高速列車流固耦合計(jì)算方法及動(dòng)力學(xué)性能研究.pdf

1、安全是交通運(yùn)輸?shù)摹办`魂”，是速度提高的最重要前提保障。傳統(tǒng)的列車空氣動(dòng)力學(xué)忽略列車在氣動(dòng)力作用下運(yùn)行姿態(tài)的改變，將氣動(dòng)激勵(lì)加載到列車動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)而分析列車的安全運(yùn)行問(wèn)題。實(shí)際上，列車空氣動(dòng)力學(xué)和車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)是高速鐵路大系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中不可分割的兩大組成部分，兩者是相互耦合、相互影響的。列車流場(chǎng)的變化可能會(huì)引起氣動(dòng)力的變化，而在氣動(dòng)力作用下，列車的運(yùn)行姿態(tài)可能會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而流場(chǎng)的變化可能會(huì)有所加劇，列車運(yùn)行姿態(tài)與空氣流場(chǎng)(或列車氣

2、動(dòng)力)的互反饋?zhàn)饔脤⑹箍諝?列車系統(tǒng)處于特定的耦合振動(dòng)形態(tài)。高速列車流固耦合動(dòng)力學(xué)，即考慮列車在氣動(dòng)作用力下運(yùn)行姿態(tài)的改變，可以更為客觀地反映高速列車系統(tǒng)的本質(zhì)。
　　針對(duì)氣動(dòng)作用下的高速列車運(yùn)行安全性問(wèn)題，本文建立了高速列車流固耦合動(dòng)力學(xué)模型及計(jì)算方法，對(duì)橫風(fēng)環(huán)境、風(fēng)切變環(huán)境和沙塵暴環(huán)境下的高速列車運(yùn)行安全性進(jìn)行了研究。
　　基于計(jì)算流體力學(xué)和車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論，建立高速列車流固耦合動(dòng)力學(xué)模型。車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)模

3、型考慮輪軌接觸非線性以及懸掛系統(tǒng)等因素，軌道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為雙質(zhì)量三層彈簧阻尼振動(dòng)模型，其中雙質(zhì)量包括軌枕和道床，三層結(jié)構(gòu)指的是鋼軌、軌枕、道床和路基；流體計(jì)算模型采用Navier-Stokes方程和k-e兩方程湍流模型?；谟邢摅w積法求解技術(shù)以及動(dòng)網(wǎng)格控制技術(shù)，利用ALE方法實(shí)現(xiàn)列車與氣流之間的相互運(yùn)動(dòng)。
　　利用建立的高速列車流固耦合動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)交替求解車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)現(xiàn)了高速列車流固耦合聯(lián)合仿真計(jì)算方法，車輛系統(tǒng)動(dòng)

4、力學(xué)的計(jì)算基于列車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件Simpack，空氣動(dòng)力學(xué)的計(jì)算基于空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件Fluent。構(gòu)建了Fluent和Simpack相結(jié)合的聯(lián)合仿真環(huán)境平臺(tái)，充分發(fā)揮各仿真平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)并消除在單-平臺(tái)中進(jìn)行仿真的局限性?；诳諝鈩?dòng)力學(xué)計(jì)算軟件Fluent和車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)自編程序(VTCDP)提出了一種嵌入式的高速列車流固耦合聯(lián)合仿真計(jì)算方法，改善了流固耦合變量通信模式，避免了空氣動(dòng)力學(xué)求解器和車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)求解器之間數(shù)據(jù)的相

5、互通信，并且避免了車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)程序計(jì)算的等待，有效地節(jié)省了計(jì)算資源；解決了高速列車流固耦合計(jì)算對(duì)流體和結(jié)構(gòu)的計(jì)算在時(shí)間尺度的要求上是不一致的問(wèn)題。提出了一種基于松弛因子的高速列車流固耦合聯(lián)合仿真計(jì)算方法，通過(guò)波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差和同步標(biāo)準(zhǔn)差的比較，當(dāng)λ=0.5時(shí)各項(xiàng)氣動(dòng)力的預(yù)測(cè)值與下一時(shí)刻計(jì)算得到的氣動(dòng)力之間誤差相對(duì)較小。
　　為了快速分析橫風(fēng)環(huán)境下高速列車的安全運(yùn)行問(wèn)題，提出了計(jì)算橫風(fēng)下高速列車流固耦合動(dòng)力學(xué)性能的同步長(zhǎng)和異步長(zhǎng)平

6、衡狀態(tài)方法兩種方法。比較了平衡狀態(tài)方法和聯(lián)合仿真方法兩種方法下列車姿態(tài)、安全性和舒適性指標(biāo)的差異，計(jì)算結(jié)果差別在3.26％以內(nèi)。研究結(jié)果表明：平衡狀態(tài)方法相比聯(lián)合仿真方法，能夠節(jié)約了流體計(jì)算迭代步數(shù)，異步長(zhǎng)平衡狀態(tài)方法的計(jì)算效率最高?？紤]耦合效應(yīng)后，頭車氣動(dòng)力(矩)和安全性指標(biāo)(輪重減載率、脫軌系數(shù)、輪軸橫向力)均有所惡化。在橫風(fēng)環(huán)境下，列車大部分漩渦分離點(diǎn)位于列車表面，而極少部分渦由兩個(gè)主渦相互擠壓而形成；隨著偏航角的減小，列車背風(fēng)側(cè)

7、脫落的主渦數(shù)量減少，列車背風(fēng)側(cè)第一主渦的分離點(diǎn)越來(lái)越遠(yuǎn)離頭車鼻尖處。當(dāng)列車運(yùn)行速度大于等于300km/h時(shí)，采用輪重減載率和輪軸橫向力作為安全評(píng)估指標(biāo)計(jì)算得到的最高允許風(fēng)速最??；當(dāng)列車運(yùn)行速度小于等于250km/h時(shí)，采用輪軸橫向力作為安全評(píng)估指標(biāo)計(jì)算得到的最高允許風(fēng)速最小。
　　針對(duì)高速列車的典型風(fēng)切變問(wèn)題，研究了不同橫風(fēng)速度下高速列車通過(guò)擋風(fēng)墻的流固耦合動(dòng)力學(xué)，分析了高速列車通過(guò)擋風(fēng)墻的氣動(dòng)力和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，研究了橫風(fēng)速度對(duì)高速

8、列車通過(guò)擋風(fēng)墻的動(dòng)力學(xué)影響，提出了一類具有緩沖裝置的擋風(fēng)墻，能夠有效地改善高速列車通過(guò)擋風(fēng)墻的安全性和舒適性。針對(duì)具有穩(wěn)定風(fēng)速區(qū)域的線性風(fēng)切變問(wèn)題，提出了一種快速計(jì)算高速列車流固耦合動(dòng)力學(xué)的方法--準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法，基于此方法分析了不同風(fēng)切變環(huán)境下高速列車的動(dòng)力學(xué)性能，結(jié)果表明：相比傳統(tǒng)橫風(fēng)環(huán)境下高速列車的運(yùn)行安全域，風(fēng)切變環(huán)境下高速列車的運(yùn)行安全域變差，環(huán)境風(fēng)下列車的安全域不能僅僅考慮傳統(tǒng)的橫風(fēng)環(huán)境，即風(fēng)切變下高速列車運(yùn)行安全的計(jì)算是非

9、常有必要的。
　　針對(duì)沙塵暴環(huán)境下的高速列車安全性問(wèn)題，提出了一種半耦合求解方法，該方法兼顧了計(jì)算效率和流固耦合效應(yīng)兩個(gè)方面?；诖朔椒ㄑ芯苛瞬煌硥m暴環(huán)境下高速列車的動(dòng)力學(xué)性能，研究結(jié)果表明：列車安全性指標(biāo)均隨著車速的增大而變差，隨著沙塵暴強(qiáng)度的增大而變差；輪軸橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率出現(xiàn)了超過(guò)規(guī)定限值的現(xiàn)象，而輪軌垂向力相對(duì)較難超標(biāo)；在沙塵暴環(huán)境下，當(dāng)列車運(yùn)行速度為350km/h時(shí)，最大允許風(fēng)速僅為9.08m/s；當(dāng)列車運(yùn)