高速列车隧道会车空气阻力数值模拟研究
发布时间：2021-08-08 06:03
建立计算流体力学三维数值仿真模型,采用三维可压缩非定常湍流模型,利用重叠网格方法对高速列车隧道内等速交会过程进行动态数值模拟,分析会车过程中列车所受空气阻力的形成机理及分布特性。计算结果表明:隧道交会过程中,压差阻力对列车空气阻力的变化起主导作用,隧道交会对阻力峰值及峰峰值的影响比隧道单车大得多;列车隧道内交会时最大空气阻力是明线时的2.65倍,对应时刻的压差阻力和摩擦阻力分别为明线时的3.35倍、1.36倍;在交会完成前,头车表现为产生与速度方向相同的"推力",并呈现先增大后减小的趋势;尾车阻力最大,也呈现先增大后减小的趋势。
【文章来源】：应用力学学报. 2020,37(03)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
模型(trainheadmodel)(d)转向架模型(bogiemodel)图1列车模型Fig.1Trainmodel(b)列车头部
1100应用力学学报第37卷2数值模拟计算2.1数学模型1)两列车隧道外启动，以350km/h匀速进入隧道，在隧道中间等速交会。交会过程中，高速列车在隧道内引起的空气流动十分复杂，流场雷诺数Re大于1×106，流动处于湍流状态。2)采用k-ωSST两方程模型解决隧道内列车交会时的湍流问题。本文通过求解三维瞬态可压缩的雷诺时均N-S方程和k-ωSST两方程[13]湍流模型，来求解列车交会时的气动力变化。3)计算中列车为真实列车模型，隧道内保留轨道，认为隧道内线路为直线，不考虑隧道的坡度、竖井等结构。(a)列车模型(trainmodel)(b)列车头部模型(trainheadmodel)(c)受电弓模型(pantographmodel)(d)转向架模型(bogiemodel)图1列车模型Fig.1Trainmodel2.2计算模型2.2.1列车模型以国内某最新型8编动车组为研究对象，为真实反映列车隧道内交会的空气流场变化，保留了列车受电弓、转向架、风挡结构，采用8编组，1∶1模型。图1示出了列车外形及零部件几何尺寸。特征尺寸H=4.05m为轨面到车顶平面的高度差，车体长度为L=51.6H。2.2.2计算区域及边界条件两列车在隧道外以350km/h的速度匀速驶入隧道交会，隧道模型采用净空面积100m2、线间距5.0m的复线隧道，隧道长度为800m。图2给出了动车组单车通过隧道的计算区域。以特征尺寸H为基准，隧道长度约为198H，计算区域长度为136H，高度为48H，宽度为96H，车头到隧道端口的距离为59H。图2计算区域Fig.2Calculationarea图3表示该计算模型的边界条
1列车模型Fig.1Trainmodel2.2计算模型2.2.1列车模型以国内某最新型8编动车组为研究对象，为真实反映列车隧道内交会的空气流场变化，保留了列车受电弓、转向架、风挡结构，采用8编组，1∶1模型。图1示出了列车外形及零部件几何尺寸。特征尺寸H=4.05m为轨面到车顶平面的高度差，车体长度为L=51.6H。2.2.2计算区域及边界条件两列车在隧道外以350km/h的速度匀速驶入隧道交会，隧道模型采用净空面积100m2、线间距5.0m的复线隧道，隧道长度为800m。图2给出了动车组单车通过隧道的计算区域。以特征尺寸H为基准，隧道长度约为198H，计算区域长度为136H，高度为48H，宽度为96H，车头到隧道端口的距离为59H。图2计算区域Fig.2Calculationarea图3表示该计算模型的边界条件。隧道两端的计算区域开阔空间设置为自由流边界，列车、路基、隧道及两侧表面为无滑移固体壁面。图3边界条件Fig.3Boundaryconditions隧道两端的计算区域开阔空间湍流量设置为零，即该处空气流动不受列车运行时的扰动影响。为了保证数字模拟计算的准确性，流场的远场压力采用一个标准大气压101.325kPa，温度为283K。2.3网格划分车体各部件周围流场变化剧烈，车体处网格加密400mm，转向架、钢轨设置200mm加密，受电弓设置100mm加密，对列车头尾部设置400mm、200mm、100mm三层过度加密区域。车体外表面设置8层边界层拉伸以精确计算摩擦阻力，壁面边界层参数y+取50，近壁面第一层网格取0.582mm。钢轨和轮对接触区域采用zero-gap技术。模型网格总规模约4600万，为棱柱层
【参考文献】：
期刊论文
[1]明线会车、隧道会车及过隧道时的高速列车动力响应[J]. 张敏,吴晗,赖姜,曾晓辉,孙振旭. 力学与实践. 2018(05)
[2]CRH380A高速列车会车气动作用力比较[J]. 于润之,李人宪. 机械工程与自动化. 2017(06)
[3]重叠网格法应用于模拟高速列车隧道气动效应[J]. 王慕之,梅元贵,贾永兴. 应用力学学报. 2017(03)
[4]风挡缝宽对高速列车气动性能的影响[J]. 张业,孙振旭,郭迪龙,杨国伟,尚克明. 铁道学报. 2017(03)
[5]高速列车隧道会车时气动载荷的研究[J]. 刘小燕,陈春俊,何洪阳. 机械设计与制造. 2014(11)
[6]高速列车空气动力学研究技术综述[J]. 肖京平,黄志祥,陈立. 力学与实践. 2013(02)
[7]隧道空气动力学实车试验研究[J]. 刘堂红,田红旗,金学松. 空气动力学学报. 2008(01)
[8]客运专线隧道空气动力学实车测试技术的研究与应用[J]. 韩锟,田红旗. 中南大学学报(自然科学版). 2007(02)
[9]动力车纵向气动力风洞试验及数值模拟[J]. 梁习锋,田红旗,邹建军. 国防科技大学学报. 2003(06)
本文编号：3329377
【文章来源】：应用力学学报. 2020,37(03)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
模型(trainheadmodel)(d)转向架模型(bogiemodel)图1列车模型Fig.1Trainmodel(b)列车头部
1100应用力学学报第37卷2数值模拟计算2.1数学模型1)两列车隧道外启动，以350km/h匀速进入隧道，在隧道中间等速交会。交会过程中，高速列车在隧道内引起的空气流动十分复杂，流场雷诺数Re大于1×106，流动处于湍流状态。2)采用k-ωSST两方程模型解决隧道内列车交会时的湍流问题。本文通过求解三维瞬态可压缩的雷诺时均N-S方程和k-ωSST两方程[13]湍流模型，来求解列车交会时的气动力变化。3)计算中列车为真实列车模型，隧道内保留轨道，认为隧道内线路为直线，不考虑隧道的坡度、竖井等结构。(a)列车模型(trainmodel)(b)列车头部模型(trainheadmodel)(c)受电弓模型(pantographmodel)(d)转向架模型(bogiemodel)图1列车模型Fig.1Trainmodel2.2计算模型2.2.1列车模型以国内某最新型8编动车组为研究对象，为真实反映列车隧道内交会的空气流场变化，保留了列车受电弓、转向架、风挡结构，采用8编组，1∶1模型。图1示出了列车外形及零部件几何尺寸。特征尺寸H=4.05m为轨面到车顶平面的高度差，车体长度为L=51.6H。2.2.2计算区域及边界条件两列车在隧道外以350km/h的速度匀速驶入隧道交会，隧道模型采用净空面积100m2、线间距5.0m的复线隧道，隧道长度为800m。图2给出了动车组单车通过隧道的计算区域。以特征尺寸H为基准，隧道长度约为198H，计算区域长度为136H，高度为48H，宽度为96H，车头到隧道端口的距离为59H。图2计算区域Fig.2Calculationarea图3表示该计算模型的边界条
1列车模型Fig.1Trainmodel2.2计算模型2.2.1列车模型以国内某最新型8编动车组为研究对象，为真实反映列车隧道内交会的空气流场变化，保留了列车受电弓、转向架、风挡结构，采用8编组，1∶1模型。图1示出了列车外形及零部件几何尺寸。特征尺寸H=4.05m为轨面到车顶平面的高度差，车体长度为L=51.6H。2.2.2计算区域及边界条件两列车在隧道外以350km/h的速度匀速驶入隧道交会，隧道模型采用净空面积100m2、线间距5.0m的复线隧道，隧道长度为800m。图2给出了动车组单车通过隧道的计算区域。以特征尺寸H为基准，隧道长度约为198H，计算区域长度为136H，高度为48H，宽度为96H，车头到隧道端口的距离为59H。图2计算区域Fig.2Calculationarea图3表示该计算模型的边界条件。隧道两端的计算区域开阔空间设置为自由流边界，列车、路基、隧道及两侧表面为无滑移固体壁面。图3边界条件Fig.3Boundaryconditions隧道两端的计算区域开阔空间湍流量设置为零，即该处空气流动不受列车运行时的扰动影响。为了保证数字模拟计算的准确性，流场的远场压力采用一个标准大气压101.325kPa，温度为283K。2.3网格划分车体各部件周围流场变化剧烈，车体处网格加密400mm，转向架、钢轨设置200mm加密，受电弓设置100mm加密，对列车头尾部设置400mm、200mm、100mm三层过度加密区域。车体外表面设置8层边界层拉伸以精确计算摩擦阻力，壁面边界层参数y+取50，近壁面第一层网格取0.582mm。钢轨和轮对接触区域采用zero-gap技术。模型网格总规模约4600万，为棱柱层
【参考文献】：
期刊论文
[1]明线会车、隧道会车及过隧道时的高速列车动力响应[J]. 张敏,吴晗,赖姜,曾晓辉,孙振旭. 力学与实践. 2018(05)
[2]CRH380A高速列车会车气动作用力比较[J]. 于润之,李人宪. 机械工程与自动化. 2017(06)
[3]重叠网格法应用于模拟高速列车隧道气动效应[J]. 王慕之,梅元贵,贾永兴. 应用力学学报. 2017(03)
[4]风挡缝宽对高速列车气动性能的影响[J]. 张业,孙振旭,郭迪龙,杨国伟,尚克明. 铁道学报. 2017(03)
[5]高速列车隧道会车时气动载荷的研究[J]. 刘小燕,陈春俊,何洪阳. 机械设计与制造. 2014(11)
[6]高速列车空气动力学研究技术综述[J]. 肖京平,黄志祥,陈立. 力学与实践. 2013(02)
[7]隧道空气动力学实车试验研究[J]. 刘堂红,田红旗,金学松. 空气动力学学报. 2008(01)
[8]客运专线隧道空气动力学实车测试技术的研究与应用[J]. 韩锟,田红旗. 中南大学学报(自然科学版). 2007(02)
[9]动力车纵向气动力风洞试验及数值模拟[J]. 梁习锋,田红旗,邹建军. 国防科技大学学报. 2003(06)
本文编号：3329377
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