高速铁路新型风屏障及其横风气动性能数值模拟研究

摘要

高速铁路迅速发展，列车在横风下的运行安全受到威胁，强风作用限制了列车运行速度的提高。本文依托国家自然科学基金项目(51178471、51322808)，基于对横风下列车和风屏障-桥梁气动力的综合考虑，提出了几种新型风屏障形式，并在采用CFD数值模拟方法讨论列车气动性能的同时，考虑风屏障的不同参数对列车挡风效果以及桥梁-风屏障风荷载的影响。本文具体研究如下:
　　(1)提出了新形式的百叶窗型风屏障、合页型风屏障以及百叶窗-合页组合型风屏障。建立不同高度、透风率/挡风板旋转角度风屏障模型，在横风下考虑桥上有车和无车两种情况进行数值计算，得到每种风屏障各自随高度、挡风板转角下的挡风效果和自身风荷载。
　　(2)桥梁气动力系数随风屏障高度和透风率改变，变化相对不大。随着风屏障高度的增加，列车三分力系数均呈减小趋势;透风率增大时，列车三分力增加。
　　(3)百叶窗型屏障挡风板旋转时，改变了反射来流的角度和流体作用在屏障上的力的方向，挡风板与竖向保持较小旋转角度，可保证列车气动性能，无车时亦可改善风屏障和桥梁的气动性能。
　　(4)对比合页型与格栅型风屏障，相同透风率的合页型屏障表现出对列车的挡风效果略优，而在风屏障自身所受气动力方面以及屏障-桥梁整体气动力方面比格栅型屏障更好。
　　(5)相对于百叶窗型风屏障，组合型风屏障在屏障后形成两股相反的气流，可抵消部分竖向速度，减小气流对车桥的冲击。桥梁上无车时，就桥梁和屏障整体而言，小转角的百叶窗屏障和大转角的组合屏障均有其优势;在桥上有车时也存在类似规律。
　　(6)列车风对风屏障的作用表现为头波和尾波形成的瞬态冲击，列车风与横风联合作用下，风屏障的气动力主要是二者的叠加。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 国内外研究状况存在的问题

1．2．1 国内研究状况

1．2．2 国外研究状况

1．2．3 以往研究存在的问题

1．3 研究方法

1．4 本文研究内容

2 高速铁路空气动力学基础及数值模拟方法

2．1 计算流体动力学基本理论

2．1．1 流体可压缩性和不可压流动假定

2．1．2 基本控制方程

2．1．3 湍流模拟

2．1．4 壁面函数处理

2．1．5 流场数值计算方法

2．2 基本假定和简化

2．3 几何模型和网格划分

2．3．1 二维几何模型

2．3．2 三维几何模型

2．3．3 风屏障形式

2．3．4 网格划分

2．3．5 边界条件

2．3．6 求解方案选取

2．3．7 计算工况选取

2．4 本章小结

3 几种新型风屏障的探索研究

3．1 概述

3．2 不设风屏障和设栅栏型风屏障的气动性能

3．2．1 不设风屏障时的车桥气动性能

3．2．2 设置栅栏式风屏障的车桥气动性能

3．3 百叶窗型风屏障研究

3．3．1 百叶窗型风屏障基本原理

3．3．2 百叶窗型风屏障下车桥气动性能研究

3．3．3 挡风板高度的影响

3．4 合页型风屏障研究

3．4．1 合页型风屏障基本原理

3．4．2 不同屏障高度及叶片转角对气动力的影响

3．5 组合型风屏障研究

3．5．1 组合型风屏障基本原理

3．5．2 不同屏障高度及叶片转角对气动力的影响

3．6 本章小结

4 风屏障和桥梁横风气动力研究

4．1 各形式风屏障气动力分析

4．1．1 格栅风屏障下桥梁和风屏障气动性能

4．1．2 百叶窗风屏障下桥梁和风屏障气动性能

4．1．3 合页风屏障下桥梁和风屏障气动性能

4．1．4 组合风屏障下桥梁和风屏障气动性能

4．2 各形式风屏障下桥梁-屏障整体气动力分析

4．3 本章小结

5 列车运行状态下风屏障的挡风效果及风荷载研究

5．1 概述

5．2 风屏障对列车气动性能的影响

5．2．1 列车在静风中气动性能

5．2．2 不设风屏障时列车横风气动性能

5．2．3 设风屏障后列车风气动性能

5．3 风屏障风荷载研究

5．3．1 列车风引起的风屏障荷载

5．3．2 横风引起的风屏障荷载

5．3．3 列车风与横风联合作用下的风屏障荷载

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 本文主要工作和结论

6．2 展望

参考文献

攻读学位期间主要研究成果

致谢