风雨与沙尘暴环境下列车运行安全性研究

发布时间：2017-04-20 13:16

  本文关键词：风雨与沙尘暴环境下列车运行安全性研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：高速列车在横风中运行时,列车的气动特性及运行的安全性指标会发生显著的改变。我国幅员辽阔,高速列车在运行时经常会遇到暴风雨和沙尘暴天气,因此有必要研究高速列车在风雨和沙尘暴天气下运行的气动特性和安全性等问题。本文以国产CRH3高速动车组为研究对象,对其在风雨和沙尘暴环境中运行的气动特性以及运行安全性进行研究。基于三维定常不可压N-S方程和标准k-ε两方程湍流模型,分别采用离散相模型和欧拉双流体多相流模型对高速列车在风雨和沙尘暴环境下运行进行仿真模拟。利用FLUENT软件建立了高速列车空气动力学模型并进行了气动性能仿真计算,分析了列车周围的流场及动力特性。基于计算多体动力学的理论,利用SIMPACK建立了高速列车的系统多体动力学模型,将高速列车在风雨和沙尘暴环境中运行得到的气动载荷加载到高速列车系统动力学计算模型中,研究了在风雨和沙尘暴环境下高速列车的运行安全性,根据有关高速列车车辆动力学的规范,确定了列车运行的安全域。研究结果表明,在风雨环境中,降雨强度对高速列车的气动特性影响不大,列车气动载荷随降雨强度略有增大。相比无降雨工况,降雨工况下列车表面压力、气动载荷等气动特性都会变大。在沙尘暴环境中,与无沙尘情况相比,列车表面压力和气动载荷明显增大。随着沙尘浓度的增大,气动载荷有增大的趋势,但增幅较小。经过对高速列车在风雨和沙尘暴环境中运行安全指标分析,得到了列车运行的安全车速。降雨强度60mm/h条件下,当横风速度小于12m/s时,列车可以在400km/h及以下的速度安全运行;当列车运行速度小于230km/h时,列车可以在速度30m/s及以下的横风中安全行驶。在强沙尘暴环境下,当横风速度小于13m/s时,列车可以在400km/h及以下的速度安全运行;当列车运行速度小于220km/h时,列车可以在速度30m/s及以下的横风中安全行驶。根据轮重减载率设定的列车安全运行速度最为保守,而根据轮轨垂向力设定的临界速度值最大,列车运行易发生危险。本文的研究结论可以对高速列车在风雨、沙尘暴等恶劣天气下的安全运行提供一定的参考依据。
【关键词】：高速列车 降雨 沙尘暴 气动特性 安全域
【学位授予单位】：大连交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U270.1;U298.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-16
• 1.1 研究背景11
• 1.2 研究意义11-12
• 1.3 研究现状12-14
• 1.3.1 单一空气相研究现状12-13
• 1.3.2 风雨两相流研究现状13-14
• 1.3.3 风沙两相流研究现状14
• 1.4 研究内容和方法14-16
• 1.4.1 研究内容14-15
• 1.4.2 研究方法15-16
• 第二章 列车空气动力学数值方法16-22
• 2.1 计算流体力学基本理论16-19
• 2.1.1 流体力学基本控制方程16-17
• 2.1.2 湍流模型17-19
• 2.2 多相流模型19-21
• 2.2.1 欧拉-欧拉（Euler-Euler）方法19-20
• 2.2.2 欧拉-拉格朗日（Euler-Lagrange）方法20-21
• 本章小结21-22
• 第三章 风雨天气下列车运行气动特性研究22-53
• 3.1 列车动力学数值计算模型22-27
• 3.1.1 数学模型22
• 3.1.2 列车几何模型22-23
• 3.1.3 计算域的建立及网格划分23-25
• 3.1.4 边界条件设置25-26
• 3.1.5 求解方法和计算工况26-27
• 3.2 降雨对列车运行的影响27-36
• 3.2.1 计算方法适用性验证27-28
• 3.2.2 降雨参数的设置28-29
• 3.2.3 降雨工况列车表面压力及外流场特性研究29-33
• 3.2.4 列车速度对列车气动特性的影响33-35
• 3.2.5 降雨强度对列车动力特性的影响35-36
• 3.3 降雨天气下横风风场对列车气动特性的影响36-43
• 3.3.1 均匀风场和大气底层边界速度型风场36-37
• 3.3.2 两种风场中列车气动特性的对比分析37-43
• 3.4 风雨环境下列车动力特性的研究43-52
• 3.4.1 列车速度对列车动力特性的影响43-48
• 3.4.2 横风速度对列车动力特性的影响48-52
• 本章小结52-53
• 第四章 沙尘暴天气下列车运行气动特性研究53-69
• 4.1 列车数值计算模型53-56
• 4.1.1 计算域的建立及网格划分53-54
• 4.1.2 边界条件设置54-55
• 4.1.3 求解方法和计算工况55-56
• 4.2 沙尘天气下列车表面压力及周围流场特性56-60
• 4.2.1 沙尘暴计算参数56
• 4.2.2 沙尘暴天气下列车表面压力分布56-60
• 4.3 沙尘浓度对列车运行气动特性的影响60-63
• 4.3.1 沙尘浓度对列车表面压力的影响60-62
• 4.3.2 沙尘浓度对列车动力特性的影响62-63
• 4.4 列车速度对列车动力特性的影响63-65
• 4.5 横风速度对列车动力特性的影响65-68
• 本章小结68-69
• 第五章 风雨和沙尘暴天气下列车运行安全性研究69-85
• 5.1 列车多体动力学模型的建立69-75
• 5.1.1 列车多体动力学模型的建立69-70
• 5.1.2 轮轨接触几何关系70-71
• 5.1.3 轨道不平顺71-72
• 5.1.4 气动载荷的施加72-75
• 5.2 列车运行安全性指标75-82
• 5.2.1 脱轨系数75-77
• 5.2.2 轮重减载率77-79
• 5.2.3 轮轴横向力79-81
• 5.2.4 轮轨垂向力81-82
• 5.3 风雨和沙尘暴天气下列车运行的安全域82-84
• 5.3.1 风雨天气下列车运行安全性研究82-83
• 5.3.2 沙尘暴天气下列车运行安全性研究83-84
• 本章小结84-85
• 结论与展望85-87
• 主要研究结论85-86
• 研究展望86-87
• 参考文献87-90
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文90-91
• 致谢91-92

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 马卫华;罗世辉;宋荣荣;;横风对高速动车组直线运行动力学性能的影响[J];重庆工学院学报(自然科学版);2009年03期

2 马梦林;邓海;王东屏;兆文忠;;高速列车头部气动性能的模拟计算与试验[J];大连交通大学学报;2012年01期

3 吴正;;中国沙漠与治理研究50年[J];干旱区研究;2009年01期

4 何艺峰;刘春雨;王志强;张永浩;刘艳;;跃移层风沙输运数值模拟[J];环境科学与技术;2012年S1期

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6 于梦阁;张继业;张卫华;;随机风作用下高速列车动力学参数的可靠性优化设计[J];动力学与控制学报;2014年04期

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本文编号：318758