行駛環(huán)境對高速列車橫風(fēng)穩(wěn)定性影響研究.pdf

1、高速列車在行駛時不僅受到行駛方向的氣動阻力，還會受到來自于側(cè)向的自然風(fēng)。在某些特殊的行駛環(huán)境下，如特大橋梁、路堤、高架橋和山區(qū)丘陵地帶，列車周圍的流場會受到這些環(huán)境的影響，從而導(dǎo)致作用在列車上的氣動力大大增加，嚴(yán)重時甚至發(fā)生翻車事故。2007年10月我國正式確定實(shí)施京滬高速鐵路項(xiàng)目，這將為我國高速鐵路事業(yè)的發(fā)展開拓一個嶄新的時代。建成后的高速鐵路設(shè)計時速將高達(dá)350km/h，如此高的速度使得該線上的列車受到的氣動載荷將大大增加。而出于施

2、工和受周邊環(huán)境影響方面的原因，必定會在某些路段為新的高速軌道修建一定坡度的路堤和一些大型橋梁(例如長江大橋和黃河大橋)。路堤的出現(xiàn)會使流經(jīng)其斜坡的氣流加速，導(dǎo)致作用在列車車身上的作用力增加；橋梁的出現(xiàn)會使列車受到的自然風(fēng)遠(yuǎn)大于地面上的風(fēng)速。這些由環(huán)境造成的列車周圍流場的變化都將增加列車受到的氣動載荷，使得列車的翻車可能性大大增加。 隨著計算機(jī)技術(shù)和計算流體力學(xué)的發(fā)展，通過數(shù)值計算方法已經(jīng)可以較好地研究列車空氣動力學(xué)問題。本文基于

3、三維定常流體力學(xué)計算方法，選用Realizable k-ε湍流模型和SIMPLEC壓力修正算法，首先對不同路堤傾角下的高速列車--路堤組合體進(jìn)行了數(shù)值模擬計算，并利用模型風(fēng)洞試驗(yàn)對數(shù)值計算方法進(jìn)行驗(yàn)證。通過數(shù)值計算得到：(1)路堤傾角對高速列車空氣動力學(xué)特性有顯著影響，當(dāng)路堤傾角由0°變?yōu)?0°時，各氣動力參數(shù)呈拋物線型分布；(2)當(dāng)路堤傾角為11°時，高速列車的側(cè)翻力矩最大，比平地情況下高出30％以上；(3)在8°～25°的路堤傾角范

4、圍內(nèi)，列車在下風(fēng)側(cè)受到的側(cè)翻力矩比上風(fēng)側(cè)的要大，最大可達(dá)3％。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果的比對驗(yàn)證了本文采用的數(shù)值計算方法的可信性。 接著對不同橋梁截面形狀下的高速列車--橋梁組合體進(jìn)行數(shù)值計算，并得到：(1)橋梁的橋底面夾角和橋梁厚度對高速列車的橫風(fēng)穩(wěn)定性有顯著影響。對于文獻(xiàn)中給定的橋梁，在增加橋底面夾角時，列車的總側(cè)翻力矩先增大后減小，總體上是增加的(2)當(dāng)橋梁厚度從400mm變化到500mm時無論是處于上風(fēng)側(cè)的列車還是處于

5、下風(fēng)側(cè)的列車其側(cè)翻力矩都會產(chǎn)生一個突增，增幅分別達(dá)到16％(上風(fēng)側(cè))和24％(下風(fēng)側(cè))；(3)文獻(xiàn)中給定的原始橋梁截面形狀對列車的橫風(fēng)穩(wěn)定性影響最小。 最后，結(jié)合前面兩部分的研究，進(jìn)一步對不同合成風(fēng)風(fēng)向角下行駛在路堤、橋梁和平地上的列車的橫風(fēng)穩(wěn)定性進(jìn)行比較研究。由研究結(jié)果得出：(1)行駛在路堤、橋梁和平地上的列車，其側(cè)翻力矩系數(shù)隨合成風(fēng)風(fēng)向角的增加而增加，并在90°達(dá)到最大值；(2)對于相同的合成風(fēng)風(fēng)向角和合成風(fēng)速度，當(dāng)列車分別