高速列车驶入隧道时受电弓流固耦合特性数值模拟研究

摘要

随着高速列车运营速度的不断提高，弓网受到强气流的冲击的影响非常明显，弓网接触压力明显受到气动载荷的影响。同时在强气流作用下，受电弓将产生流致振动现象，使得受电弓上臂杆、下臂杆、底架、弓头等部件的产生明显的柔性变形。尤其当列车驶入隧道时，因为隧道壁面的限制，与运行于开阔的明线空间相比，受电弓受到的气动载荷的急剧增加和变化，使得弓网无法稳定受流，并可能导致受电弓部件的疲劳破坏。因此研究高速列车进入隧道及高速明线行驶时，受电弓的气动特性及流固耦合特性很有必要。
　　本文应用计算流体力学软件STAR-CCM+，使用其计算流体力学模块、固体力学学模块、流固耦合(FSI)模块，基于高速列车其及CX-PG型高速受电弓的真实模型，采用合理的计算流场有限体积网格划分策略、受电弓固体力学学模型的有限元四面体网格划分策略，分别对高速列车驶入隧道和明线运行两种工况下受电弓所受气动力及其应力及变形等进行了实时的耦合求解的数值模拟研究。得出两种条件下流场区域分布特性及高速列车及受电弓的气动特性、受电弓应力及变形等流固耦合特性。其中对高速列车驶入隧道的模拟，使用了重叠网格方法。并通过与京沪线CRH2-150C高速列车通过凤凰台隧道时的实车试验数据进行对比，验证高速列车驶入隧道过程中列车计算流场的合理性及正确性。
　　通过对高速列车以350km/h驶入隧道过程的三维可压缩非定常湍流流动数值模拟研究，分析了高速列车驶入隧道过程中，高速列车整车及受电弓的气动特性、高速受电弓的应力及变形等流固耦合特性随时间变化规律。其中主要分析高速列车进入隧道过程中的高速列车周围及列车表面的压力分布、隧道内典型测点的压力波特性、高速列车车身典型测点压力波特性、受电弓典型测点的压力波特性、高速列车整车所受的的气动阻力及气动升力特性、受电弓所受的气动阻力及气动升力特性等高速列车与受电弓的气动特性，以及受电弓应力随时间变化特性、受电弓位移随时间变化规律等受电弓流固耦合特性。并在最后分析了驶入隧道过程中列车速度的影响特性。
　　通过对高速列车以350km/h明线稳定运行时的三维不可压缩定常湍流流动数值模拟研究，分析了高速列车明线稳定运行时高速列车整车及受电弓的气动特性、高速受电弓的应力及变形等流固耦合特性特点。其中主要分析了高速列车明线稳定运行时高速列车周围明线开阔流场及列车表面的压力分布、高速列车整车受到的气动阻力及气动升力等气动特性、受电弓受到的气动阻力及气动升力等高速列车及受电弓的气动特性，以及受电弓应力分布、变形分布等流固耦合特性。并在最后分析了明线运行时列车速度的影响特性。
　　本文研究并分析了高速列车进入隧道和高速列车明线稳定运行时高速列车整车及受电弓受到的压力波、气动力等气动特性、高速受电弓的应力和变形等流固耦合特性。本文为高速受电弓的设计和运行提供了参考，且对高速列车受电弓的疲劳破坏研究具有一定的借鉴作用。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．1．1 高速铁路的发展背景

1．1．2 高速列车空气动力学问题

1．1．3 高速列车受电弓空气动力学问题

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 本文研究方法和研究内容

2 基本理论和数值方法

2．1 流动基本控制方程

2．1．1 不可压缩流的基本控制方程

2．1．2 可压缩流的基本控制方程

2．2 湍流流场数值求解方法

2．3 湍流模型

2．3．1 湍流流场的数值模拟方法

2．3．2 雷诺平均运动方程

2．3．3 SST κ-ω湍流模型

2．4 重叠网格方法

2．4．1 重叠网格简介

2．4．2 重叠网格的基本流程

2．5 流固耦合动力学

2．5．1 流固耦合分析方法

2．5．2 流固耦合数据传递

2．5．3 STAR-CCM+的流固耦合功能

2．6 湍流流场模拟方法验证

2．7 本章小结

3 列车驶入隧道时气动特性和受电弓流固耦合特性

3．1 物理问题描述

3．2 计算模型与计算区域

3．2．1 隧道计算模型

3．2．2 高速列车计算模型

3．2．3 受电弓有限元计算模型

3．2．4 计算区域

3．3 网格划分

3．3．1 重构面网格

3．3．2 高速列车车外流场计算体网格

3．3．3 受电弓固体有限元计算网格

3．4 边界条件

3．5 高速列车驶入隧道时的压力波特性研究

3．5．1 隧道内压力波特性

3．5．2 列车车身测点压力波特性

3．5．3 受电弓处测点压力波分布特性

3．5．4 高速列车驶入隧道时隧道表面压力分布特性

3．6 高速列车驶入隧道时的气动力特性研究

3．6．1 高速列车驶入隧道时整车气动阻力特性

3．6．2 高速列车驶入隧道时受电弓气动阻力特性

3．6．3 高速列车驶入隧道时受电弓气动升力特性

3．7 高速列车驶入隧道时受电弓流固耦合特性研究

3．7．1 高速列车驶入隧道受电弓变形变化特性

3．7．2 高速列车驶入隧道时受电弓应力变化特性

3．8 高速列车速度的影响特性

3．8．1 列车速度对受电弓气动阻力的影响

3．8．2 列车速度对受电弓应力及变形的影响

3．9 本章小结

4 列车明线稳定运行时气动特性和受电弓流固耦合特性

4．1 列车明线稳定运行计算区域

4．2 网格划分

4．3 边界条件

4．4 高速列车明线稳定运行时表面压力分布特性研究

4．5 高速列车明线稳定运行时整车气动力特性研究

4．6 高速列车明线稳定运行时受电弓气动力特性研究

4．7 高速列车明线稳定运行时受电弓流固耦合特性研究

4．7．1 高速列车明线稳定运行时受电弓变形特性

4．7．2 高速列车明线稳定运行时受电弓应力特性

4．8 列车速度的影响特性

4．8．1 列车速度对受电弓气动阻力的影响特性

4．8．2 列车速度对受电弓应力及变形的影响特性

4．9 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和参与科研课题