大风下高速列车单车过隧道空气动力效应数值模拟初探

摘要

车辆驶出隧道过程中受到很强的列车风作用,气动力非常复杂。而如果列车在驶出隧道的过程中,同时遭遇到外界大风的话,所受到的风载荷将更加复杂,在此作用下,车辆的动力学恶化,车辆的运行安全性将受到严重的影响。我国地貌广阔,风力资源十分丰富。西北地区常年大风,兰新线既有线上常因大风导致列车晚点,严重时,导致列车翻车。即将投入运营的兰新第二双线要途径甘肃、青海和新疆三省,穿越五大风区,全线长1776 km,其中有579.599 km位于大风区,占全线长的32.8％。新疆境内通过大风区线路长度为462.409 km,占新疆境内线路总长的64.8%。此外,兰新第二双线有11座隧道位于四大风区。可见研究列车在大风下驶出隧道的过程是很有必要的。　　本文模拟中,列车模型选用带转向架、受电弓导流罩及风挡的较真实的CRH2型列车模型,隧道洞门选用帽檐切削式洞门。由于选用的列车模型和隧道模型几何形状比较复杂,因此利用ICEM-CFD软件在列车周围和计算区域生成非结构化的Tetra网格。另外本文采用滑移网格技术模拟列车驶出隧道的过程,滑移网格技术对滑移面两侧的网格要求较高,因此利用ICEM-CFD软件在滑移面两侧生成结构化的Hexa网格,再与Tetra网格融合。本文模拟中选用STAR-CD软件进行模拟计算,模拟中,为了避免直接启动引起的非物理现象,采用光滑启动技术。湍流模型选用高雷诺数SST模型,在合理的边界条件和初始条件的基础上,采用PISO算法求解雷诺时均方程,用中心差分法离散扩散项,用MARS差分格式离散对流项,用CG方法求解离散后的代数方程组。在此基础上模拟了列车驶出隧道的全过程。　　本文研究了列车以200 km h的速度在30 m s的风速下驶出隧道过程中车体表面压力及所受到的侧向力、升力和倾覆力矩的变化过程,并研究了这一工况下隧道外流场的变化。进而对比了30 m s和60 m s两种风速下,列车以200 km h、220 km h、250 km h的速度驶出隧道,侧向力、升力和倾覆力矩的不同,得出了列车速度对流场的影响和风速对流场的影响。本文所采用的网格融合技术可望为后续对较真实列车模型的研究提供有益的帮助,本文模拟中所得到的结论可望为后续的研究提供有益的参考。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 大风下列车空气动力学问题

1.3 国内外研究现状

1.4 本文研究内容和研究方法

2 控制方程和CFD方法

2.1 高速列车驶出隧道的流动特征

2.2 雷诺时均方法

2.3 数值模拟方法

3 网格设计

3.1 列车模型和隧道模型

3.2 计算区域的确定

3.3 网格设计

3.4 网格划分工具和主要几何特征的捕捉方法

3.5 不同类型网格之间的融合技术

3.6 网格展示

4 大风条件下高速列车出隧道的空气动力特性

4.1 初始条件和边界条件

4.2 计算区域中测点的设置

4.3 空气动力指标定义

4.4 列车出隧道过程分析

4.5 列车出隧道气动力与力矩的变化特性

4.6 列车速度的影响

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和参与的科研课题