高速列车边界层及尾流流动的数值研究

摘要

高速列车运行时，复杂的空气动力学效应非常突出。其中，气动阻力和湍流尾流是影响高速列车能耗水平以及环境友好性的重要问题;气动阻力中的表面摩擦阻力与车体周围的湍流边界层流动紧密相关，而大尺度涡旋结构对高速列车尾流区域的气动现象具有主导影响。丰富和深化高速列车空气动力学中有关湍流边界层以及尾流方面的理论认识，能够在减小列车的气动阻力和噪声、降低运营能耗，以及加强安全防范工程等方面，为提出适用的技术和措施提供思路和理论参考，从而有益于高速铁路保持良好发展的趋势。基于此，目前的研究工作在学术和工程应用上具有较重要的意义。
　　针对基于CRH380A型高速列车气动几何外形建立的具有不同长度的缩尺简化模型，利用改进型延迟分离涡模拟方法对处于无风环境且明线运行的单列列车的绕流流场进行数值计算;根据计算结果，主要就车体表面（顶面和侧表面）边界层流动以及尾车后方的湍流尾流展开了具体研究。
　　结合平板边界层理论，对列车车体顶面和侧表面上的边界层壁面法向速度、边界层厚度以及表面摩擦阻力的分布特点进行了详细的对比分析。根据计算结果发现，车体顶面上的边界层流动保持了与平板流动相似的湍流边界层特征;而车体侧表面边界层流动在受到所谓“地面效应”的影响时，表现出对离地距离的敏感性。通过量纲分析以及相关计算结果，推导出能够反映侧表面边界层实际流动情况的三维平均运动方程，从而发现地面效应的调制作用主要依赖于沿垂向（车体高度）方向的平均对流以及湍流脉动动量输运过程;并且，侧表面上相对较低的摩擦阻力系数与之紧密相关。最后，基于气动阻力的变化规律，认为具有大定员的长编组列车，在提高运力的同时，有助于降低人均能耗水平;对凹坑表面结构减阻技术开展了初步的研究，从计算结果来看，利用该非光滑表面结构能够有效降低表面摩擦阻力，因此，相关减阻技术值得深入探讨。
　　在近尾流区域，列车风速度的数值曲线与试验曲线之间在沿流向的发展趋势方面存在相似和差异，并且列车风问题与涡旋脱落现象是相关联的，相关讨论表明高速列车的湍流尾流以及气动特性与尾流涡旋结构之间具有紧密的联系。针对近尾流区中湍动能的分布特点，以及剪切对雷诺应力和湍流产生分布的影响，进行了讨论与分析，从而论述了剪切应变在高速列车湍流尾流中所发挥的重要作用。在此基础上，结合Omega方法的涡旋定义及其物理意义认为，在尾部附近的局部流动中，边界层在尾部的流动分离是形成强剪切的重要机制;但是，在远离尾端的下游位置，涡旋涡量是主导的，此时，涡旋与地面之间的相互作用被认为是维持弱剪切的主要流动机制，对湍流涡旋的自维持发挥重要的作用。最后，根据平均流输运以及湍流产生和输运构成的能量收支平衡关系，对高速列车近尾流区大尺度涡旋结构主导的湍流动力学过程展开讨论和分析，并且提出稳定的尾涡结构中的3个主要能量关系区。

目录

声明

致谢

摘要

重要变量注释表

1 引言

1．1 研究背景

1．2 高速列车空气动力学国内外研究现状

1．3 研究的主要问题及其意义

1．4 研究内容及技术路线

2 重要的物理概念及方程

2．1 基本方程

2．2 边界层

2．3 流动分离

2．4 湍流能量收支平衡方程

2．5 本章小结

3 数值模拟方法

3．1 湍流模型

3．2 高速列车几何模型

3．3 计算域及边界条件

3．4 网格

3．5 数值求解方案

3．6 本章小结

4 高速列车车体表面边界层滚动的研究

4．1 高速列车车体表面边界层的速度分布

4．2 高速列车车体表面上的边界层厚度

4．3 高速列车气动阻力分析

4．4 高速列车车体侧表面三维边界层流动方程

4．5 高速列车车体侧表面边界层流动机制的讨论

4．6 节能减阻技术的讨论

4．7 本章小结

5 高速列车湍流尾流的研究

5．1 高速列车尾流涡旋结构

5．2 高速列车近尾流区的列车风速度分布

5．3 湍动能

5．4 近尾流流动中的剪切

5．5 尾涡结构的湍流动力学讨论

5．6 本章小结

6 结论与展望

6．1 主要研究结论

6．2 论文创新点

6．3 研究展望

参考文献

作者简历及科研成果清单

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