横风作用下CRH2列车—连续梁桥气动性能的数值模拟研究

摘要

列车通过强风地区的铁路桥梁时，列车和桥梁周围流场发生明显改变，导致列车受到很大的侧倾力，列车发生倾覆的概率增大。本文以国家自然科学基金项目“强风环境下高速铁路车-桥系统气动特性和抗倾覆性能风洞试验研究(51178471)”为平台，使用FLUENT三维数值模拟的方法，研究了横风作用下CRH2列车与连续梁桥气动性能的相互影响，为进一步的理沦研究和风洞试验设计提供参考。本文的主要工作和结论如下:
　　(1)本文通过FLUENT二维建模计算讨论了一些建模参数对车桥三分力系数的影响，这些参数包括:计算域、湍流模型、网格划分和离散格式，为建模过程中如何确定合理的计算域、如何选取湍流模型、如何正确划分网格以及如何选取离散格式提供参考;
　　(2)采用了SST湍流模型对不同来流条件下的三跨连续梁桥的气动性能进行了三维数值模拟，分别探讨了来流风速、风攻角、边界层和桥墩对连续梁桥气动性能的影响，验证了雷洛数效应、发现风攻角的变化对桥梁升力系数具有显著的影响、距离边界层越近桥梁的阻力系数越大;
　　(3)研究了单车和双车在连续梁桥上不同位置时，列车和桥梁气动性能的相互作用，研究表明:迎风侧列车的存在对连续梁桥三分力系数产生明显的影响，使得列车附近的桥梁区域所受到的阻力增大、升力减小，双车对连续梁桥气动性能的影响可以看成是单车影响的叠加;迎风侧列车受到的侧倾力矩要大于背风侧列车情况，桥梁高度越小的地方列车越容易发生倾覆，双车受到的倾覆力矩要小于单车的情况。所以，单车位于连续梁桥跨中迎风侧时最容易发生倾覆。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 本文研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 以往研究中的问题和本文的研究内容

1．4 本章小结

2 计算流体动力学的基本原理与方法

2．1 计算流体动力学的工作流程

2．2 流体动力学的控制方程

2．2．1 质量守恒方程

2．2．2 动量守恒方程

2．2．3 能量守恒方程

2．3 湍流的数值模拟方法

2．3．1 直接数值模拟方法(DNS)

2．3．2 大涡模拟方法(LES)

2．3．3 Reynolds平均法(RANS)

2．3．4 湍流模型的近壁面处理方法

2．4 离散化的基本方法

2．4．1 有限差分法

2．4．2 有限元法

2．4．3 有限体积法

2．5 离散格式

2．5．1 一阶迎风格式

2．5．2 指数率格式

2．5．3 二阶迎风格式

2．5．4 QUICK格式

2．5．5 中心差分格式

2．6 本章小结

3 数值模型的技术问题

3．1 概述

3．2 模型的简化与假设

3．3 二维计算域的选取

3．3．1 高度的设置

3．3．2 长度的设置

3．4 湍流模型的选取

3．5 网格划分

3．5．1 边界层网格划分

3．5．2 近壁区网格划分

3．5．3 网格形式的选取

3．6 离散格式的选取

3．7 二维模型与三维模型对比

3．8 本章小结

4 列车-连续梁桥的气动性能

4．1 研究对象

4．2 无列车连续梁桥的气动性能

4．2．1 计算域的选取

4．2．2 风速对连续梁桥气动性能的影响

4．2．3 风攻角对连续梁桥气动性能的影响

4．2．4 边界层和桥墩对连续梁桥气动性能的影响

4．3 单车与连续梁桥气动性能的相互影响

4．3．1 单车对连续梁桥气动性能的影响

4．3．2 连续梁桥对单车气动性能的影响

4．4 双车与连续梁桥气动性能的相互影响

4．4．1 双车对连续梁桥气动性能的影响

4．4．2 连续梁桥对双车气动性能的影响

4．5 本章小结

5 结论和展望

5．1 本文主要工作和结论

5．2 研究展望

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢