高速列车底部流场数值模拟分析

admin · 发表于 2024-1-14 23:10:51

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随着列车速度的不断提高，由道床表面道砟飞溅和为优化列车底部设备气动阻力等题目引起的高速列车底部空气动力学题目越来越突出，受到人们的广泛重视。本文采用流体分析软件FLUENT，通过数值求解 N-S 方程，从底部流动形态出发，对在有道砟与无道砟路况环境下，列车明线、横风环境下运行的高速列车底部空气动力学特性进行了系统的研究。其中，在无道砟路况下对列车明线及横风环境下单车运行的底部流场所做的数值模拟，控制方程为三维不可压N-S方程，并选用k-wSST湍流模型。计算中，使用一阶迎风方法离散控制方程，采用SIMPLEC格式计算压力场与速度场的耦合。而对有道砟路况下列车明线单车运行的底部流场所做的数值模拟，则采用了多孔介质模型模拟道砟的连通效应。首先，转向架作为列车底部的主要部件之一，必然对底部流动有着重要影响。因此选用两种计算模型对比分析列车在明线单车运行时转向架对底部流动的作用。结果表明，转向架对底部流动有着显著影响。车头与第一个转向架相互干扰形成的车轮之间的涡系结构对道床表面压力分布的影响与道砟的飞溅有着密切联系。另外，转向架及列车尾部的旋涡结构显著增加了列车气动阻力。其次，本文分析了横风环境下列车底部流动特性。结果表明，流动分别在列车背风面下部及上部的边缘发生分离，在有转向架处分离更为严重。横风对底部道床表面压力分布影响很大，其中道床表面负压极值出现在Y=+0.9m附近的纵轴线上，横风还使得背风面的转向架中的流动呈现大涡与小涡的相互作用。再次，实车试验证明道床下道砟中的连通效应对高速列车底部流场有着不可忽视的作用，数值计算中只有充分考虑到道砟的多孔物理属性因素的影响，才能更为真实的模拟高速列车底部流场。因此本文分析了对道砟采用多孔介质模型的高速列车底部流场的特性，并通过和实车试验的对比来修正多孔介质模型参数。研究发现：用多孔介质模型能很好的模拟轨道道砟的连通效应，使得压力幅值接近于实车试验数据，同时对流场的总体趋势没有本质的改变；并通过和实车试验的对比发现，多孔介质参数取量级，更能准确的数值计算高速列车底部流场。最后，本文由以上得到的数值和实车试验结果，从道床表面负压和道砟局部负压梯度分布两种道砟飞溅的机理出发，定量的分析了道砟飞溅的可能性。

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