高速列车隧道内交会气动力瞬变特性研究

摘要

高速列车进入隧道产生的压力波以及隧道空间的有限性对空气流动的约束，使得列车在隧道内交会时空气压力产生很大的变化，造成列车气动力发生剧烈变化。气动阻力过大会增大列车的能耗，气动侧向力过大导致列车运行出现横摆现象、乘客舒适性降低、严重时可能造成高速列车侧翻。升力表现为列车对轨道向下的压力，有利于列车的黏着性。因此研究高速列车隧道内交会气动力瞬变特性非常重要。
　　论文采用基于有限体积法的CFD软件STAR-CCM+模拟高速列车在隧道内交会气动力瞬变特性，运用重叠网格方法模拟两列高速列车的相对运动。研究方法采用基于雷诺时均的SST k-ω模型模拟湍流流动，流动特性为三维、非定常、可压缩流动，壁面处理方法采用全y+壁面处理，代数方程组的求解采用多重网格法(AMG)，空间离散采用Trim网格与Prism网格混合的非结构化网格。离散方程时对流项采用二阶迎风格式，扩散项采用中心差分格式。使用上述计算方法得出列车交会过程中气动力的时间历程曲线及典型时刻的气动力分布特性。采用不同工况进行对比分析，分析了有无受电弓对整车气动力瞬变特性的影响，以及车速对列车气动力瞬变特性的影响。
　　研究结果表明:
　　(1)高速列车隧道内交会时，从头头交会到尾尾交会时，气动阻力呈现先减小后增大再减小的趋势。其中带受电弓高速列车隧道内交会时，受电弓所受气动阻力、侧向力和升力占整车平均气动力小于3％，这表明受电弓瞬变气动力对高速列车隧道内交会气动力的影响很小，因此在研究高速列车隧道内交会时整车的气动力时，可忽略受电弓的影响。
　　(2)气动阻力一般由压差阻力和摩擦阻力构成，典型时刻高速列车瞬变压差阻力占气动阻力的比例很大，摩擦阻力占比很小。时速400km/h的平均压差阻力占空气平均阻力的68.86％，平均摩擦阻力占31.14％;时速450km/h的平均压差阻力占平均气动阻力的70.48％，平均摩擦阻力占29.52％，随着速度的提高，压差阻力占比增大，摩擦阻力占比变小。
　　(3)高速列车隧道内交会过程中，气动侧向力总共经历了三个峰值，交会过程中列车呈现外倾-内倾-外倾的变化趋势，随着车速的提高气动侧向力绝对值也跟着增大。气动升力始终表现为向下的压力，有利于增加轮轨黏着。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究的背景与意义

1．1．1 背景

1．1．2 意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 研究方法和内容

2 数值模拟方法及验证

2．1 流体力学基本控制方程

2．1．1 质量方程

2．1．2 动量方程

2．1．3 能量方程

2．1．4 控制方程的通用形式

2．2 湍流模型及数值模拟

2．2．2 湍流模型

2．2．3 壁面处理方法

2．2．4 边界条件

2．3．1 数值求解方法

2．3．2 流场求解的计算方法

2．4 重叠网格技术

2．5 数值算法验证

2．5．1 风洞试验数值仿真验证

2．5．2 隧道压力波现车试验验证

2．6 本章小结

3 计算模型及网格划分

3．1 计算模型网格划分

3．1．1 流场计算区域

3．1．2 隧道计算模型

3．1．3 高速列车计算模型

3．2 网格划分

3．2．1 网格重构

3．2．2 高速列车车外流场计算体网格

3．3 本章小结

4 高速列车隧道内交会气动力瞬变特性研究

4．1 坐标系建立及公式定义

4．2 高速列车计算模型

4．3 隧道内交会典型时刻压力分布特性

4．3．1 典型时刻列车压力分布特性

4．3．2 典型时刻受电弓压力分布特性

4．3．3 典型时刻风挡压力分布特性

4．3．4 典型时刻转向架压力分布特性

4．4 隧道内交会典型时刻气动力特性

4．4．1 典型时刻各部件气动阻力特性

4．4．2 典型时刻各部件气动侧向力特性

4．4．3 典型时刻各部件气动升力特性

4．5 隧道内交会全过程气动力瞬变特性

4．5．1 整车气动力特性

4．5．2 受电弓气动力特性

4．5．3 转向架系统气动力特性

4．5．4 风挡气动力特性

4．6 有弓、无弓列车模型隧道内交会受电弓气动力对比分析

4．6．1 有弓、无弓列车模型受电弓气动阻力对比分析

4．6．2 有弓、无弓列车模型受电弓侧向力对比分析

4．6．3 有弓、无弓列车模型受电弓升力对比分析

4．7 本章小结

5 高速列车速度对隧道交会气动力瞬变特性的影响研究

5．1 速度对车体表面压力特性的影响

5．2 速度对气动阻力瞬变特性的影响

5．2．1 整车气动阻力的变化规律

5．2．2 速度对气动阻力特性的影响

5．3 速度对气动侧向力瞬变特性的影响

5．4 速度对气动升力瞬变特性的影响

5．5 速度对不同车辆的气动力特性影响

5．5．1 速度对头车气动力特性的影响

5．5．2 速度对尾车气动力特性的影响

5．5．3 速度对中间车气动力特性的影响

5．6 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果