橫風(fēng)作用下的高速列車(chē)氣動(dòng)特性及運(yùn)行安全性研究.pdf

1、高速列車(chē)具有十分復(fù)雜的三維幾何外形和大長(zhǎng)細(xì)比，在高速運(yùn)行時(shí)形成復(fù)雜的、強(qiáng)非線性的三維粘性繞流流動(dòng)。與在無(wú)風(fēng)環(huán)境中相比，列車(chē)遇到橫風(fēng)時(shí)，其繞流流場(chǎng)和氣動(dòng)特性將發(fā)生劇烈變化，輪軌動(dòng)力學(xué)性能亦隨之改變，使列車(chē)的運(yùn)行安全受到影響。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)高速列車(chē)橫風(fēng)效應(yīng)和氣動(dòng)安全性的研究已取得諸多成果，但在復(fù)雜場(chǎng)景建模、橫風(fēng)氣動(dòng)力分析、橫風(fēng)效應(yīng)的非定常性質(zhì)，以及橫風(fēng)氣動(dòng)特性對(duì)列車(chē)運(yùn)行安全的影響等方面的研究還需進(jìn)一步深入。
　　本文通過(guò)理論分析、模

2、型實(shí)驗(yàn)、流動(dòng)數(shù)值模擬和多體動(dòng)力學(xué)仿真相結(jié)合的方法，以CRH型高速列車(chē)原型為研究對(duì)象，對(duì)列車(chē)的橫風(fēng)氣動(dòng)特性和相應(yīng)的車(chē)輛軌道動(dòng)力學(xué)問(wèn)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(chē)運(yùn)行安全控制問(wèn)題。主要內(nèi)容包括以下幾部分：
　　1、研究了單列高速列車(chē)在明線橫風(fēng)環(huán)境中運(yùn)行的氣動(dòng)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(chǎng)計(jì)算的列車(chē)氣動(dòng)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(chē)輛位置相關(guān)，使用均勻風(fēng)評(píng)

3、估列車(chē)的橫風(fēng)安全性將與實(shí)際情況存在較大偏差。橫風(fēng)風(fēng)速和風(fēng)向角以及車(chē)速對(duì)列車(chē)氣動(dòng)特性的影響規(guī)律可用三次多項(xiàng)式函數(shù)來(lái)描述，且對(duì)頭車(chē)氣動(dòng)特性的影響最明顯。氣動(dòng)阻力系數(shù)與車(chē)速、風(fēng)速和風(fēng)向角之間的關(guān)系可用無(wú)量綱量綜合公式描述；對(duì)于編組車(chē)輛數(shù)量不同的列車(chē)，頭車(chē)氣動(dòng)性能基本相同，三節(jié)車(chē)輛編組列車(chē)的氣動(dòng)安全性在一定程度上能夠適用于三節(jié)以上車(chē)輛編組列車(chē)的氣動(dòng)安全性評(píng)估。受電弓裝置和轉(zhuǎn)向架的氣動(dòng)荷載占各節(jié)車(chē)輛氣動(dòng)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(chǎng)中高速列車(chē)?yán)@流的非定常流動(dòng)，在時(shí)域和頻域內(nèi)分析了車(chē)輛和轉(zhuǎn)向架氣動(dòng)特性的瞬態(tài)性質(zhì)。結(jié)果表明：在恒定來(lái)流中，列車(chē)的背風(fēng)側(cè)和尾車(chē)的尾跡區(qū)存在著強(qiáng)度不同、空間幾何尺度各異并隨時(shí)間隨機(jī)變化和脈動(dòng)的分離渦；各節(jié)車(chē)輛的非定常氣動(dòng)荷載的時(shí)均值與按整場(chǎng)定常流動(dòng)計(jì)算得到的結(jié)果基本一致，但瞬態(tài)荷載峰值卻比時(shí)均值高出較多；振幅頻譜和功率譜密度的最大峰值所對(duì)應(yīng)的頻率不盡相同，但都集中在0～4Hz內(nèi)，處于某些列車(chē)部件的固有頻率

5、范圍內(nèi)。頭車(chē)的橫向力和傾覆力矩的分布頻率范圍較大，與車(chē)體自身頻率耦合的范圍較寬，橫風(fēng)氣動(dòng)安全性較差。各個(gè)轉(zhuǎn)向架氣動(dòng)荷載的功率譜密度的最大峰值所對(duì)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(dòng)網(wǎng)格原理對(duì)列車(chē)交會(huì)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。分析了高速列車(chē)在明線交會(huì)的氣動(dòng)特性、橫風(fēng)對(duì)交會(huì)氣動(dòng)特性的影響，以及列車(chē)幾何模型的簡(jiǎn)化對(duì)交會(huì)壓力波和氣動(dòng)特性數(shù)值模擬結(jié)果的影響。研究表明：列車(chē)-軌道模型的簡(jiǎn)化方法和簡(jiǎn)化程度對(duì)列車(chē)交會(huì)壓力

6、波和氣動(dòng)力特性曲線的影響程度與車(chē)輛的位置和有無(wú)橫風(fēng)等條件有關(guān)，車(chē)體的離地高度、轉(zhuǎn)向架等對(duì)計(jì)算結(jié)果均有較為明顯的影響。列車(chē)在無(wú)風(fēng)環(huán)境中交會(huì)時(shí)，速度越大，峰值越高、波幅越大。波幅與交會(huì)側(cè)間距和列車(chē)邊界層厚度以及離地高度有關(guān)，交會(huì)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(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式僅考慮了從車(chē)肩開(kāi)始的列車(chē)邊界層，本文則還考慮頭車(chē)流線體曲面邊界層的影響，提出了一組新的壓力波波幅計(jì)算公式。列車(chē)在橫風(fēng)中交會(huì)時(shí)，其壓力波

7、和氣動(dòng)力的特性曲線與無(wú)風(fēng)環(huán)境中的相似，壓力波波幅比無(wú)橫風(fēng)時(shí)的大，并隨交會(huì)距離的增加而明顯增加；各節(jié)車(chē)輛的氣動(dòng)力及其波動(dòng)幅值均隨交會(huì)速度的增大而增大。橫風(fēng)使壓力波波幅、各節(jié)車(chē)輛的氣動(dòng)力和力矩的峰值和波幅均增大。
　　4、通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)仿真研究了橫風(fēng)風(fēng)速和車(chē)速對(duì)高速列車(chē)輪軌動(dòng)力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：橫風(fēng)和車(chē)速對(duì)頭車(chē)的脫軌系數(shù)和輪重減載率的影響最大，頭車(chē)的脫軌系數(shù)和減載率在三節(jié)車(chē)中最大：頭車(chē)背風(fēng)側(cè)的脫軌系數(shù)最大值和頭車(chē)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(shí)，動(dòng)力學(xué)性能參數(shù)隨編組車(chē)輛數(shù)量的增加而逐漸增大。對(duì)于CRH型高速列車(chē)，若采用京津線軌道譜，以脫軌系數(shù)作為安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)即可：若采用德國(guó)軌道譜，則還需要補(bǔ)充輪重減載率作為安全判據(jù)。此外，本文實(shí)現(xiàn)了加載隨機(jī)氣動(dòng)荷載進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。
　　5、研究了橫風(fēng)作用下的高速列車(chē)安全控制方法?；诳諝鈩?dòng)力學(xué)和輪軌動(dòng)力學(xué)分析了列車(chē)在不同橫風(fēng)風(fēng)速作用下的運(yùn)行速度安全域即列車(chē)限速運(yùn)行問(wèn)題，給出了相應(yīng)風(fēng)速下的列車(chē)速度閾值