350km/h高速动车组空气动力学仿真研究

论文摘要

随着铁路运输高速化,与速度紧密相关的空气动力学现象日渐引起人们关注,各国在推进铁路高速化的过程中,都将空气动力学问题作为关键内容之一进行研究。本文依托联调联试和科学试验的试验数据,根据压力波在隧道内的传播和叠加规律,对隧道压力波中的最大负压出现位置和临界隧道长度问题,进行了理论和试验研究,提出了其理论计算方法,并用实车试验数据进行了验证。本文使用大型商业流体软件Star-ccm+,就CRH3C型动车组数学模型的明线运行工况,完成了动车组外部流场分布和气动阻力等的仿真研究。此外,还使用网格划分工具ICEM和通用流体软件FLUENT的动网格技术,建立了动车组明线交会、隧道通过和隧道交会的数学模型,并对这几种工况的压力波问题及流场进行了三维仿真研究。明线流场仿真得到了三辆车编组的动车组外部流场特征和阻力大小分布。明线交会仿真结果表明:交会侧的压力波幅值远大于非交会侧,交会压力波的最大值、最小值和变化幅值在等截面上随着动车组的纵向均匀分布,并随着速度的提高而增大,随着线间距的增加而减小。隧道通过仿真得到了车体表面压力变化幅值随动车组纵向的分布规律及其流场,隧道内交会仿真得到了车体表面的压力变化及流场。本文提出的最大负压出现位置和临界隧道长度快速计算方法可为隧道设计参数的确定和试验隧道的选取提供依据。在仿真方面的初步工作为高速动车组空气动力学的研究提供了另一种手段。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号说明
• 第1章 引言
• 1.1 高速动车组空气动力学问题
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 模型试验
• 1.2.2 数值模拟
• 1.2.3 实车试验
• 1.3 本文研究内容及方法
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究方法
• 第2章 临界隧长与最大负压出现位置的快速算法
• 2.1 压力波在隧道内的传播与叠加规律
• 2.2 舒适度临界隧道长度
• 2.2.1 试验研究
• 2.2.2 理论研究
• 2.3 动车组隧道通过时车外出现最大负压的位置
• 2.3.1 理论研究
• 2.3.2 试验验证
• 2.3.3 减小最大负压的措施
• 2.4 临界隧长与最大负压出现位置快速算法小结
• 第3章 控制方程与数值计算方法
• 3.1 基本控制方程
• 3.2 数值求解方法
• 3.3 湍流模拟
• 3.4 初始条件
• 3.5 边界条件
• 3.5.1 无滑移边界条件
• 3.5.2 压力远场边界条件
• 3.5.3 壁面的处理
• 3.6 控制方程与数值计算方法小结
• 第4章 明线运行的流场与动车组表面压力分布仿真
• 4.1 数学模型的建立
• 4.1.1 动车组几何模型及其简化原则
• 4.1.2 计算区域的确定
• 4.1.3 明线运行边界条件
• 4.2 计算方法及网格划分
• 4.3 计算结果
• 4.3.1 流场分布
• 4.3.2 气动阻力系数分布
• 4.4 动车组明线运行计算小结
• 第5章 明线交会压力波及流场数值仿真
• 5.1 计算技术
• 5.2 数学模型及计算网格
• 5.2.1 动车组几何模型及其简化原则
• 5.2.2 计算区域的确定
• 5.2.3 边界条件
• 5.2.4 网格划分
• 5.3 压力监控点的设置
• 5.4 计算工况
• 5.5 动车组明线交会计算结果与分析
• 5.5.1 各监控点压力变化曲线
• 5.5.2 交会压力波随动车组纵向的变化规律
• 5.5.3 交会压力波与车速的关系
• 5.5.4 交会压力波与线间距的关系
• 5.6 交会典型时刻的压力云图
• 5.7 仿真计算与试验结果的比较
• 5.8 动车组明线交会压力波及流场计算小结
• 第6章 隧道通过压力波及流场数值仿真
• 6.1 数学模型及计算网格
• 6.1.1 动车组和隧道几何模型及其简化原则
• 6.1.2 计算区域的确定
• 6.1.3 边界条件
• 6.1.4 网格划分
• 6.2 压力监控点的设置
• 6.3 计算工况
• 6.4 各监控点压力变化曲线结果与分析
• 6.5 压力波随纵向变化规律
• 6.6 压力波曲线与实车试验数据的对比
• 6.7 典型时刻的压力云图
• 6.8 动车组隧道通过压力波及流场计算小结
• 第7章 隧道内交会压力波及流场数值仿真
• 7.1 数学模型及计算网格
• 7.1.1 动车组和隧道几何模型及其简化原则
• 7.1.2 计算区域的确定
• 7.1.3 边界条件
• 7.1.4 网格划分
• 7.2 压力监控点的设置
• 7.3 计算工况
• 7.4 各监控点压力变化曲线结果与分析
• 7.5 压力波曲线与实车试验数据的对比
• 7.6 典型时刻的压力云图
• 7.7 动车组隧道内交会压力波及流场计算小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 详细摘要