高速列车气动作用对乘坐舒适性的影响研究

摘要

随着我国高速铁路的不断建设，时速200km/h和300km/h以上的列车较大规模的开通运营，列车的空气动力学问题越来越突出。高速运行列车交会时产生的压力波问题，列车交会产生的横向气动力问题，列车通过隧道时的压力波动问题等等，都会影响到列车运行的平稳性，进而影响旅客乘坐的舒适性。另一方面乘客对热舒适性的要求也越来越高。除了希望列车能够平稳运行以外，还希望车内热环境能一直保持舒适。这需要客室内有足够的新鲜空气供给，有合适的温度，合适的空气流动速度，合适的空气压力和湿度，较低的二氧化碳浓度。我国高速铁路的建设速度和高速列车的发展速度非常快，许多影响旅客乘坐舒适性的空气动力学问题还不很清楚。例如，两相向运行的列车发生交会时，通过列车产生的气动力（矩）会作用在对面列车上，而且这一气动力（矩）是正负交替变化的，作为激振源会引起车体不同方向的振动。因此需要研究会车产生的气动力（矩）的大小及其与车速、线间距和列车头型间的关系，以及气动力（矩）变化引起的车体振动过程，和会车对振动舒适性的影响程度。又如，高速空调客车是密封车体，只有新风入口与外界相通，车内热环境完全靠空调系统保证。什么样的空调系统能保证在我国广阔的地域空间条件下都能实现所希望的热舒适性，是需要认真研究的问题。此外会车时产生的气体压力波动或列车进入隧道时产生的气体压力波动，会通过列车空调系统的新风入口传到车内，使车内气体压力产生波动，造成乘客耳膜的不舒适。采用什么样的空调系统可以抑制外界压力波，使车内压力变化在人体感到舒适的范围内，也是需要认真研究的问题。我国发展高速列车的时间还很短，如何评价客室内乘坐舒适性的规范还没有建立。探讨适合我国国情的高速列车空调系统设计和车内热环境评价指标也是必须研究的课题。
　　本文在“十一五”国家科技支撑计划子项目《高速列车车内流场控制技术》的支持下，对以下问题作了初步探讨:
　　1.计算分析了不同车速、不同线路间距、不同列车头型条件下的会车压力波变化。得到了会车压力波幅随车速和线间距的变化规律，及压力波幅沿车体高度的分布情况。将不同头型列车的会车压力波进行对比，分析了不同头型列车的会车气动性能的优劣。计算了CRH2型动车组在常用的5m线间距下以不同速度会车时，空调系统新风入口处的压力变化，以便于进一步分析车内压力波动情况。
　　2.分析了200～400km/h速度会车过程中作用在列车上的气动阻力、侧向力、升力、侧翻力矩、俯仰力矩和偏转力矩的变化过程，得到了会车时车厢所受气动力（矩）极值随车速和线间距的变化规律，以及不同车型对气动作用的影响。并进一步分析了气动力（矩）变化导致的车体振动过程，采用相关指标对会车时的振动舒适性进行了评价。
　　3.计算分析了我国北方冬季和南方夏季环境条件下车内温度、风速、CO2体积浓度和相对湿度等热力学参数的分布情况，并根据流场参数和热舒适性指标对车厢内的热舒适性进行了评价，根据评价结果提出了空调客车室内流场参数的建议。
　　4.根据明线会车及隧道内会车时新风入口的压力波，分析CRH2动车组采用一定压头风机抑制外界压力波动时车内的压力变化，根据压力变化幅度和压力降低率判定了风机对外界压力波的抑制效果。比较了一定外部压力波动条件下，固定频率风机和变频风机对车内压力变化的影响，通过对比车内压力波幅及波幅沿管道的降低过程，分析了两种风机对外界压力波抑制方法的区别，以及抑制效果的优劣。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 明线会车气动特性的研究现状及存在的问题

1．2．1 国内外研究现状

1．2．2 存在的问题

1．3 高速列车空调系统及热舒适性的研究现状及存在的问题

1．3．1 国内外研究现状

1．3．2 存在的问题

1．4 本文研究的主要内容及研究方法

1．4．1 本文研究内容

1．4．2 本文研究方法

第2章 高速列车流场仿真计算方法

2．1 流体流动控制方程

2．1．1 质量守恒方程

2．1．2 动量守恒方程

2．1．3 能量守恒方程

2．1．4 状态方程

2．2 紊流的数值模拟

2．2．1 紊流的数值计算方法

2．2．2 雷诺(Reynolds)时均方程法

2．2．3 Boussinesq假设

2．2．4 紊流模型

2．2．5 微分方程组

2．3 其他方程

2．3．1 动网格守恒方程

2．3．2 组分输运方程

2．4 数值计算方法

2．4．1 有限体积法

2．4．2 控制方程的离散

2．4．3 差分格式

2．4．4 压力修正

第3章 高速列车会车压力波

3．1 建立会车模型

3．1．1 基本假设和简化

3．1．2 几何模型

3．1．3 划分网格

3．1．4 移动网格技术

3．1．5 边界条件

3．2 模型的验证

3．3 会车过程中流场变化情况

3．4 车速对压力波的影响

3．4．1 通过列车车速(v2)对压力波的影响

3．4．2 观测列车车速(v1)对压力波的影响

3．4．3 相对速度比(vR)对压力波的影响

3．5 线间距对压力波的影响

3．6 压力波幅与相对速度比和线间距的关系

3．7 压力波幅沿高度的分布

3．8 车型对压力波的影响

3．8．1 CRH2、CRH3会车压力波结果

3．8．2 不同车型的压力波比较

3．8．3 三种车型的压力波幅随高度变化的不同

3．8．4 两列不同车型列车会车时的压力波

3．9 空调新风入口处的压力波

3．10 本章小结

第4章 会车时的气动力及力矩

4．1 气动力及力矩的基本情况

4．2 气动力及力矩的变化规律

4．2．1 气动阻力变化规律

4．2．2 气动侧向力变化规律

4．2．3 气动升力变化规律

4．2．4 侧翻力矩变化规律

4．2．5 俯仰力矩变化规律

4．2．6 偏转力矩变化规律

4．3 不同车型的气动力及力矩的比较

4．4 气动力及力矩变化引起的车体振动

4．5 会车过程中振动舒适性的评价

4．5．1 振动舒适性的评价方法

4．5．2 会车过程中振动舒适性的评价结果

4．6 本章小结

第5章 高速空调列车内流场的数值模拟

5．1 建立计算模型

5．1．1 基本假设及简化

5．1．2 空调车厢几何模型

5．1．3 划分网格

5．1．4 边界条件的处理

5．2 空调管路系统优化

5．3 夏季运行时车厢内流场分布情况

5．3．1 速度分布

5．3．2 温度分布

5．3．3 二氧化碳浓度分布

5．3．4 相对湿度分布

5．4 冬季运行时车厢内流场分布情况

5．4．1 速度分布

5．4．2 温度分布

5．4．3 二氧化碳浓度分布

5．4．4 相对湿度分布

5．5 本章小结

第6章 车内空气环境标准及热舒适性评价

6．1 车内外空气环境标准

6．1．1 不同标准对比

6．1．2 车内环境参数建议

6．2 气流组织评价指标

6．2．1 流场指标

6．2．2 热舒适性指标

6．3 评价结果

6．3．1 夏季运行时空调车厢内气流组织评价结果

6．3．2 冬季运行时空调车厢内气流组织评价结果

6．4 本章小结

第7章 会车时的车内压力变化

7．1 车内压力变化指标及控制策略

7．2 车内流场的瞬态计算

7．3 明线会车时的车内压力变化

7．4 隧道会车时的车内压力变化

7．5 风机性能对车内压力抑制效果的影响

7．5．1 采用可变频率风机时的车内压力变化

7．5．2 两种风机的效果对比

7．6 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果