高速列车横风挡风装置空气动力学性能的数值分析

摘要

高速列车运行速度呈不断增长的趋势，随着车速提高，侧风对列车的气动性能和运行稳定性产生重大影响。在侧风作用下，列车行车安全事故在世界范围内时有发生，造成巨大的人员伤亡和经济损失。考虑到侧风给铁路运输安全带来的巨大隐患，高速列车在侧风作用下的行车安全问题已经引起广泛关注。为保障高速列车在大风气候条件下能正常安全运行，在高速列车沿线强风地段安装挡风装置是防止侧风危害行之有效的工程措施。
　　本文以时速350公里运行在高路堤上的高速列车为研究对象，基于三维、定常、不可压N-S方程以及k-ε两方程湍流模型，采用有限体积法，通过理论分析与数值模拟相结合的方法，对不同侧风风速作用下高速列车空气动力学性能进行了研究分析。结果表明，侧风作用下列车受到很大的气动力，且在列车周围产生复杂流场。列车背风侧存在数个漩涡，其位置随侧风风速的变化而发生改变。
　　为了改善列车的气动环境，设计了四种混凝土结构挡风装置，对线路安装挡风装置后，高速列车气动性能的变化趋势进行了数值分析，比较了不同类型挡风装置的挡风效果。结果表明，安装挡风装置后列车的气动环境得到很大的改善。其中，L型挡风装置对改变列车气动环境的效果最佳，但其本身的结构稳定性最差;而三种透风式挡风装置效果虽不如前者，但其本身的结构稳定性要优于前者，且其在列车减阻方面贡献更大。
　　针对钢结构挡风装置研究和应用较少的现状，本文设计了单层和双层钢结构多孔板式挡风装置，对其结构形式、受力性能和动力特性进行了探究，并进一步分析了孔径大小对挡风装置受力性能的影响。结果显示:(1)单层多孔板式挡风装置的整体力学性能优于双层多孔板式挡风装置，但单层挡风装置挡风板的受力远大于双层挡风装置挡风板的受力;(2)双层挡风装置前侧挡风板受力大于后侧挡风板;(3)双层挡风装置孔径大小对其整体受力影响不大，但孔径大小对其前后侧挡风板受力分配影响很大，说明仅改变孔径大小对双层挡风装置的整体受力性能改善并不明显，但用来改善前后侧挡风板的受力分配是可行的。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

2 计算流体动力学基础

2．1 计算流体力学概述

2．2 流体动力学控制方程

2．2．1 质量守恒方程(连续性方程)

2．2．2 动量守恒方程(Navier-Stokes方程)

2．2．3 能量守恒方程

2．3 湍流数值模拟方法

2．4 STAR-CCM+软件简介

2．5 本章小结

3 强侧风作用下高速列车气动性能的数值分析

3．1 计算模型

3．1．1 数学物理模型

3．1．2 几何模型

3．2 计算区域、网格划分及边界条件

3．2．1 计算区域

3．2．2 网格划分

3．2．3 边界条件

3．3 计算结果及分析

3．3．1 列车表面压力分布

3．3．2 不同侧风条件下列车周围压力场分布

3．3．3 不同侧风条件下列车周围流场分布

3．3．4 不同侧风条件下列车所受气动力及其系数

3．4 本章小结

4 挡风装置对高速列车气动性能影响的数值分析

4．1 挡风装置结构形式选取说明

4．2 计算模型、计算区域及边界条件

4．2．1 计算模型

4．2．2 计算区域

4．2．3 边界条件

4．3 网格划分

4．4 计算结果及分析

4．4．1 挡风装置对列车周围压力场分布影响

4．4．2 四种挡风装置挡风效果分析

4．4．3 四种挡风装置挡风效果及挡风装置结构稳定性比较

4．5 本章小结

5 多孔板式挡风装置受力性能与动力特性的数值分析

5．1 挡风装置计算模型

5．1．1 几何模型

5．1．2 计算域

5．1．3 网格划分

5．2 挡风装置挡风作用分析

5．3 挡风装置受力性能分析

5．4 单层挡风板动力特性分析

5．4．1 自身重力作用下挡风板的静力分析

5．4．2 风荷载作用下挡风板的瞬态分析

5．5 双层挡风板动力特性分析

5．5．1 自身重力作用下挡风板的静力分析

5．4．2 风荷载作用下挡风板的瞬态分析

5．6 本章小结

6 本文研究成果及展望

6．1 本文研究成果

6．2 未来工作展望

参考文献

作者简历

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