强风地区列车空气阻力及其影响研究（可编辑） .doc

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1、 分类号 密级编号午初大?学硕士学位论文论文题目堡凰照匡到圭窒氢阻办.垦其曼晌研庭?.学科、专业?未莲王县垂用.墨摆?.研究生姓名连一撼一缝一导师姓名及专立埘支术职务?一旦?终瑟?熬撬?年 月】.原创性声明 本人声明,所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知,除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名:醉 日期:血年月互日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学

2、位论文的规定,即:学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文, 允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内 容,可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库, 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名:鳞导师 :盔年月旦日摘要强风地区站停车辆往往会因为受到纵向气动力、线路坡度等外界条件的影响而产生溜逸事故;而运行列车经常会因为受到剧烈增大的空气阻力而导致机车牵引能力不足、能耗增加等问题。因此,强风地区站停车辆纵向气动力及运行列车空气阻力的研究刻不容缓。本文采用理论分析、数值计算和风

3、洞试验相结合的方法开展研究。分别对强风地区站停车辆和运行列车在不同工况下的空气阻力进行了数值模拟,并以此为基础对车辆防溜安全所需最少手制动车辆数及列车牵引计算进行了研究。得出以下重要结论:站停车辆纵向气动力与风速的平方呈正比,在风向角为时最大。结合新疆铁路风区各站的历史最大瞬时风速和风向,以及各站的线路坡度和防风设施情况,根据车辆发生溜逸的临界条件,确定了风区各站不同车型防溜所需最少手制动车辆数的计算公式。运行列车空气阻力在侧偏角为时最大,土堤式挡风墙可以使空气阻力减小%,其他类型挡风墙可以使空气阻力减小%。根据不同环境风作用下列车牵引运行时的合力曲线图,确定了不同环境风条件下的均衡速度:如单

4、层客车,无环境风下均衡速度可达 /;无挡风墙条件下,/和/的环境风作用下均衡速度分别为/和/;土堤式挡风墙条件下,/和的环境风作用下均衡速度分别为/和/。本文研究结果可为大风环境下车辆防溜和列车牵引计算分析提供指导,可为完善和修改乌鲁木齐铁路局现行的大风天气列车安全运行办法提供科学依据,具有重要的工程应用价值。关键词空气阻力,数值计算,防溜,牵引计算 . , ,.,. ,. ,. :, . ?. %, %. ,. , /,/ ,/, ?, / /., ?“ ”. ., ,目录第一章绪论.研究背景和意义?。.国内外研究现状?.国外研究现状?.国内研究现状?.列车空气阻力形成机理分析.列车气动压差

5、阻力形成机理分析.列车气动摩擦阻力形成机理分析.本文主要研究内容?.第二章数值计算方法及验证性研究?。.数值计算?.基本控制方程?.湍流模型.数值计算模型?.风洞试验.风洞试验简介.试验模型?.风洞试验与数值计算结果对比分析.本章小结第三章强风区站停车辆纵向气动力及防溜研究.站停车辆纵向气动力影响因素分析.不同车型纵向气动力计算结果?.站停车辆周围流场分析?.风速对车辆纵向气动力的影响?.。编组对车辆纵向气动力的影响?.站停车辆受力分析?.站停车辆防溜手制动数的确定.本章小结第四章强风区运行列车空气阻力研究?.相关参数定义.挡风墙对空气阻力的影响?.挡风墙类型对空气阻力的影响?.挡风墙高度对空

6、气阻力的影响?.路堑对空气阻力的影响.路堑深度对空气阻力的影响.路堑坡度对空气阻力的影响.编组对空气阻力的影响.无挡风墙下编组对空气阻力的影响.有挡风墙下编组对空气阻力的影响.侧偏角对空气阻力的影响?.无挡风墙下侧偏角对空气阻力的影响?.土堤式挡风墙下侧偏角对空气阻力的影响.运行列车周围流场分析?.本章小结第五章强风区空气阻力对列车牵引运行的影响研究.列车牵引运行受力分析.空气阻力对列车牵引运行的影响分析.本章小结第六章结论及展望?.研究结论.研究展望参考文献?。谢?;硕士研究生期间参加的科研项目及发表论文的情况?.硕士学位论文第一章绪论第一章绪论.研究背景和意义我国地域辽阔,地形特征及气候变

7、化多种多样,在特殊地区形成了若干风口,大风频繁,风力强劲,流经铁路地区,造成严重的风害【】【。据资料统计,新疆铁路强风地区主要有阿拉山口风口、兰新线三十里风口和百里风区、南疆线前百公里风区见图.。这些风区中,阿拉山风口和兰新线三十里风口风向与线路夹角较小,对列车的倾覆影响不大,主要表现在列车存在溜逸和集装箱被刮落的危险【】.【】;兰新线百里风区和南疆线前百公里风区风向与线路走向几乎垂直,列车主要受横风影响,存在列车被吹翻的危斛】。频发的风灾不但破坏了铁路设施,也给当地铁路运输、生命财产安全造成严重危害和重大经济损失。图新疆铁路强风地区分布图根据以往资料,新疆铁路风区大风统计特征表现为以下主要特

8、点:风速高:据现场实测和统计分析,南疆线前百公里最大风速达/,百里风区最大风速达/。百里风区风速分布以十三间房站附近为最大,东西两端递减;南疆线前百公里风区以铁泉站附近风力最大,自东向西递减。风期长:新疆铁路强风地区主要风口一年中的大风天数相当高,大于级风的大风天数基本上都超过天。季节性强:每年冬春交替季节大风最为集中,占全年大风天数的%以上,风速也最大【】;秋冬交替季节大风天气也较多,但最大风速小于冬春交替季节。由于近年地球环境变化的因素,夏季大风有增多的趋势。第一章绪论硕士学位论文风向稳定:新疆铁路风区大风主要受寒潮天气影响,因素单一,加之区域辽阔平坦,每次大风所经路线较为固定,主风向在。

9、范围内【。根据新疆铁路风区大风的统计特征,乌鲁木齐铁路局在穿越风区的线路上修建了大量不同形式的挡风墙,以减弱大风环境对铁路安全运输的影响,其中挡风墙的类型主要有以下几种,见图.所示。桥式砼板式 砼枕直插式土堤式 路堑图?国内既有挡风墙的结构我国铁路高速客运专线的快速发展,标志着我国铁路建设已进入高速发展阶段。列车运行速度的提高固然重要,但是站停车辆的防溜安全问题以及由于运行速度的提高而带来的空气阻力增大等问题也是关系到我国铁路发展的一个重要部分。尤其在强风地区,停留在编组站、车库、车站等客、货车辆以及机车,往往会因为受到纵向气动力、线路坡度、震动等外界条件的影响而产生溜逸,从而硕士学位论文 第

10、一章绪论 造成事故【】。【】;而运行列车经常会因为受到剧烈增大的空气阻力而导致机车牵 引能力不足、能耗增加等.题【 】。【】。因此,为使我国铁路全面快速发展,对强 风区站停车辆纵向气动力及运行列车空气阻力的研究刻不容缓。 目前,强风区列车的倾覆安全性已有大量的研究【】【。但是,对大风环境 作用下列车的空气阻力及其带来的一系列问题,国内外相关的研究甚少,需要对 此进一步探讨。本文以强风区站停车辆纵向气动力及运行列车空气阻力为研究对 象,采用数值计算和风洞试验相结合的方法,对研究内容进行具体分析,并以此 为基础对站停车辆防溜安全所需最少手制动车辆数及空气阻力对列车牵引运行 的影响进行了分析。 .国

11、内外研究现状 近年来,随着我国列车的几次大提速,急剧增大的列车空气阻力及其带来的 一系列问题越来越突出,引起国内外大量专家学者的关注,越来越多的研究与试 验在列车空气阻力相关问题上展开。下面将对国内外关于列车空气阻力问题的研 究现状进行概述。 .国外研究现状 年月,日本东海道新干线建成,列车以/速度营运,标志着 世界上第一条高速铁路的出现。在日本之后,英、法、德等国也相继建成了高速 铁路。随着列车运行速度的提高,列车的空气阻力问题日益突出,严重制约着铁 路交通的发展。为此,国外对如何测定列车空气阻力及减小空气阻力的措施做过 大量研究,并取得丰硕成果,研究方法以风洞试验为主,辅以实车试验和数值计

12、 算】。 法国在世纪年代初,由铁路公司出资在.航空力学研究所建 设了一座能容纳:缩比节车辆列车模型的铁路专用长大风洞】【试验 段长宽高为.,并设置了能模拟地面和轨道且能消除附面层影 响的活动地板。法国和德国都利用该风洞对高速列车的空气阻力进行了多次试验 研究,采用编组不同的列车模型以及多列车各个组成部分车头、车身、转向架 及车底设备、车辆连接处、受电弓及车顶设备的模型进行种种试验,得出了列 车空气阻力系数的表达式【】。 日本的原朝茂是较早研究列车空气阻力的学者之一,早在世纪年代就 提出了列车空气阻力的计算方法,该方法至今仍被认为是精度最高的方法之一 【。一些欧美学者也致力于列车空气阻力的研究,

13、在解析计算和数值计算两种方 法中取得较大的进展【。英国诺丁汉大学的学者们在研究列车空气阻力方面做了 大量的工作,.等人采用风洞试验的方法得出了列车气动摩擦阻力与第一章绪论硕士学位论文雷诺数之间的关系式,并以此为基础对高速客运列车的空气阻力进行了研究;.等人通过风洞试验的方法评估了雷诺数与地面模拟效应对列车空气阻力系数的影响。新西兰梅西大学的 采用滑行试验法计算出了车辆的空气阻力系数。澳大利亚墨尔本皇家理工学院的.等人利用风洞试验的方法研究了减小货物列车空气阻力的措施。.国内研究现状我国在借鉴日本、法国等国家的研究方法和经验的基础上,很早就开展列车空气阻力方面的研究工作【】【,尤其在年兰新线交付

14、使用后,强风地区不断发生因列车空气阻力过大导致的机车牵引力不足、车辆溜逸等事故,严重影响正常运输工作,引起有关专家学者对列车空气阻力及其带来的一系列问题的广泛关注。年,伴随着我国列车的首次大提速,列车空气阻力急剧增加,能耗增大,严重阻碍我国客运提速的发展。中南大学轨道交通安全教育部重点实验室被铁道部指定为我国列车空气动力学、列车撞击动力学和新型流线型列车车体研究基地之一。实验室在田红旗教授的带领下建立了列车空气动力性能研究及外形结构设计方法,主持完成了所有国产流线型列车车体设计、我国铁路六次提速的全部列车空气动力行车安全评估。为解决列车空气阻力增大及其带来的一系列问题,田红旗教授等人在我国空气

15、动力研究与发展中心低速所的风洞进行试验,研究了大风环境下列车空气阻力特性,得出风速、风向、列车速度与列车空气阻力之间的关系式【。该实验室的梁习锋教授等人采用风洞试验与数值模拟相结合的方法对/动力集中型电动旅客列车组动力车纵向气动力进行了研究,其中风洞试验是在国防科技大学的一低速风洞中进行的,数值模拟采用的是国际上通用的大型流场分析软件,通过对风洞试验测量值和数值模拟结果进行详细分析,得出动力车作为头、尾车时的纵向气动力系数糊。梁习锋教授等人还通过数值模拟的方法研究了列车风挡对空气阻力的影响规律,得出采用大风挡和全封闭风挡可以明显减车空气阻力的结论【。该实验室的张健教授等人通过风洞试验的方法研究

16、了列车受电弓、转向架对列车空气阻力的影响规律,并推导出列车空气阻力系数的计算式【刚。同时,上海交通大学的舒信伟等人在上海磁浮列车的基础上设计出四种新的流线型头型,并按三维可压缩黏性流对包括在内的五种外形磁浮列车周围流场进行了数值模拟,得出列车整体长细比与对应头部外形的气动阻力性能之间的规律一刀。北京城建设计研究总院的刘磊等人利用计算流体力学分析软件?对隧道内地铁列车局部阻力系数进行了数值模拟【。四川大学的许唯临等人建立了一套计算隧道中列车空气阻力的数值方法,通过不同条件下的数值硕士学位论文第一章绪论模拟,获得了空气阻力与隧道相关参数的关系【。西南交通大学的周晓等人以国家自然科学基金项目“真空管

17、道高速磁浮交通基础研究”为依托,数值模拟了真空管道内不同大气压力环境和不同阻塞比条件下,高速列车以不同速度运行时所受到的空气阻力,研究了大气压力和阻塞比对真空管道运输高速列车空气阻力的影响规律【】。目前,国外的研究成果大多是针对提高传统列车运行速度和研制高速列车过程中所涉及的空气阻力,而关于大风环境对列车空气阻力影响及其带来的一系列问题,尚缺乏详细研究。.列车空气阻力形成机理分析在分析列车空气阻力形成机理时,首先要研究列车空气阻力构成。通过对列车空气阻力构成及形成机理进行分析,将列车空气阻力分解,抓住主要矛盾,分别进行减阻,以达到降低列车总阻力、减小能耗、提高运输效率等目的。为讨论方便,列车按

18、图.所示的方向运行,则列车空气阻力的作用方向沿坐标轴正向。从力的合成及分解看,列车空气阻力为列车表面压力和切向力沿列车运行反方向形成的合力。列车表面压力经积分得到列车气动压差图.坐标系阻力,列车表面切向力经积分得到列车气动摩擦阻力。由此,列车空气阻力为列车气动压差阻力和气动摩擦阻力沿坐标轴方向的投影之和,即:&兄式中:只为列车空气阻力;为列车气动压差阻力;疋为列车气动摩擦阻力。.列车气动压差阻力形成机理分析当列车高速运行时,空气绕列车表面流动,在迎风面遇到凸起物时气流速度降低,使外凸物的表面压力升高;而在背风面空气流速加快,表面压力降低。由此导致车辆的前后部表面压力有很大的差异,形成列车气动压

19、差阻力。列车气动压差阻力就是列车表面压力沿列车运行反方向形成的合力,也是阻挡列车运行的阻力,即:夺如珥露式中:为列车表面压力。在方向的分量;为列车外表面积。对于高速客运列车外形,列车头部和尾部外形为三维曲面,各车辆连接处有风挡和间隙,车体底部有转向架等不规则的外凸物,列车顶部有受电弓等,列车第一章绪论硕士学位论文侧面有车窗、车门、把手等使车体侧表面凸凹不平,在这些部位的迎风面和背风面均会产生列车气动压差阻力。.列车气动摩擦阻力形成机理分析当空气沿列车表面流动时,由于空气的粘性,在列车壁面将形成一层速度梯度很大的薄层,称之为附面层。附面层厚度在头部驻点处为零,然后逐渐向下游增加,附面层内的气流,

20、沿列车壁面法向彤,流速由零迅速升高到与来流速度基本一致。沿附面层厚度方向各不同速度层间将产生切向力,从而形成列车表面的粘性切应力。列车气动摩擦阻力是上述粘性切应力沿列车运行反方向形成的合力,也是阻挡列车运行的阻力,即:名叮乇珥式中:,为列车表面的粘性切应力在方向的分量。根据前人研究结果,粘性切应力与空气动力粘度和流动速度梯度成正比。流动速度梯度与附面层有关,而附面层与列车外形、表面光洁度、运行速度、周围环境等密切相关。因此,列车气动摩擦阻力主要与空气动力粘度、列车外形、表面光洁度、运行速度、周围环境等有关。.本文主要研究内容本文采用理论分析、数值计算和风洞试验相结合的方法开展研究,以数值计算为

21、主,风洞试验作为补充,来验证数值计算方法的正确性和可靠性。分别对强风地区站停车辆的纵向气动力和运行列车的空气阻力进行数值模拟;并以此为基础对车辆防溜安全所需最少手制动车辆数进行计算分析,同时结合列车牵引计算规程中的相关参数对列车牵引运行中空气阻力的影响进行了探讨。本文完成的主要工作有:对研究问题进行理论分析,选用合适的数值计算方法,建立符合实际几何尺寸的数值模型,并进行网格划分等;之后进行风洞试验,并将试验测量值与相应的数值计算结果进行对比验证。对强风区站停车辆纵向气动力进行分析。分别研究风速、编组、风向角及车型对车辆纵向气动力的影响规律,得到了车辆纵向气动力与风速、编组的计算关系式以及不同车

22、型的纵向气动力随风向角的变化规律。对强风区站停车辆防溜安全所需最少手制动车辆数进行计算分析。结合新疆铁路风区各站的历史最大瞬时风速和风向,以及各站的线路坡度和防风设施情况,根据车辆发生溜逸的临界条件,对风区各站不同车型防溜安全所需最少手制动车辆数进行计算分析。硕士学位论文 第一章绪论 对强风区运行列车空气阻力进行分析。分别研究挡风墙类型、挡风 墙高度、路堑、编组及侧偏角对列车空气阻力的影响规律,得出防风效果最佳的 挡风墙类型及最差的挡风墙类型、列车空气阻力与编组的计算关系式、列车空气 阻力系数与侧偏角的回归关系式、列车空气阻力最大时的侧偏角值以及路堑高 度、坡度的最佳值。 对强风区列车牵引运行

23、中空气阻力的影响进行分析。借助强风区列 车空气阻力系数与侧偏角的回归关系式,估算列车在某一运行环境下的空气阻 力;并以此为基础结合列车牵引计算规程中的相关参数,绘制出列车牵引运 行时的合力曲线图,通过该曲线图来判断大风环境对列车阻力的影响及列车的运 行动态,并确定列车在该环境风下所能达到的均衡速度大小。 第二章数值计算方法及验证性研究硕士学位论文第二章数值计算方法及验证性研究列车空气动力学数值计算属计算流体力学范畴,简称,即用数值计算方法求解描述流场流动的方程组,获得所需的流场相关信息。随着计算机技术和计算流体力学的快速发展,现已有多种用于列车气动力数值计算的商用软件,诸如、等,以及各研究单位

24、自行开发的专用软件。数值计算不受试验固有条件约束的影响如风洞壁、模型支架的干扰,可以将各种条件或现象分别考虑,深入认识各种流动现象的机理,得到非线性问题的定量结果,在计算机配置能满足需要的情况下,计算结果基本上能满足工程计算精度的要求】.【。同时数值计算研究周期短、费用低,与各种模型试验和实车试验相比有其优越性。因此,数值计算已从最初用于列车初步设计时的外形选型,发展成为研究列车空气动力学的一种重要手段。.数值计算.基本控制方程压缩性是流体的基本属性,任何流体都是可压缩的。但当流体密度的变化对流动的影响可忽略不计时,可采用不可压流动假设,即密度为常数。一般情况下,由于列车的速度与音速相比较低.

25、,可以按不可压缩黏性流考虑。本文主要求解不可压缩流的基本控制方程。连续方程:.:氓三个方向的运动方程为:泣,翱考一吉筹%杀式中:“,为流场速度,代表、三个坐标方向的速度分量;为压力;薯或,为三个坐标,代表、三个坐标分量;为空气密度。由式.和式.组成不可压缩流动方程组,共四个独立方程,独立的未知量有和,的三个分量,共四个独立的未知量,因此,方程组封闭。.湍流模型与列车相关的流动现象绝大多数是湍流流动。因此,我们在讨论列车周围空气流场的数值模拟时,自然也离不开如何模拟湍流现象的问题。特别对于很多复硕士学位论文 第二章数值计算方法及验证性研究 杂的列车周围空气流场,如附面层分离、大侧滑角、尾流等带有

26、明显的分离特点 的流动,除了要求高精度的计算方法和高质量的网格外,最为重要和关键的问题 是如何模拟湍流流动。 目前,湍流数值模拟方法主要有:直接数值模拟 .、雷诺平均模拟 ,和大涡数值模 拟】。【 ,。国际上所作的直接模拟仅限于较低的雷 诺数和有简单外形的问题,而复杂的列车周围空气流场数值模拟还不适应。大涡 模拟虽然已经开始应用于列车的湍流和气动噪声的计算,但由于其要求网格尺度 非常小、网格规模非常大,对计算机的速度和内存仍然有较高的要求,还不能完 全满足工程设计和应用的需要。雷诺应力模型和涡黏性模型中的一占两方程模 型,在列车周围空气流场流动的湍流数值模拟中应用最为广泛【】【。本文湍流 的模

27、拟采用?湍流模型。 一占湍流模型也是一种涡黏性模型,它和代数模型的主要差别是一占湍流 模型的涡粘性系数,包含了部分历史效应,将涡黏性系数和湍流动能与湍流动能 的耗散率联系在一起。 从:。型 .一 式中:为湍流粘性系数;为湍流动能;占为湍流耗散率; 。为湍流常数,一般情况下取。,.。 湍流动能方程为: 昙棚.耋沪去【兰】著警篓卜胪 或 .呶 呶湍流耗散率方程为: 昙胪,毒,若鸬丝,考,鸬妻誓鲁挈一譬 引 式中:、,、仃。为经验常数,参考近几年己发表的文献,本文计算时取 值如下:.,.,.,吒.。 近三十年来,以七一占两方程湍流模型为基础,提出了很多改进方案,如非 线性七一模型,多尺度一模型,重整

28、化群?模型,可实现的七一模型等。 每一种模型都有不同的改进,但都有一定的局限性,必须根据具体问题,选择不 同的模型,这也是湍流模型应用中存在的一个重要问题。 .数值计算模型 几何模型 客、货运列车为在地面上高速运行的长大物体,普通客运列车般由机车牵 硕士学位论文 第二章数值计算方法及验证性研究 引十几节客车组成,货运列车则由多达几十节车辆组成【。限于当前计算机硬件 条件,计算模型不可能按列车全长模拟,必须缩短列车长度并做适当简化。具体 简化措施为:列车计算模型采取机车车编组。在研究站停车辆的纵向气动力 时,与运行列车不同的是编组车辆没有机车牵引且处于静止状态,此时定义车辆 编组为:第一节车辆第

29、二节车辆第三节车辆;在分析运行列车的空气阻力时, 定义列车编组为:机车第一节车辆第二节车辆第三节车辆。 针对新疆铁路现有运行车辆情况,计算中选用的机车为、单层客车为 、双层客车为、单层集装箱车为、双层集装箱车为、棚车为、 敞车为,计算模型车体如图.所示。 机车 单层客车 单层集装箱车 棚车 双层客车 双层集装箱车 图.车体计算模型 敞车 在分析编组对列车气动性能的影响时,分别对列车车编组和车编组进行 ,其他工况下,均采用列车车编组的计算模型。在分析挡风墙对运行列车 硕士学位论文第二章数值计算方法及验证性研究空气阻力的影响时,选取了新疆铁路兰新线上既有挡风墙类型进行分析,挡风墙的高度分别为普通高

30、度的.和最矮高度的.均为距轨面高度,挡风墙的几何模型如图.。加筋对拉式挡风墙? 土堤式挡风墙一口。寸.广上 。广上 砼板式挡风墙图挡风墙几何模型计算区域与边界条件将上述模型置入设定的流场,便构成用于计算的区域,其尺寸大小的选定既要避免计算对象在流场内出现阻塞效应,又要防止出口存在尾流影响。为此,计算区域的长、宽、高尺寸定义为,如图.所示。第二章数值计算方法及验证性研究硕士学位论文图?流场计算区域数值计算是将实际问题划成有限区域进行计算,因此需在这个有限区域上设定边界条件。如图.,截面和为速度入口条件,截面和为压力出口,静压为零;流域顶面、列车表面按无滑移壁面条件给定;在研究站停车辆纵向气动力时

31、,为消除地板附面层的影响,地面和挡风墙给出的是滑移边界条件,法向速度为,切向速度与来流速度一致;在研究运行列车的空气阻力时,地面、道床及挡风墙表面给定与列车速度大小相等、方向相反的速度来定义滑移壁面边界条件,以体现与列车的相对运动。计算网格网格质量直接关系到控制方程的收敛速度和计算精度。本文计算区域均采用非结构化网格进行离散;车体近壁面的网格很密,以满足附面层计算的要求;远离车体的网格较为稀疏,密网格和稀疏网格之间以一定的增长因子均匀过渡,这样既满足计算精度的要求,又减小计算量并加快了收敛速度。物面单元为三角形网格,空间体单元采用非结构四面体网格。经离散后,每种工况体网格数均达到万以上,图为的

32、物面网格图。图.的计算物面网格图硕士学位论文第二章数值计算方法及验证性研究.风洞试验在线实车试验是对列车的空气动力特性进行试验研究最真实的方法。但进行一次完整的实车试验需要耗费大量的人力、财力、物力,且得到的参数有限;加之自然条件千变万化,如环境风风速和风向不可控制等,试验的重复性难以保证。因此,实车试验一般以验证、评估、考核试验为主【】.【。于是,人们就想用模型试验来代替实车试验。其中,风洞模型试验由于试验介质与真实情况相同,成为列车空气动力特性研究的重要方法之一。.风洞试验简介中国空气动力研究与发展中心风洞图.为闭口串联双试验段大型低速风洞,规模居亚洲第一。第一试验段大试验段截面尺寸为,试

33、验段长米,稳定风速范围/;第二试验段小试验段截面尺寸为、长,稳定风速范围/。本次风洞试验在第二试验段分别进行了测力和测压试验。试验段下部安装了专门为进行列车试验研制的带转盘的地板装置,如图.所示。将试验段改造成实际空间为长.、宽、高.、有效截面积为.的列车试验专用试验段。一一二;一图 风洞 图 风洞列车地板.试验模型就列车这种长大物体而言,风洞试验需采用缩比模型来模拟列车在空气中的运动,要使空气绕模型流动和绕实物流动符合一定的相似准则,首要条件是必须保证缩比模型与实物几何相似【翎。风洞试验模型缩尺比例确定的原则是使模拟试验的雷诺数尽量接近实际列车运行的雷诺数,以提高测试精度,故在风洞试验段尺寸

34、允许条件下,模型尺寸应尽可能大。按风洞试验段尺寸,本次设计的列车风洞模型缩比为:。图.为此次风洞试验的模型图。第二章数值计算方法及验证性研究硕士学位论文单层客车 棚车图.列车风洞试验模型.风洞试验与数值计算结果对比分析因来流风速远小于声速,雷诺数是影响试验结果的主要相似准则。由于列车模型的比例为:,要完全模拟列车实际运行的雷诺数,只有将风洞中的吹风速度定为实际来流风速的倍。而以这样的模型比例和吹风速度进行试验代价太昂贵,因此只能利用模型试验的自模性。自模性是指在一定范围内某相似参数变化不再影响所研究的对象,这时,此相似参数就可以不予调整,或者说此相似参数已进入自模区。在进行风洞试验时,只需要保

35、证试验的雷诺数大于临界雷诺数即可。而试验雷诺数是否超过临界雷诺数,这需要变风速试验验证。对单层客车进行了变风速试验,试验风速设置为、/,风向角为。图?为单层客车空气阻力系数随来流风速的变化关系图,由图可知,速度增加到/后,空气阻力系数基本不再变化,可以认为与来流风速无关,试验雷诺数大于临界雷诺数,达到自模区。所以,本次试验的来流速度取为/大于/满足雷诺数的要求。头车中间车尾车.籁.谣穴蛊.风速/图单层客车空气阻力系数与来流速度的关系图为不同风向角下单层客车和棚车空气阻力系数风洞试验与数值计算的对比结果。由图可见,风洞试验测量值和数值计算结果规律基本相同,但由于风硕士学位论文 第二章数值计算方法

36、及验证性研究洞试验模型对车辆底部进行了简化,所以其空气阻力系数比计算结果要小,但两者偏差一般不超过%。说明数值计算结果与风洞试验测试值比较吻合,数值计算方法正确,结果可靠。中间车一计算中间车一试验中间车一计算中间车一试验.巍? 巅登.登. .、 ?、一. ?.风向角。单层客车 棚车图风洞试验与数值计算对比.本章小结本章首先对数值计算方法进行了简要介绍,总结了描述列车运动的不可压缩流的基本控制方程,并对湍流的各种数值模拟方法进行了比较分析,本文选用标准的一占湍流模型。本章最后对数值计算和风洞试验模型进行了介绍,并将单层客车和棚车的部分数值计算结果与风洞试验测量值进行对比分析,得出其数值变化规律基

37、本一致,两者偏差不超过%,说明本文所采用的三维流场数值计算方法得到的结果满足工程精度要求,数值计算结果可靠。硕士学位论文 第三章强风区站停车辆纵向气动力及防溜研究第三章强风区站停车辆纵向气动力及防溜研究因大风导致的站停车辆溜逸是新疆铁路风灾的主要形式之一,历史上分别在天山和阿拉山口站发生过车辆溜逸事故,给铁路运输带来了较大的损害。站停车辆在大风作用下会受到沿车长方向的气动“推力”,即纵向气动力。当纵向气动力和线路坡道附加力的合力大于车辆制动力时,车辆便会发生溜逸,造成行车事故。因此,对站停车辆纵向气动力进行研究,并以此为基础对车辆防溜安全所需最少手制动车辆数进行计算分析,是避免发生车辆溜逸事故

38、确保风区行车安全的重要问题。.站停车辆纵向气动力影响因素分析.不同车型纵向气动力计算结果针对新疆铁路现有运行车辆和试验中所用车辆情况,对型单层客车、型双层客车、型单层集装箱车、型双层集装箱车、型棚车、型敞车、型罐车、型平车分别进行了数值计算。由于敞车空载或者装有比重较大的货物时,车厢内部为空或部分为空;装有比重较轻的货物时,通常起脊并苫盖篷布,两种在外形上有很大不同。因此,对于敞车,分为无篷布敞车车厢内部为空和有篷布敞车起脊.。如图所示,为无挡风墙下各车型车编组在/的环境风风速下,不同编组位置车辆纵向气动力随风向角的变化曲线图。第一节车辆第二节车辆第三节车辆一风向角。风向角。单层客车双层客车硕

39、士学位论文第三章强风区站停车辆纵向气动力及防溜研究第一节车辆第二节车辆第三节车辆第一节车辆第二节车辆第三节车辆主考 互以、罨蠢望 歹氐,雾一.。 、霹姜?一风向角。风向角。单层集装箱车双层集装箱车第一节车辆第二节车辆第三节车辆 第一节车辆第二节车辆第三节车辆一一善喜弋矿逸汝.莽雾委。委。 一一风向角。 风向角。棚车无篷布敞车?第一节车辆第二节车辆第三节车辆 第一节车辆第二节车辆第三节车辆主丘;/声、善一、妄蔷扩。芒 猡蠢 暴一 与?风向角。风向角。罐车有篷布敞车第一节车辆第二节车辆第三节车辆主考喜委一一沁风向角。平车图一无挡风墙下各车型纵向气动力随风向角变曲线第三章强风区站停车辆纵向气动力及防

40、溜研究硕士学位论文由上图可看出,一般在风向角为左右时,编组车辆的纵向气动力达到最大;在风向角为左右时,即受横风的作用,此时编组车辆的纵向气动力达到最小;客车中,相同条件下双层客车的纵向气动力稍大于单层客车;货车中,相同条件下双层集装箱车的纵向气动力最大,其次为有篷布敞车,平车最小;无篷布敞车和有篷布敞车所受纵向气动力相差不大,表明车辆纵向气动力与车辆载重无关。.站停车辆周围流场分析图.为无挡风墙、/环境风作用下,不同风向角时单层客车迎风面的、和。风向角。风向角?瞪夏至羹溺羹麓霞霾互二工二羹溺鞠。 黝瓣轴登导暇瞄鼬沁珈。臻瑚渤祜强。骥磐。风向角。风向角风向角风向角硕士学位论文第三章强风区站停车辆

41、纵向气动力及防溜研究。晨烹爨慧鬻鬻鬻鬻鬻鬻;瑟穗嬲,曼?燃戮般魅甄固黼 雠细:拼槲砌。瑚删饿;母皑占 谢蝴驰?蛋霉戮鹫毫龇始般避翻&鲑茁址誊“一?叠盘圈?牟濉年瓣。谳糊。麟嚣瓣铷。谳瑚川蠲翎。张琴煳静一。风向角 。风向角图无挡风墙下单层客车迎风面压力云图从云图上可以看出,单层客车迎风面处于较大正压区,通过比较观察不同风向角的压力云图可知,随着风向角的增大,单层客车的迎风面所受正压越来越大,列车受到的横向力也随之越来越大。在风向角较小的情况下,第一节车辆迎风端部的正压很大,但由于第一节车辆的阻挡作用,后面车辆端部压差较小,所以在风向角较小的情况下,第一节车辆的纵向力比较大,后面其它车辆较小;随着

42、风向角的增大,达到左右时,编组车辆两端的压差最大,此时编组车辆纵向气动力达到最大;随着风向角的进一步增大,车辆端部压差慢慢减小,车辆纵向气动力也减小。.风速对车辆纵向气动力的影响由前节可知,风向角时车辆的纵向气动力达到最大,为研究风速对站停车辆纵向气动力的影响,计算了风向角下,单层客车在风速为/、/、/环境风下的纵向气动力,其计算结果如图.所示,从图中幂函数拟合公式可知,第一节车辆、第二节车辆和第三节车辆所受纵向气动力均近似与风速的平方呈正比。因此,在强风地区应采取有效的防风设施或制动措施以减小大风对站停车辆溜逸的影响。?第一节车辆第二节车辆第三节车辆.专暮 风速/图.单层客车纵向气动力随风速

43、变化曲线第三章强风区站停车辆纵向气动力及防溜研究硕士学位论文.编组对车辆纵向气动力的影响表一和图.为无挡风墙、车编组、。和。风向角情况下中间不同编组位置车辆的纵向气动力计算结果。通过对比不同编组位置车辆的纵向气动力计算结果可知,中间不同编组位置车辆的纵向气动力差别很小,所以在数值计算时,可以减少中间位置车辆的编组数,以提高计算效率,不会影响计算结果。表单层客车车编组中间位置车辆纵向气动力计算结果纵向气动力计算结果风向角车 车至 生. . . . . . .注:车车表示中间第二节车辆至第五节车辆卜。风向角。风向角金慧扩萎车 车 车 车图.单层客车车编组中间位置车辆纵向气动力比较风向角下,采用车编

44、组后,其纵向气动力计算结果及与车编组的比较如表.所示。表.单层客车车和车编组车辆纵向气动力计算结果纵向气动力计算结果编组情况第一节车辆 中间位置车辆 最后一节车辆. . .车编组. . .车编组从表.计算结果可知,车编组和车编组的第一节车辆、中间位置车辆、最后一节车辆的纵向气动力大小均比较接近,说明车编组数值计算可以反映车编组甚至更多车辆编组的情况。因此,编组车辆总的纵向气动力可以采用下面公式进行计算。硕士学位论文第三章强风区站停车辆纵向气动力及防溜研究足%刀一耳式中:表示车辆的编组数;为车编组总的纵向气动力;%为第一节车辆纵向气动力;%为第二节车辆纵向气动力;辱为最后一节车辆纵向气动力。.站

45、停车辆受力分析在自身重力或外力的作用下,站停车辆发生无目的溜动,在失控状态下所造成的行车事故,即为车辆溜逸事故。强风地区恶劣的大风环境和线路坡度是导致车辆溜逸事故的主要原因。停留在坡道上的车辆在强风作用下沿车长方向的受力模型如图.所示。侧视图德视图田圈?圈田图强风区站停车辆受力模型简图上图中表示车辆溜逸阻力;表示大风对车辆产生的纵向气动力;表示车辆自身重力;表示车辆自重沿坡道方向的分力,我们称之为坡道附加阻。力,当风向的纵向分量与下坡方向一致时,为正,否则为负。为防止车辆发生溜逸事故,须保证,当公式取等号时,车辆达到临界溜逸状态。一车辆纵向气动力由.节数值计算分析可知,车辆所受纵向气动力与风速、风向角、车型及列车编组等相关,与车辆载重无关。根据.节数值计算结果,在环境风风速/情况下,利用插值拟合的方法可以得出不同车型编组