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高速列车的横风效应及动力学性能研究

作　者: 马小云
导　师: 毛军
学　校: 北京交通大学
专　业: 流体力学
关键词: 复线路堤高速列车横风空气动力学车辆轨道动力学数值模拟
分类号: U270.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

高速运行的列车在遇到横风时,其空气动力学性能和运行稳定性将发生显著改变,列车产生倾覆或脱轨的危险性大大增加。因此,需要深入研究高速列车的横风效应问题,以便为采取有效方法保证高速列车的运行安全及提高列车运行的平稳性提供依据。本文以CRH型高速列车的真实原型为研究对象,对其空气动力学特性和运行稳定性进行了分析。针对复线路堤和平地两种线路条件,基于三维、定常、不可压Navier-Stokes方程以及k-ε两方程湍流模型,利用CFD软件STAR-CCM+,对高速列车受到横风作用时的气动特性及外部流场进行了数值模拟计算。分析了高速列车在路堤的远风侧和近风侧轨道上以不同车速在横风中运行时的表面压力分布、外流场压力分布和速度场分布,以及各气动作用力系数随车速和风速变化的规律,指出了列车在远风侧和近风侧工况下气动特性的不同。并且,对列车在复线路堤和平地两种线路上运行的横风效应进行了对比分析,掌握了两者规律的异同。同时,将使用STAR-CCM+软件计算所得到的列车横风气动作用力加载到列车上,结合车辆轨道动力学,基于Kalker非线性滚动轮轨接触理论和京津线轨道谱,应用多体动力学仿真软件SIMPACK建立了CRH型高速列车的车辆轨道多体动力学模型。通过仿真计算,得到了列车在不同运行速度和横风风速下的脱轨系数、减载率、轮轨横向力和轮轨垂向力等动力学性能参数,并根据有关高速列车车辆轨道动力学的规范对列车在不同车速和风速下的运行稳定性进行了分析和评估,探讨了列车在横风作用下的安全限速问题。本文工作对CRH型高速列车在复线路堤上运行的空气动力学问题和稳定性问题的研究有一定借鉴作用,对高速铁路的防风安全工程和列车安全运行控制有一定的参考价值。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-7
ABSTRACT  7-11
第1章绪论  11-21
  1.1 选题背景与意义  11-14
    1.1.1 课题来源  11
    1.1.2 选题背景  11-12
    1.1.3 选题意义  12-14
  1.2 国内外现状  14-19
    1.2.1 国外研究现状  14-15
    1.2.2 国内研究现状  15-19
  1.3 本文主要内容  19
  1.4 本文章节划分  19-21
第2章高速列车横风效应的模型与数值模拟方法  21-37
  2.1 高速列车横风效应气动性能参数  21-24
    2.1.1 气动作用力与作用力系数  21-23
    2.1.2 气动作用力矩与力矩系数  23-24
  2.2 计算流体动力学基本理论  24-37
    2.2.1 流体动力学控制方程  25-28
    2.2.2 湍流模型  28-33
    2.2.3 CFD常用数值计算方法  33-36
    2.2.4 本章小结  36-37
第3章复线路堤上高速列车的横风气动特性分析  37-93
  3.1 高速列车横风效应数值模拟模型  37-46
    3.1.1 数学物理模型  37-38
    3.1.2 几何模型  38-40
    3.1.3 计算域、网格及边界条件  40-44
    3.1.4 Star-ccm+软件简介  44-46
    3.1.5 本章计算工况  46
  3.2 压力分布规律  46-66
    3.2.1 列车压力总体分布规律  46-50
    3.2.2 远、近风侧工况的列车表面压力变化规律  50-58
    3.2.3 远、近风侧工况的列车表面压力对比  58-60
    3.2.4 远、近风侧工况的列车周围场压力变化规律  60-66
  3.3 高速列车外流速度场特性分析  66-77
    3.3.1 远、近风侧工况的列车外流速度场特性  68-72
    3.3.2 远、近风侧工况的列车周围速度矢量场  72-75
    3.3.3 远、近风侧工况的列车外流速度场对比  75-77
  3.4 高速列车气动作用系数的变化规律  77-91
    3.4.1 近风侧工况车速、风速对气动作用系数的影响  77-83
    3.4.2 远风侧工况车速、风速对气动作用系数的影响  83-87
    3.4.3 远、近风侧工况的列车气动作用系数对比  87-89
    3.4.4 列车在横风作用下的气动荷载  89-91
  3.5 本章小结  91-93
第4章路堤与平地条件下高速列车横风效应的对比分析  93-105
  4.1 计算域和网格划分  93-95
    4.1.1 计算域  93-94
    4.1.2 网格划分  94-95
  4.2 压力分布规律对比  95-99
    4.2.1 列车表面压力分布规律  95-97
    4.2.2 列车周围场压力分布规律  97-99
  4.3 列车外流速度场对比  99-101
  4.4 列车气动作用系数变化规律对比  101-103
  4.5 本章小结  103-105
第5章高速列车的车辆轨道动力学性能分析  105-127
  5.1 车辆轨道动力学性能参数  105-107
    5.1.1 车辆抗脱轨评判标准  105-106
    5.1.2 车辆与轨道动态作用性能评价标准  106-107
  5.2 多体动力学的基本原理与仿真软件  107-111
    5.2.1 多体动力学基本原理  107-108
    5.2.2 Simpack多体动力学仿真软件  108-111
  5.3 车辆轨道动力学建模过程  111-121
    5.3.1 车辆与轨道基本参数  111-113
    5.3.2 轮轨接触模型建模  113-114
    5.3.3 轨道谱的选择  114-119
    5.3.4 横风效应气动力加载  119-121
  5.4 车辆轨道动力学仿真结果及列车速度限值分析  121-125
    5.4.1 车辆轨道动力学性能参数仿真计算结果  121-124
    5.4.2 横风作用下高速列车的安全运行速度  124-125
  5.5 本章小结  125-127
第6章结论及展望  127-129
  6.1 本文结论  127
  6.2 展望  127-129
参考文献  129-133
作者简历  133-137
学位论文数据集  137

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