隧道内高速列车外部非定常流动特性数值模拟研究

摘要

高速列车在复线隧道运行时，由于列车和隧道形成的空间为非对称空间，引起的流动自然也是非对称的，使得作用在隧道壁面和列车车体表面的非定常气动载荷也自然不同，最终导致列车在隧道中运行时横向振动加剧，危及行车的舒适性、稳定性，因此对于隧道内列车外部流场的研究是非常有必要的。
　　本文基于德国ICE2以及国产CRH380A高速列车模型，应用三种不同的数值模拟方法RANS、URANS以及LES，根据流动特点，采用较为合理的网格划分策略，应用基于有限体积方法的计算流体力学软件 STAR-CD，对隧道内高速列车外部的非定常流场进行数值模拟。考虑到计算资源和时间的限制，本文所研究的隧道内外部非定常流场的外部雷诺数为5110。通过对复线隧道内ICE2高速列车行驶时的外部流场进行数值模拟，初步建立了大涡模拟研究的计算设置与分析方法，为后续CRH380A高速列车的大涡模拟研究提供一定的技术参考。通过分析流场典型断面的压力云图、涡量图、涡量等值线、流场的Q值以及侧向力系数与升力系数，给出了ICE2列车模型在隧道内运行时，列车表面及列车周围压力的分布以及涡旋结构产生的位置与发展规律。然后，根据ICE2计算模型的数值模拟经验，对CRH380A高速列车隧道内行驶过程中的外部流场进行数值研究。通过分析流场典型断面的压力云图、涡量图、涡量等值线、流场的Q值以及侧向力系数与升力系数，给出了CRH380A列车模型在隧道内运行时，列车表面及列车周围压力的分布以及涡旋结构产生的位置与发展规律，最后对三种数值模拟方法的计算结果进行对比分析，得出最优的数值模拟方法。本文分别对ICE2高速列车和CRH380A高速列车在隧道内运行时的外部流场进行数值模拟，从中得出的结果和规律可以作为高速列车非定常研究的基础，同时也可为高速列车的设计和运行提供一定的参考。

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1 绪论

1.1 研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容和研究方法

2 基本理论和数值方法

2.1 流动控制基本方程

2.2 数值求解方法

2.3 时间离散

2.4 空间离散

2.5 代数方程组的迭代求解

2.6 湍流流场的数值模拟方法

2.7 Menter k-ω SST模型

2.8 LES/Smagorinsky模型

2.9 STAR-CD软件介绍

3 网格划分

3.1 列车绕流的基本特征

3.2 物理问题描述

3.3 网格划分技术

3.4 ICE2网格划分

3.5 CRH380A网格划分

4 列车外部绕流的雷诺时均方法模拟

4.1 模型和计算方法

4.2 计算网格和边界条件

4.3 ICE2列车模型外部流场特性

4.4 CRH380A列车模型外部流场特性

5 隧道内列车外部流场的大涡模拟研究

5.1 模型和计算方法

5.2 计算网格

5.3 边界条件

5.4 ICE2列车模型外部流场的大涡模拟研究

5.5 CRH380A列车模型外部流场的大涡模拟研究

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