高速铁路桥梁风障设置对列车及主梁气动性能影响研究

论文摘要

目前中国高铁正处于一个快速发展的时期,列车行驶速度越快,侧向风对列车的安全行驶影响也越大。本文借助FLUENT流体力学软件,采用三维数值模拟的方法,研究了高速铁路桥梁风障设置对列车-桥梁气动性能的影响,以确保侧风作用下高速列车运行安全。采用静网格模型计算了各工况下列车-主梁系统的气动系数,分别讨论了桥墩、风障高度、列车在桥上横向位置、风障透风率、风偏角对列车及主梁气动性能的影响。研究结果表明：桥墩对列车的气动系数影响很小,对主梁气动系数的影响是稳定的；列车的气动系数随着风障高度的增大在逐渐减小,主梁的气动系数随着风障高度的增大而增大；列车在桥上横向位置不同时,除侧力系数外迎风侧、上行列车气动系数均大于或接近于背风侧、下行列车气动系数；随着风障透风率的增大,列车气动系数在逐渐增大,主梁的阻力系数减小,升力系数增大,扭矩系数平稳上升；总体而言随着风偏角的增大,列车气动系数也呈增大趋势,除升力系数外主梁阻力系数、扭矩系数也在不断增大。采用动网格模型模拟了列车在桥上的运行状态,分析了风障高度、透风率、风偏角对列车气动系数的影响。研究结果表明：以头车为例列车气动系数随着风障高度的增大而减小,随着透风率和风偏角的增大而增大。以静力轮重减载率为评估标准确定了4m风障高度30%透风率为较合理的风障设置。研究发现主梁的气动系数并不会随着风偏角的变化而变化。根据列车及主梁在不同风偏角下的气动系数,利用VSI程序计算了不同风速下列车的临界车速,并与无风障情况下列车临界车速对比,结果表明设置风障后能明显提高列车运行的临界车速。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 本文研究内容和方法
• 第二章 数值模拟基本原理和方法
• 2.1 流体基本控制方程
• 2.2 FLUENT软件介绍
• 2.2.1 数值模拟方法和分类
• 2.2.2 基于FVM流体力学方程离散方法
• 2.2.3 FVM求解方法
• 2.2.4 FLUENT湍流模型
• 2.3 FLUENT与高性能计算机的对接
• 2.4 动网格计算方法
• 2.4.1 动网格更新方法
• 2.4.2 动网格求解过程
• 2.4.3 动边界实现方法
• 2.5 本章小结
• 第三章 车桥空气动力模型的建立
• 3.1 数学模型
• 3.2 物理模型
• 3.2.1 列车几何模型的建立
• 3.2.2 桥梁几何模型的建立
• 3.3 计算域及边界条件
• 3.3.1 计算区域的确定
• 3.3.2 边界条件的定义
• 3.4 网格的划分
• 3.5 风障的设置及透风率的模拟
• 3.6 气动系数的定义
• 3.7 本章小结
• 第四章 列车静止时风障-主梁-列车系统气动性能研究
• 4.1 桥墩对列车及主梁气动性能的影响
• 4.1.1 主梁未设风障
• 4.1.2 主梁设置风障
• 4.2 风障高度对列车及主梁气动性能的影响
• 4.2.1 主梁设置双侧风障
• 4.2.2 主梁设置单侧风障
• 4.3 列车在桥上横向位置对其自身气动性能的影响
• 4.3.1 主梁设置双侧风障
• 4.3.2 主梁设置单侧风障
• 4.4 风障透风率对列车及主梁气动性能的影响
• 4.5 风偏角对列车及桥梁气动系数的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 列车运行时风障-主梁-列车系统气动性能研究
• 5.1 风障高度对列车气动系数的影响
• 5.2 透风率对列车气动系数的影响
• 5.3 合理化风障选择
• 5.3.1 研究工况
• 5.3.2 静力轮重减载率估算
• 5.4 风偏角对列车气动系数的影响
• 5.5 风偏角对主梁气动系数的影响
• 5.6 动网格与静网格的对比
• 5.7 本章小结
• 第六章 高速列车行车安全性分析
• 6.1 列车运行安全性及平稳性标准
• 6.1.1 脱轨系数
• 6.1.2 倾覆系数
• 6.1.3 轮轨横向力
• 6.1.4 车体加速度
• 6.1.5 Sperling舒适度指标
• 6.2 VSI程序简介
• 6.3 不同风速下列车临界车速的确定
• 6.3.1 15m/s风速下临界车速的确定
• 6.3.2 20m/s风速下临界车速的确定
• 6.3.3 25m/s风速下临界车速的确定
• 6.3.4 30m/s风速下临界车速的确定
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要研究成果