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1、隨著社會(huì)的發(fā)展,對(duì)交通運(yùn)輸工具的安全、高速、及運(yùn)載力的要求日益增加。高速鐵路是供乘客使用的軌道交通,其運(yùn)行速度比普通速度的鐵路交通有著顯著的提高。在安全運(yùn)行的條件下,其速度可達(dá)400-450km/h。然而,橫風(fēng)、大雨等自然現(xiàn)象會(huì)對(duì)高速列車(chē)的安全行駛起到負(fù)面影響。本文旨在通過(guò)研究現(xiàn)代化高速運(yùn)載工具,從而對(duì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境及技術(shù)的可行性的研究提供依據(jù)。高速列車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)特性不僅與其運(yùn)行效益緊密相關(guān),還與安全性,以及在極端天氣條件和其他外部因素下
2、的運(yùn)行性能密切相關(guān)。一些學(xué)者研究了橫風(fēng)和大雨對(duì)高速列車(chē)氣動(dòng)力的影響,但仍然需要進(jìn)一步的深入研究。本研究的目的在于:分析安全行駛的速度范圍及其特性;研究大雨對(duì)高速列車(chē)的影響,加深對(duì)這項(xiàng)對(duì)安全至關(guān)重要的因素的認(rèn)識(shí);分析表面壓強(qiáng)分布及其對(duì)幾何設(shè)計(jì)和運(yùn)行性能的影響;對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析,并與其他研究者在相關(guān)研究中提及的概念與理論框架進(jìn)行驗(yàn)證。在此背景下,現(xiàn)有的知識(shí)與研究為進(jìn)一步的研究提供了基礎(chǔ)與依據(jù)。
本研究涉及空氣動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)
3、、流體動(dòng)力學(xué)、數(shù)值分析、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和多相流分析的理論與計(jì)算,列車(chē)車(chē)身繞流考慮了橫向風(fēng)的作用和雨的作用。采用多相流混合模型理論、realizable k-(∈)湍流模型、多面體網(wǎng)格和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析。使用高端臺(tái)式電腦客戶(hù)端,數(shù)值模擬計(jì)算軟件使用ANSYS WORKBENCH-FLUENT,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用整合了Autodesk Inventor與Nx7.5的標(biāo)準(zhǔn)CAD平臺(tái)。本研究使用了三組不同大小的網(wǎng)格,其單元數(shù)量分別為:1
4、824488;2285764;和3555243。這三個(gè)有限元組的選擇是根據(jù)計(jì)算和時(shí)間的限制確定的。列車(chē)的性能一部分是由它的結(jié)構(gòu)決定的,還有很重要的一部分是由外部條件決定的,例如橫風(fēng)和雨。在研究橫風(fēng)影響時(shí),選取以下速度:24m/s,20m/s,16m/s,10m/s,4m/s。參照邵雪明等人的相關(guān)研究,降雨量取60mm/h,每滴雨速度5m/s??紤]到網(wǎng)格設(shè)計(jì)理論與模型,使用y+壁面函數(shù),在列車(chē)模型的重要部分,如車(chē)頭和車(chē)尾,y+取30-60
5、;考慮到計(jì)算能力的限制,列車(chē)其他部分y+選取120-200。本研究得到以下結(jié)論:由于數(shù)值模擬的計(jì)算時(shí)間與計(jì)算條件有限,圓柱形計(jì)算域與多面體網(wǎng)格對(duì)本文的數(shù)值模擬最為合適;最大壓強(qiáng)和最小壓強(qiáng)分別分布在車(chē)頭和車(chē)尾;阻力、升力、側(cè)向力、滾動(dòng)力矩和偏航力矩在橫風(fēng)和大雨的環(huán)境下顯著增大;高速列車(chē)系統(tǒng)在大雨條件下運(yùn)行是不安全的,其出軌和傾覆的可能性很高;在使用CFD進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí),為避免結(jié)果失真,例如出現(xiàn)回流和殘差過(guò)大,計(jì)算區(qū)域的大小、松弛因子、
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