始高寒动车组,5.14°和10°槽型引流防积雪结构可使所有转向架积雪总质量分别降低19.6%和28.3%。

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%。

下斜导流防积雪结构对高寒高速列车转向架区域积雪的影响

为解决高寒高速列车转向架防积雪难题,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)研究下斜导流防积雪结构对三车编组高速列车转向架区域内风雪运动特性的影响。研究结果表明:安装下斜导流防积雪结构有效降低了列车底部高速气流的流向动能,抑制了转向架下方气流的垂向速度波动幅值,降低了转向架上游剪切层的发生位置。相比于5.14°下斜导流结构,10°下斜导流结构显著改善了转向架区域内的空气流动趋势,明显削弱了车底大量雪粒对转向架主要部件迎风面的冲击作用,抑制了雪粒在转向架中部和后端板附近的上扬爬升运动,将高速列车转向架2、3、4、5、6表面积雪质量分别降低了52.6%、45.3%、41.8%、37.6%、31.8%。相比于原始工况,5.14°、10°下斜导流防积雪结构将高速列车所有转向架积雪总质量分别降低了20.6%、41.5%。

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。

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。

高速列车转向架底部包覆板气动减阻效果研究

转向架的复杂机械结构及非流线化外形对高速列车气动性能产生不利影响,优化列车转向架底部流场结构,降低转向架的气动阻力占比,是进一步降低高速列车气动阻力的重要手段。为此,参考现有高速列车转向架结构设计2种转向架底部包覆板,并建立3种转向架包覆方案:方案一为带倾角包覆板+全包围裙板;方案二为平直包覆板+全包围裙板;方案三作为对照组未安装底部包覆板。基于k−ω方程湍流模型,探究不同包覆方案下高速列车气动阻力变化规律,对比分析3种方案对转向架及整车气动阻力、转向架舱内压力分布以及列车底部流动特性的影响,并通过全尺寸转向架风洞试验验证数值仿真的可靠性。研究结果表明:转向架包覆板有效减弱了气流对转向架零部件以及转向架舱后端板的冲击,使得转向架舱内压力分布更均匀,进而降低了转向架气动阻力;方案一和方案二分别使头车阻力系数降低17.3%和22.2%,整车阻力系数降低11.6%和12.9%;与方案二相比,方案一中包覆板两端的倾角能够引导气流进入转向架舱内部,加速舱内的流动循环,有利于牵引电机、轴盘等转向架零部件与外部空气的换热。研究结果可为进一步优化转向架包覆板设计方案、降低列车气动阻力提供参考。

非对称升力翼对高速列车横风气动性能的影响

随着高速列车运行速度的不断提升,横风环境下列车运行安全问题日益凸显。为此,从控制气动升力角度提出一种非对称升力翼结构以期形成抗倾覆力矩,并采用数值模拟方法,对比分析原始车型、全展开升力翼车型和收缩迎风侧升力翼车型的气动载荷及列车周围流场结构,探究横风环境下该结构对列车横风气动性能的影响。研究结果表明:升力翼对高速列车气动载荷及周围流场影响显著;列车安装升力翼后主要改变了车顶和车体背风侧表面压力分布以及车顶、车体背风侧和尾流区域的速度分布;车体顶部由于受到非对称升力翼压力面影响,在升力翼下方车顶区域形成了低速高压区且向车体背风侧延伸;同时,车体背风侧表面压力升高,在升力翼下游车体背风侧空间区域,由流动分离导致的漩涡结构发生了明显改变;相比于原始车型,收缩迎风侧升力翼车型(模型Ⅱ和模型Ⅲ)均可减小列车横向力和倾覆力矩;模型Ⅲ效果最显著,3车编组列车横向力和倾覆力矩分别减少13.19%和11.86%。