橫風(fēng)大雨對(duì)高速列車?yán)@流的影響.pdf

1、隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)交通運(yùn)輸工具的安全、高速、及運(yùn)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(yùn)行速度比普通速度的鐵路交通有著顯著的提高。在安全運(yùn)行的條件下，其速度可達(dá)400-450km/h。然而，橫風(fēng)、大雨等自然現(xiàn)象會(huì)對(duì)高速列車的安全行駛起到負(fù)面影響。本文旨在通過研究現(xiàn)代化高速運(yùn)載工具，從而對(duì)經(jīng)濟(jì)、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(dòng)力學(xué)特性不僅與其運(yùn)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(yùn)行性能密切相關(guān)。一些學(xué)者研究了橫風(fēng)和大雨對(duì)高速列車氣動(dòng)力的影響，但仍然需要進(jìn)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(duì)高速列車的影響，加深對(duì)這項(xiàng)對(duì)安全至關(guān)重要的因素的認(rèn)識(shí)；分析表面壓強(qiáng)分布及其對(duì)幾何設(shè)計(jì)和運(yùn)行性能的影響；對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)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(jìn)行驗(yàn)證。在此背景下，現(xiàn)有的知識(shí)與研究為進(jìn)一步的研究提供了基礎(chǔ)與依據(jù)。
　　本研究涉及空氣動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)

3、、流體動(dòng)力學(xué)、數(shù)值分析、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和多相流分析的理論與計(jì)算，列車車身繞流考慮了橫向風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析。使用高端臺(tái)式電腦客戶端，數(shù)值模擬計(jì)算軟件使用ANSYS WORKBENCH-FLUENT，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用整合了Autodesk Inventor與Nx7.5的標(biāo)準(zhǔn)CAD平臺(tái)。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(gè)有限元組的選擇是根據(jù)計(jì)算和時(shí)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(fēng)和雨。在研究橫風(fēng)影響時(shí)，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(jì)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(jì)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(jì)算時(shí)間與計(jì)算條件有限，圓柱形計(jì)算域與多面體網(wǎng)格對(duì)本文的數(shù)值模擬最為合適；最大壓強(qiáng)和最小壓強(qiáng)分別分布在車頭和車尾；阻力、升力、側(cè)向力、滾動(dòng)力矩和偏航力矩在橫風(fēng)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(yùn)行是不安全的，其出軌和傾覆的可能性很高；在使用CFD進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，為避免結(jié)果失真，例如出現(xiàn)回流和殘差過大，計(jì)算區(qū)域的大小、松弛因子、