橫風(fēng)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(fù)雜的三維幾何外形和大長細(xì)比，在高速運行時形成復(fù)雜的、強(qiáng)非線性的三維粘性繞流流動。與在無風(fēng)環(huán)境中相比，列車遇到橫風(fēng)時，其繞流流場和氣動特性將發(fā)生劇烈變化，輪軌動力學(xué)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(fēng)效應(yīng)和氣動安全性的研究已取得諸多成果，但在復(fù)雜場景建模、橫風(fēng)氣動力分析、橫風(fēng)效應(yīng)的非定常性質(zhì)，以及橫風(fēng)氣動特性對列車運行安全的影響等方面的研究還需進(jìn)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(xué)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(fēng)氣動特性和相應(yīng)的車輛軌道動力學(xué)問題進(jìn)行了數(shù)值模擬與仿真分析，探討了橫風(fēng)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(fēng)環(huán)境中運行的氣動特性。結(jié)果表明：使用均勻風(fēng)和大氣底層邊界速度型兩種風(fēng)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(guān)，使用均勻風(fēng)評

3、估列車的橫風(fēng)安全性將與實際情況存在較大偏差。橫風(fēng)風(fēng)速和風(fēng)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(fēng)速和風(fēng)向角之間的關(guān)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(dá)10～20％，不宜忽略。

4、　　2、采用分離渦模擬法模擬了恒定風(fēng)場中高速列車?yán)@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(fēng)側(cè)和尾車的尾跡區(qū)存在著強(qiáng)度不同、空間幾何尺度各異并隨時間隨機(jī)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(yīng)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(fēng)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(yīng)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(jìn)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(fēng)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(fēng)等條件有關(guān)，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(fēng)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(guān)，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(fēng)中交會時，其壓力波

7、和氣動力的特性曲線與無風(fēng)環(huán)境中的相似，壓力波波幅比無橫風(fēng)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(fēng)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(xué)仿真研究了橫風(fēng)風(fēng)速和車速對高速列車輪軌動力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：橫風(fēng)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(fēng)側(cè)的脫軌系數(shù)最大值和頭車迎風(fēng)側(cè)的減載率最

8、大值均隨著風(fēng)速的增加而明顯增大；同時，動力學(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)氣動荷載進(jìn)行動力學(xué)仿真。
　　5、研究了橫風(fēng)作用下的高速列車安全控制方法。基于空氣動力學(xué)和輪軌動力學(xué)分析了列車在不同橫風(fēng)風(fēng)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(yīng)風(fēng)速下的列車速度閾值