橫風大雨對高速列車繞流的影響.pdf

1、隨著社會的發(fā)展，對交通運輸工具的安全、高速、及運載力的要求日益增加。高速鐵路是供乘客使用的軌道交通，其運行速度比普通速度的鐵路交通有著顯著的提高。在安全運行的條件下，其速度可達400-450km/h。然而，橫風、大雨等自然現(xiàn)象會對高速列車的安全行駛起到負面影響。本文旨在通過研究現(xiàn)代化高速運載工具，從而對經(jīng)濟、環(huán)境及技術(shù)的可行性的研究提供依據(jù)。高速列車的空氣動力學特性不僅與其運行效益緊密相關(guān)，還與安全性，以及在極端天氣條件和其他外部因素下

2、的運行性能密切相關(guān)。一些學者研究了橫風和大雨對高速列車氣動力的影響，但仍然需要進一步的深入研究。本研究的目的在于：分析安全行駛的速度范圍及其特性；研究大雨對高速列車的影響，加深對這項對安全至關(guān)重要的因素的認識；分析表面壓強分布及其對幾何設(shè)計和運行性能的影響；對數(shù)值模擬結(jié)果進行分析，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行驗證。在此背景下，現(xiàn)有的知識與研究為進一步的研究提供了基礎(chǔ)與依據(jù)。
　　本研究涉及空氣動力學、流體力學

3、、流體動力學、數(shù)值分析、計算流體動力學和多相流分析的理論與計算，列車車身繞流考慮了橫向風的作用和雨的作用。采用多相流混合模型理論、realizable k-(∈)湍流模型、多面體網(wǎng)格和標準壁面函數(shù)對各項參數(shù)進行分析。使用高端臺式電腦客戶端，數(shù)值模擬計算軟件使用ANSYS WORKBENCH-FLUENT，結(jié)構(gòu)設(shè)計使用整合了Autodesk Inventor與Nx7.5的標準CAD平臺。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。這三個有限元組的選擇是根據(jù)計算和時間的限制確定的。列車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，例如橫風和雨。在研究橫風影響時，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)計理論與模型，使用y+壁面函數(shù)，在列車模型的重要部分，如車頭和車尾，y+取30-60

5、;考慮到計算能力的限制，列車其他部分y+選取120-200。本研究得到以下結(jié)論：由于數(shù)值模擬的計算時間與計算條件有限，圓柱形計算域與多面體網(wǎng)格對本文的數(shù)值模擬最為合適；最大壓強和最小壓強分別分布在車頭和車尾；阻力、升力、側(cè)向力、滾動力矩和偏航力矩在橫風和大雨的環(huán)境下顯著增大；高速列車系統(tǒng)在大雨條件下運行是不安全的，其出軌和傾覆的可能性很高；在使用CFD進行數(shù)值模擬計算時，為避免結(jié)果失真，例如出現(xiàn)回流和殘差過大，計算區(qū)域的大小、松弛因子、