高速铁路挡风屏气动性能的风洞试验及数值模拟研究

摘要

为了保证大风区高速列车的安全正常运营，设置合理的防风结构十分必要。本文以兰新第二双线铁路孔隙式挡风屏结构为工程背景，对孔隙式挡风屏的遮风效应及高速列车进出挡风屏时的压力波特性进行了研究，为其在我国大风区高速铁路的应用提供参考、依据。本文的主要工作和成果如下:
　　(1)设计并完成了挡风屏-列车-路基缩尺模型风洞试验，采用测压立柱获得了挡风屏后线路中心线的风压分布，并对比了不同高度、不同透风率的挡风屏对线路中心线风压的影响规律。
　　(2)建立了挡风屏的三维实体模型，对不同高度、不同透风率的挡风屏外流场进行了数值模拟计算，运用速度云图、压力云图对其外流场的分布规律进行了分析。将数值模拟的结果与风洞试验的结果进行了对比，验证了数值模型的有效性。
　　(3)利用动网格技术模拟了高速列车进出挡风屏的全过程，获得了挡风屏和列车的压力变化规律。通过研究列车和挡风屏典型位置的交会压力波，分析了交会压力波产生的原因。将数值模拟计算的结果与列车静止交会试验的典型压力波进行了对比，验证了动网格模型的可靠性。讨论了列车车速、有无侧风等因素对列车进出挡风屏过程中压力波的影响。最后分析了挡风屏对列车周围流场的影响。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内研究现状

1．2．2 国外研究现状

1．3 铁路防风结构的常见形式

1．4 本文主要内容

2 挡风屏及列车空气动力学研究方法

2．1 在线实车试验

2．2 动模型试验

2．3 理论分析

2．4 风洞模型试验

2．5 CFD数值模拟

2．6 本章小结

3 挡风屏遮风效应的风洞试验研究

3．1 试验仪器和设备

3．1．1 风洞试验室

3．1．2 测压立柱

3．1．3 压力测量仪器

3．2 试验模型及试验工况

3．2．1 挡风屏模型

3．2．2 试验工况

3．3 结果分析

3．3．1 不同高度挡风屏试验工况及结果分析

3．2．2 不同透风率挡风屏试验工况及结果分析

3．4 本章小结

4 挡风屏遮风效应的数值模拟

4．1 挡风屏三维实体模型的建立

4．1．1 挡风屏模型

4．1．2 计算区域大小的确定

4．1．3 边界条件

4．1．4 网格划分

4．2 结果分析

4．2．1 CFD数值模拟和风洞试验结果对比

4．2．2 不同高度挡风屏数值模拟结果分析

4．2．3 不同透风率挡风屏数值模拟结果分析

4．3 本章小结

5 高速列车进出挡风屏的压力波特性分析

5．1 计算模型的建立

5．1．1 列车模型

5．1．2 挡风屏模型

5．1．3 计算区域大小的确定

5．1．4 边界条件

5．1．5 网格划分

5．2 列车移动的实现方法

5．2．1 动网格理论简介

5．2．2 动网格运动区域的定义

5．2．3 动网格更新方法

5．3 结果分析

5．3．1 列车进入挡风屏的压力波基本特性

5．3．2 列车速度对列车进出挡风屏压力波特性的影响

5．3．3 侧风对列车进出挡风屏压力波特性的影响

5．3．4 挡风屏对列车周围流场的影响

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 主要研究结论

6．2 对今后研究工作的展望

参考文献

作者简历