强风雨环境下高速列车气动特性及运行安全研究
发布时间：2022-01-09 01:28
随着高速铁路的迅速发展和运行速度的不断提高,高速列车空气动力学性能和运行安全性日益成为不可忽视的焦点问题。我国幅员辽阔、气候复杂多变,高速列车运行时容易遭遇诸如强风雨等恶劣天气,气动特性和安全性变差。因此,研究强风雨环境下高速列车气动特性及运行安全性具有十分重要的意义。本文开展了降雨环境下的多相流计算,验证了欧拉-拉格朗日方法的准确性,基于此方法研究了列车前端和迎风侧计算区域长度的合理取值;验证了无风和强风下高速列车空气动力学模型的准确性;分别建立了降雨环境和风雨环境下的高速列车空气动力学模型,分析了降雨环境下不同车速、不同降雨强度下的列车气动特性,及风雨环境下不同侧偏角、不同降雨强度和不同合成风速下的列车气动特性,给出了气动载荷系数与侧偏角、降雨强度、合成风速的拟合关系式;建立了高速列车的系统动力学模型,研究了不同降雨强度对高速列车运行安全域的影响。研究结果表明,列车前端和迎风侧计算区域长度应达到雨滴运动水平距离的1.5倍以上;降雨环境下,相对于无雨时,在车速为200 km/h、降雨强度为500 mm/h情况下,头车阻力系数最高增大13.59%,尾车升力系数最高增大12.7%;风雨环...
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
列车简化模型
青岛大学硕士学位论文18逸而终止雨滴运动轨迹的计算；计算区域底面设置为trap捕集边界，认为雨滴在地面处被捕集而终止雨滴运动轨迹的计算。图3.3计算区域和边界条件图3.4为列车表面和附近周围网格。网格划分采用四面体网格，全局最大尺寸为4000mm，列车表面最大尺寸为80mm，拉伸6层边界层。采用标准的k-ε湍流模型计算，此模型计算量适中，适用于初始迭代，具有比较高的精度，在高速列车的空气动力学计算中应用广泛。采用压力求解器求解流动方程，采用SIMPLE（Semi-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquations）算法求解压力与速度的耦合，采用最小二乘单元法和二阶格式分别求解梯度和压力方程，采用二阶迎风格式处理动量、湍流动能和耗散率方程。(a)表面网格(b)周围网格图3.4网格划分3.5.2迎风侧长度首先，取L为400m，也就是总长为700m的计算区域进行计算。图3.5为不同车速和降雨强度下的雨滴轨迹。可以看出，降雨强度为100mm/h时，车速在300km/h、350km/h时，雨滴已经不能完全接触列车；车速在400km/h时，雨滴无法接触列车。车速为400km/h时，降雨强度为900mm/h时的雨滴运动距离小于降雨强度为100mm/h的雨滴运动距离。由此可见，车速越大，雨滴具有越大的水平速度，降雨强度越小，雨滴末速度越小，落地时间越长，水平运动距离越长，也越容易脱离列车从而飞出计算区域。若假设保证雨滴刚好完全接触列车的运动距离为a，a可以表示为
青岛大学硕士学位论文21图3.7风雨环境下的计算区域3.6本章小结本章介绍了高速列车在风雨环境中运行时的数值计算方法。首先介绍了风雨条件的选取依据，并给出描述侧风和雨滴的物理参数；其次通过对比机翼气动升力系数的数值仿真和风洞实验结果，验证模拟雨滴的数值计算方法的准确性和合理性；最后给出高速列车气动载荷系数的计算公式，运用欧拉-拉格朗日方法构建高速列车多相流模型，探索数值模拟降雨和风雨环境时的计算区域大小的合理取值。
【参考文献】：
期刊论文
[1]强降雨环境下高速列车空气动力学性能[J]. 于梦阁,李田,张骞,刘加利. 交通运输工程学报. 2019(05)
[2]Crosswind Stability Evaluation of High-Speed Train Using Different Wind Models[J]. Mengge Yu,Rongchao Jiang,Qian Zhang,Jiye Zhang. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2019(03)
[3]基于Gamma雨滴谱的降雨对高速列车气动特性影响[J]. 孙自豹,杜礼明. 大连交通大学学报. 2018(06)
[4]高速列车转向架区域气动特性及流场规律研究[J]. 蔡华闽,张继业,李田. 机械工程学报. 2018(12)
[5]随机风环境下高速列车运行安全评估研究[J]. 于梦阁,张骞,刘加利,张继业. 机械工程学报. 2018(04)
[6]降雨环境下大气底层边界型风场对高速列车气动特性影响[J]. 杜礼明,倪守隆. 大连交通大学学报. 2016(05)
[7]挟雨风对高速列车气动特性及运行稳定性影响的数值模拟[J]. 岳煜斐,曾秋兰,李振山,卢傅安. 中国沙漠. 2016(04)
[8]二维随机风下高速列车非定常气动载荷研究[J]. 于梦阁,刘大维,张继业,陈焕明. 机械工程学报. 2016(06)
[9]高速列车头型拓扑结构对气动力的作用规律研究[J]. 陈大伟,姚拴宝,郭迪龙,杨国伟. 铁道学报. 2015(02)
[10]横风下高速列车流线型头型多目标气动优化设计[J]. 于梦阁,张继业,张卫华. 机械工程学报. 2014(24)
博士论文
[1]青藏铁路大风监测预警与行车指挥系统研究[D]. 许平.中南大学 2009
硕士论文
[1]风雨耦合作用对高速列车运行安全性影响[D]. 孙自豹.大连交通大学 2018
[2]不同运行环境下高速列车气动性能研究[D]. 王政.西南交通大学 2018
[3]风雨联合作用下大跨钢桁拱桥桥上地铁交通行车安全性研究[D]. 司天文.西南交通大学 2016
[4]风雨与沙尘暴环境下列车运行安全性研究[D]. 倪守隆.大连交通大学 2015
[5]风雨联合对高速运动客车动力作用数值模拟[D]. 李军产.中南大学 2012
[6]高速列车在强侧风及强降雨天气下的气动特性和行车安全[D]. 万军.浙江大学 2012
[7]低层房屋风雨作用效应的数值研究[D]. 吴小平.浙江大学 2008
本文编号：3577669
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
列车简化模型
青岛大学硕士学位论文18逸而终止雨滴运动轨迹的计算；计算区域底面设置为trap捕集边界，认为雨滴在地面处被捕集而终止雨滴运动轨迹的计算。图3.3计算区域和边界条件图3.4为列车表面和附近周围网格。网格划分采用四面体网格，全局最大尺寸为4000mm，列车表面最大尺寸为80mm，拉伸6层边界层。采用标准的k-ε湍流模型计算，此模型计算量适中，适用于初始迭代，具有比较高的精度，在高速列车的空气动力学计算中应用广泛。采用压力求解器求解流动方程，采用SIMPLE（Semi-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquations）算法求解压力与速度的耦合，采用最小二乘单元法和二阶格式分别求解梯度和压力方程，采用二阶迎风格式处理动量、湍流动能和耗散率方程。(a)表面网格(b)周围网格图3.4网格划分3.5.2迎风侧长度首先，取L为400m，也就是总长为700m的计算区域进行计算。图3.5为不同车速和降雨强度下的雨滴轨迹。可以看出，降雨强度为100mm/h时，车速在300km/h、350km/h时，雨滴已经不能完全接触列车；车速在400km/h时，雨滴无法接触列车。车速为400km/h时，降雨强度为900mm/h时的雨滴运动距离小于降雨强度为100mm/h的雨滴运动距离。由此可见，车速越大，雨滴具有越大的水平速度，降雨强度越小，雨滴末速度越小，落地时间越长，水平运动距离越长，也越容易脱离列车从而飞出计算区域。若假设保证雨滴刚好完全接触列车的运动距离为a，a可以表示为
青岛大学硕士学位论文21图3.7风雨环境下的计算区域3.6本章小结本章介绍了高速列车在风雨环境中运行时的数值计算方法。首先介绍了风雨条件的选取依据，并给出描述侧风和雨滴的物理参数；其次通过对比机翼气动升力系数的数值仿真和风洞实验结果，验证模拟雨滴的数值计算方法的准确性和合理性；最后给出高速列车气动载荷系数的计算公式，运用欧拉-拉格朗日方法构建高速列车多相流模型，探索数值模拟降雨和风雨环境时的计算区域大小的合理取值。
【参考文献】：
期刊论文
[1]强降雨环境下高速列车空气动力学性能[J]. 于梦阁,李田,张骞,刘加利. 交通运输工程学报. 2019(05)
[2]Crosswind Stability Evaluation of High-Speed Train Using Different Wind Models[J]. Mengge Yu,Rongchao Jiang,Qian Zhang,Jiye Zhang. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2019(03)
[3]基于Gamma雨滴谱的降雨对高速列车气动特性影响[J]. 孙自豹,杜礼明. 大连交通大学学报. 2018(06)
[4]高速列车转向架区域气动特性及流场规律研究[J]. 蔡华闽,张继业,李田. 机械工程学报. 2018(12)
[5]随机风环境下高速列车运行安全评估研究[J]. 于梦阁,张骞,刘加利,张继业. 机械工程学报. 2018(04)
[6]降雨环境下大气底层边界型风场对高速列车气动特性影响[J]. 杜礼明,倪守隆. 大连交通大学学报. 2016(05)
[7]挟雨风对高速列车气动特性及运行稳定性影响的数值模拟[J]. 岳煜斐,曾秋兰,李振山,卢傅安. 中国沙漠. 2016(04)
[8]二维随机风下高速列车非定常气动载荷研究[J]. 于梦阁,刘大维,张继业,陈焕明. 机械工程学报. 2016(06)
[9]高速列车头型拓扑结构对气动力的作用规律研究[J]. 陈大伟,姚拴宝,郭迪龙,杨国伟. 铁道学报. 2015(02)
[10]横风下高速列车流线型头型多目标气动优化设计[J]. 于梦阁,张继业,张卫华. 机械工程学报. 2014(24)
博士论文
[1]青藏铁路大风监测预警与行车指挥系统研究[D]. 许平.中南大学 2009
硕士论文
[1]风雨耦合作用对高速列车运行安全性影响[D]. 孙自豹.大连交通大学 2018
[2]不同运行环境下高速列车气动性能研究[D]. 王政.西南交通大学 2018
[3]风雨联合作用下大跨钢桁拱桥桥上地铁交通行车安全性研究[D]. 司天文.西南交通大学 2016
[4]风雨与沙尘暴环境下列车运行安全性研究[D]. 倪守隆.大连交通大学 2015
[5]风雨联合对高速运动客车动力作用数值模拟[D]. 李军产.中南大学 2012
[6]高速列车在强侧风及强降雨天气下的气动特性和行车安全[D]. 万军.浙江大学 2012
[7]低层房屋风雨作用效应的数值研究[D]. 吴小平.浙江大学 2008
本文编号：3577669
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