高速列车进入隧道空气动力学模型实验分析

高速列车在进出隧道时,会产生一系列气动效应,引起噪声及车厢内压力变化,对乘客及环境造成损害.实验测试和数值模拟是研究这一问题的有效方法.本文利用这两种方法对高速列车在进入隧道过程中,压力的变化情况进行了计算和测试.从得到的结果可以看出,它们能够起到相互补充,互相印证的目的.通过对结果的分析,也得出压力波产生、变化的一些规律.     

高速列车隧道进口波基本特性数值研究

采用有限体积方法和任意滑移界面动网格技术的CFD方法,对CRH380A高速列车和我国隧道条件下进口波基本特性进行了数值模拟研究。采用PISO算法和SSTk-ω高雷诺数湍流模型求解高速列车通过隧道引起的三维可压缩非定常的空气湍流流动。为避免数值计算产生不合理的物理现象,应用了光滑启动技术。通过与日本有关试验数据和数值模拟结果的对比研究,验证了本文数值方法的正确性。在此基础上,以CRH380A高速列车为例,分析了高速列车引起近场和远场的压力波动特性及其与进口波的区别,得出了进口波具有朝向列车前进方向的指向性,归纳出其幅值与列车速度的三次方成正比的关系。频谱分析表明隧道进口波的主频小于7Hz,频谱幅值和声压级离隧道端口越远则越小,高速列车头尾部流线型较好时进口波对外部环境的影响较小。     

高速列车隧道进口波基本特性数值研究北大核心CSCD

采用有限体积方法和任意滑移界面动网格技术的CFD方法,对CRH380A高速列车和我国隧道条件下进口波基本特性进行了数值模拟研究。采用PISO算法和SSTk-ω高雷诺数湍流模型求解高速列车通过隧道引起的三维可压缩非定常的空气湍流流动。为避免数值计算产生不合理的物理现象,应用了光滑启动技术。通过与日本有关试验数据和数值模拟结果的对比研究,验证了本文数值方法的正确性。在此基础上,以CRH380A高速列车为例,分析了高速列车引起近场和远场的压力波动特性及其与进口波的区别,得出了进口波具有朝向列车前进方向的指向性,归纳出其幅值与列车速度的三次方成正比的关系。频谱分析表明隧道进口波的主频小于7Hz,频谱幅值和声压级离隧道端口越远则越小,高速列车头尾部流线型较好时进口波对外部环境的影响较小。     

高速列车压力舒适性环境特征的实车试验研究

列车高速通过隧道过程中诱发了隧道内剧烈的压力波动,同时也引发了乘务人员和旅客的耳部不适感,由此产生了高速列车车内压力舒适性环境的问题。本文采用线路实车试验方法,获得了特定线路下350 km/h中国标准动车组通过隧道时车内外压力变化特征。以车内每1s、3s、10s和60s内最大压力变化量作为描述压力舒适性环境的参数变量,对其时间历程特征进行研究,开展了线路坡度、隧道长度、列车速度和"隧道群"对车内压力舒适性环境影响特征分析,并探讨了整车气密效率与车内人员耳部不适性的关系。研究结果为进一步认识高速列车压力舒适性环境及其设计与控制方法的研究提供了较好基础。     

跨距与运动约束的隧道内列车惯性导航方法

高速列车通过隧道时无法接收卫星信号,而仅依靠惯性导航的定位误差增长较快,针对这一问题提出了一种利用列车和隧道特点辅助惯性导航的方法。该方法使用GNSS和运动约束估计IMU相对于车体的安装角,并在隧道内使用运动约束和路标跨距约束提高列车的定位精度。基于状态变换卡尔曼滤波设计了系统方程和观测方程,与传统方法相比,系统方程更接近线性定常系统,滤波时间更新方程与测量修正方程可采用相同的计算频率,减小实时计算负担,有利于高速运动下的组合导航。基于实际的高速列车行驶实验,设计了列车穿越隧道的仿真实验,实验结果表明,两种约束辅助的惯性导航在隧道内的定位精度有明显提高,优于3‰行程。     

利用均匀抽吸地板进行高速列车模型地板边界层影响的试…

在ＫＤ－０３低速风洞中研制了一种边界层可人为的均匀抽吸地板，研究了在各种来流速度下均匀抽吸地板上边界层与抽吸系数的关系。在该地板上对高速列车模型气动力与地板边界层的关系进行了实验研究。对实验的几种模型状态，边界层吸附使列车模型所受阻力、负向升力和低头力矩均明显增加，其增量与模型底部形状有关；在有侧滑角时，边界层吸附对模型气动力的六个分量均有影响。在没有边界层控制的固定地板上进行高速列车模型风洞实验     

叶栅相似变换准则的实验研究

本文叙述为验证叶栅相似变换准则所进行的低速风洞实验研究,对应NACA6 5 (12)10和DCA叶栅的高速试验,分别测量了其低速相似叶栅的叶片表面压力分布。由于实验条件的不同,本文从相对差别这一角度验证了文献 [1]中所推得的相似变换准则的正确性。实验结果表明:实际的低速叶栅和高速叶栅具有同无粘设计所得到的同一量级的相似精度,因而只需提高设计相似精度便可提高实际模型的相似精度。      

高速地铁通过隧道车外压力波研究

地铁列车通过隧道时产生的压力波会对列车运行的安全性、乘客乘坐的舒适性等产生不良影响.为了研究地铁列车在隧道内运行时车外压力波动变化规律,本文基于三维可压缩非定常Navier-Stokes方程对地铁列车由明线驶入隧道产生的隧道压力波进行了数值模拟,归纳了列车速度、隧道断面积、列车编组长度、隧道长度及入口缓冲结构对列车不同...     

高速铁路隧道初始压缩波一维流动模型的数值分析方法

基于隧道内空气流通截面是时间和距离的二元函数条件与一维流动理论,提出了高速列车驶入设有缓冲结构隧道端口时产生初始压缩波的数值分析方法。一维流动理论采用考虑摩擦、传热以及空气质交换等因素的一维可压缩非定常不等熵流动模型。数值分析方法采用广义黎曼变量特征线法。与国外有关未设缓冲结构、开孔型与未开孔型缓冲结构的隧道端口三种情况的现车试验结果进行了比较,表明本文所建方法正确、合理,能够模拟计算多种类型缓冲结构条件下的压缩波波动规律。     

隧道空气动力学实车试验研究

为了指导既有线200km/h提速技术改造,为第六次大提速的顺利实施提供经验.2005年5月至6月在遂渝线的太和至北碚北路段进行了200km/h提速综合试验,隧道空气动力学是其中的重要测试内容之一.利用地面和车载测试系统,对列车车体表面、车厢内部、隧道壁面空气压力变化、隧道内列车风、隧道口微气压波和隧道壁面振动加速度等参数进行测试.测试结果表明:测点压力变化幅值与列车运行速度的1.7～2.4次方成正比,具体取值与车型和测点位置有关;隧道内列车风风速与列车运行速度成线性关系;隧道口微气压波幅值近似与列车运行速度的三次方成正比、与测点距隧道口距离成反比.列车以200km/h速度过隧道时,车厢内3s最大压力变化幅值为1875Pa,车厢内43%的人有明显耳痛感,显然英国标准(3000Pa/3s)过于宽松;200km/h速度下引起的列车风风速为14.8m/s,超过了人体安全风速值(14m/s),建议列车运行期间,不进行隧道作业.     

高速列车突入隧道与缓冲结构时的数值模拟

对高速列车突入单线隧道-缓冲结构物体系的空气动力学进行了研究，采用有限体积法进行区域离散，控制方程为三维粘性、可压缩、不等熵、非定常流的Navier-Stokes方程，并引进了两种形状的缓冲结构物以了解在隧道入口压缩波前的形成。模拟结果表明，缓冲结构物能有效地降低压力波和微气压波前的压力梯度。     

国内高速列车气动噪声研究进展概述

随着运行速度的提升,气动噪声逐渐成为高速列车最主要的噪声源,并极有可能成为新设计高速列车的一个技术瓶颈。开展高速列车气动噪声研究,明晰高速列车气动噪声机理与规律,发展低噪声高速列车外形设计对更高速度级的高速列车研发具有重要意义。本文主要对自2010年以来国内进行的高速列车气动噪声研究进行梳理总结。首先详细介绍了高速列车气动噪声研究采用的一系列方法,主要从实车试验、风洞实验以及数值模拟方法三个方面展开。在掌握高速列车气动噪声研究方法的基础上,进而探讨了当前高速列车气动噪声研究的现状,重点就高速列车气动噪声源识别、主要噪声源机理与特性、噪声源优化等方向进行了阐述,并明确了当前研究获得的一些主要结论。最后简要探讨了高速列车气动噪声未来可能的研究方向。     

沟槽微结构尺寸对高速列车横风特性影响研究

随着列车运行速度的不断提升,气动效应对列车运行安全性产生的影响越来越突出。目前针对高速列车横风效应的研究通常假定列车表面光滑,实际上列车表面是非光滑的,边界层内的流动特性有所不同。利用微结构进行非光滑表面设计的新型技术手段可能改善高速列车在横风条件下的气动性能。以在车顶加设矩形条带组的方式,对1∶25比例的列车模型进行局部非光滑设计;采用改进的延迟分离涡模拟(IDDES)方法对横风作用下光滑表面和粗糙表面的列车模型进行气动性能模拟。结果表明,与光滑模型相比,粗糙模型下的侧向力系数和倾覆力矩系数分别降低了3.71%和10.56%。选取条带的宽度、高度和长度为设计变量,基于正交试验设计方法设计不同的数值模拟方案,利用方差分析和极差的方法探索矩形条带几何参数与列车侧向力和倾覆力矩间的关系,给出条带外形设计的优选方案。本研究可为横风作用下如何提升高速列车的气动性能提供理论依据。     

基于M-P雨滴谱的强降雨环境下高速列车雨载荷及气动特性分析

降雨对高速列车的作用力包括气动力和雨滴对列车的冲击力两部分,以往的研究侧重降雨对高速列车气动特性的影响,本文对这两部分都进行了研究:基于Marshall-Palmer雨滴谱,采用Euler-Lagrange方法建立降雨环境下高速列车空气动力学模型,研究降雨对高速列车流场特性及气动力特性的影响;基于能量守恒方法推导雨滴对...     

自由场气动声学相似理论与实验研究

气动声学相似理论为现代叶轮机械气动声学设计提供了分析手段，其相似律包括频率相似准则和源强度相似准则两大类，在叶轮机械中离散噪声和宽频噪声分别源于不同的机理，因而其相似性质也不一样，并且还证明Ｒｅ修正是必需的。实验结果证明了理论分析，二者结合构成了自由场气动声学相似研究的基本框架。     

高速列车进入带缓冲结构隧道的压力变化研究（I）

给出了列车穿越带有缓冲结构的隧道压力变化的三维粘性流场数值模拟过程，控制方程为三维粘性、可压缩、非定常流的N．S方程，空间离散采用了中心有限体积法格式，时间采用预处理二阶精度多步后差分格式进行离散，对列车与隧道之间的相对运动采用移动网格技术处理。对不同的缓冲结构缓解隧道内瞬变压力及压力梯度的作用进行了研究。研究结果表明，缓冲结构的设置能够有效地降低隧道内的压力和压力梯度的最大值，其原因在于缓冲结构延长了压缩波压力上升的时间，降低列车突入隧道时所形成的最大压力梯度；另一方面由于压缩波在缓冲结构和列车、隧道之间多次的反射，也降低了压力峰值。     

气动悬浮列车单向翼翼型优化与地面效应分析

高速气动悬浮列车(Aero-train)是一种利用机翼地面效应原理的创新型高效高速低能耗高速列车。本文以LA203A为基础翼型,利用遗传算法与数值模拟的方法对基础翼型进行气动优化设计。通过对优化翼型的地面效应模拟分析,得出优化后的翼型其气动特性有明显改善,并由此得出气动悬浮列车单向翼离地间隙、迎角与阻力、升力、升阻比之间的关系。利用CFD技术对安装有基础机翼和优化后机翼的气动悬浮列车初始研究模型(AERO-1)整车气动特性进行数值模拟以及分析前后端机翼的流场特性,并利用风洞实验方法对装有优化机翼的气动悬浮列车初始研究模型(AERO-1)气动特性进行研究。利用遗传算法优化后机翼翼型升阻比特性较基础翼型最高提升26%,具备优化机翼的气动悬浮列车(AERO-1)在地面效应下的气动特性优于原始模型。本文研究为机翼地面效应分析以及气动悬浮列车研究提供理论依据。     

气动声学相似理论与试验研究

本文研究了气动声学的一般性相似原理,为气动声学的模型实验研究方法建立理论基础。由此得到了四个关于气动声场相似的相似准则数,导出了适合于流动分析的相似条件。对非定常流动中所产生的脉动力谱进行的相似分析,证实当气动力学完全相似时,以Strouhal数作为无量纲频率参数的脉动力谱函数也完全相似,此时,在几何相似点上测得的声谱在以St数作为频率坐标的频谱图上完全相同。风扇噪声的试验证实了气动声学的相似律。      

多点压力扫描阀测量系统在激波／湍流边界层干扰实验中的应用

多点压力测量是航空气动力研究及高性能流体机械研究中的重要测试手段。利用计算机和多点压力扫描阀系统，可以高效地完成这项任务，并可能在实验中实现数据采集及整个实验过程的自动化。我们利用HP1000/A700计算机-HP2250-测控装置-压力传感器-高速扫描阀组成的测量控制系统，在超音速风洞对激波/湍流边界层干扰产生的流场进行了快速多点压力数据采集，并取得了可靠的结果。本文对测试和校正过程中的程序设计、测试方法和应用经验进行了介绍。     

座舱压力控制技术应用于高速列车车厢的可行性分析

为了解决高速列车穿越隧道或两车交会时引起的压力波动所造成的旅客“耳感不适”,借鉴民机座舱压力控制的成熟经验,提出了解决高速列车车厢压力变化的气动间接式压力控制方案,该方案主要由座舱压力调节器组成。针对气动间接式压力控制方案进行了计算机模拟分析和原理模拟验证试验,结果表明,将座舱压力控制技术用于高速列车车厢的压力控制能够满足设计指标要求;同时本方案具有设备轻巧、调节方便、阻力损失小、维护性及可靠性好等优点,故座舱压力控制技术应用于高速列车是可行的。