橫風作用下的高速列車氣動特性及運行安全性研究.pdf

1、高速列車具有十分復雜的三維幾何外形和大長細比，在高速運行時形成復雜的、強非線性的三維粘性繞流流動。與在無風環(huán)境中相比，列車遇到橫風時，其繞流流場和氣動特性將發(fā)生劇烈變化，輪軌動力學性能亦隨之改變，使列車的運行安全受到影響。目前，國內(nèi)外針對高速列車橫風效應和氣動安全性的研究已取得諸多成果，但在復雜場景建模、橫風氣動力分析、橫風效應的非定常性質(zhì)，以及橫風氣動特性對列車運行安全的影響等方面的研究還需進一步深入。
　　本文通過理論分析、模

2、型實驗、流動數(shù)值模擬和多體動力學仿真相結(jié)合的方法，以CRH型高速列車原型為研究對象，對列車的橫風氣動特性和相應的車輛軌道動力學問題進行了數(shù)值模擬與仿真分析，探討了橫風作用下的列車運行安全控制問題。主要內(nèi)容包括以下幾部分：
　　1、研究了單列高速列車在明線橫風環(huán)境中運行的氣動特性。結(jié)果表明：使用均勻風和大氣底層邊界速度型兩種風場計算的列車氣動作用力相差20％～60％，差值大小與平地、路堤和橋梁等路面條件以及車輛位置相關，使用均勻風評

3、估列車的橫風安全性將與實際情況存在較大偏差。橫風風速和風向角以及車速對列車氣動特性的影響規(guī)律可用三次多項式函數(shù)來描述，且對頭車氣動特性的影響最明顯。氣動阻力系數(shù)與車速、風速和風向角之間的關系可用無量綱量綜合公式描述；對于編組車輛數(shù)量不同的列車，頭車氣動性能基本相同，三節(jié)車輛編組列車的氣動安全性在一定程度上能夠適用于三節(jié)以上車輛編組列車的氣動安全性評估。受電弓裝置和轉(zhuǎn)向架的氣動荷載占各節(jié)車輛氣動力的份額可達10～20％，不宜忽略。

4、　　2、采用分離渦模擬法模擬了恒定風場中高速列車繞流的非定常流動，在時域和頻域內(nèi)分析了車輛和轉(zhuǎn)向架氣動特性的瞬態(tài)性質(zhì)。結(jié)果表明：在恒定來流中，列車的背風側(cè)和尾車的尾跡區(qū)存在著強度不同、空間幾何尺度各異并隨時間隨機變化和脈動的分離渦；各節(jié)車輛的非定常氣動荷載的時均值與按整場定常流動計算得到的結(jié)果基本一致，但瞬態(tài)荷載峰值卻比時均值高出較多；振幅頻譜和功率譜密度的最大峰值所對應的頻率不盡相同，但都集中在0～4Hz內(nèi)，處于某些列車部件的固有頻率

5、范圍內(nèi)。頭車的橫向力和傾覆力矩的分布頻率范圍較大，與車體自身頻率耦合的范圍較寬，橫風氣動安全性較差。各個轉(zhuǎn)向架氣動荷載的功率譜密度的最大峰值所對應的頻率也不相同，但都集中在0.5～3.5Hz內(nèi)。
　　3、采用移動網(wǎng)格原理對列車交會進行了數(shù)值模擬計算。分析了高速列車在明線交會的氣動特性、橫風對交會氣動特性的影響，以及列車幾何模型的簡化對交會壓力波和氣動特性數(shù)值模擬結(jié)果的影響。研究表明：列車-軌道模型的簡化方法和簡化程度對列車交會壓力

6、波和氣動力特性曲線的影響程度與車輛的位置和有無橫風等條件有關，車體的離地高度、轉(zhuǎn)向架等對計算結(jié)果均有較為明顯的影響。列車在無風環(huán)境中交會時，速度越大，峰值越高、波幅越大。波幅與交會側(cè)間距和列車邊界層厚度以及離地高度有關，交會側(cè)間距的影響作用更大，間距越小，波幅越大。Steinheur給出的波幅計算經(jīng)驗公式僅考慮了從車肩開始的列車邊界層，本文則還考慮頭車流線體曲面邊界層的影響，提出了一組新的壓力波波幅計算公式。列車在橫風中交會時，其壓力波

7、和氣動力的特性曲線與無風環(huán)境中的相似，壓力波波幅比無橫風時的大，并隨交會距離的增加而明顯增加；各節(jié)車輛的氣動力及其波動幅值均隨交會速度的增大而增大。橫風使壓力波波幅、各節(jié)車輛的氣動力和力矩的峰值和波幅均增大。
　　4、通過多體動力學仿真研究了橫風風速和車速對高速列車輪軌動力學性能的影響。結(jié)果表明：橫風和車速對頭車的脫軌系數(shù)和輪重減載率的影響最大，頭車的脫軌系數(shù)和減載率在三節(jié)車中最大：頭車背風側(cè)的脫軌系數(shù)最大值和頭車迎風側(cè)的減載率最

8、大值均隨著風速的增加而明顯增大；同時，動力學性能參數(shù)隨編組車輛數(shù)量的增加而逐漸增大。對于CRH型高速列車，若采用京津線軌道譜，以脫軌系數(shù)作為安全性評價標準即可：若采用德國軌道譜，則還需要補充輪重減載率作為安全判據(jù)。此外，本文實現(xiàn)了加載隨機氣動荷載進行動力學仿真。
　　5、研究了橫風作用下的高速列車安全控制方法。基于空氣動力學和輪軌動力學分析了列車在不同橫風風速作用下的運行速度安全域即列車限速運行問題，給出了相應風速下的列車速度閾值