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基于OpenFOAM的高速列车多相流计算模型的开发和应用

崔阳阳  
【摘要】:随着我国高速铁路的发展,列车的运行速度不断提高,铁路沿线的地理环境越来越复杂,列车运行所面临的问题也越来越多。列车在强侧风、暴风雪等极端恶劣天气条件下行驶时,列车的气动特性与明线相比变化较大,存在脱轨、倾覆等危害列车安全的问题。为使高速列车在各种工况下安全运行,很有必要研究列车在极端恶劣气候天气下运行的气动特性变化规律,及其对列车倾覆临界速度的影响。 本文基于开源的CFD工具OpenFOAM,建立了基于欧拉双流体方法的多相流计算模型,实现了侧风条件下的单相空气流动和降雪条件下的多相流动的数值模拟。对空气相和颗粒相分别求解了不可压N-S方程、浓度方程、标准k-ε湍流两方程。单相流动的数值计算结果与FLUENT的计算结果进行比较,验证了OpenFOAM作为CFD平台的有效性。同时,探讨了OpenFOAM平台中重要的计算参数对计算结果的影响,如边界条件、离散格式、网格质量、高效的曳力模型(GidaspowSchillerNaumann),颗粒相的摩擦应力模型(Schaeffer),以及不同的湍流模型等,有效地提高了数值模拟的计算效率和计算精度。 经过验证的OpenFOAM双流体计算模型被用于研究高速列车在强侧风和暴风雪天气条件下的气动特性。计算了不同天气条件下列车周围流场的压力、速度等的分布情况,研究了恶劣天气状况下列车气动力的变化规律。研究结果表明,在横风天气下,高速列车升力和阻力都随侧风风速的增大而增大,侧向力和升力急剧增大,有可能导致列车失稳甚至倾覆。暴风雪天气下,列车受到的升力减小侧向力和侧滚力矩都相较无降雪工况有显著增加,其原因是密度大的雪粒,在下落过程中对列车产生了一定的作用力。列车侧向力的增大比升力减小的幅值要大,起主导作用,因而在降雪工况下,降雪不仅会影响轨道的通行品质,也会导致列车更易倾覆,尤其是在暴风雪天气下,更应引起足够重视。 为了研究列车气动性能的改变对列车安全运行的影响,本文采用了列车的倾覆力矩模型,通过列车的力矩平衡原理,给出了列车的力矩平衡方程,求解该方程即可得出列车临界安全行车速度与侧风之间的关系式,从而得到列车在侧风和暴风雨条件下安全行驶的倾覆临界速度。临界速度减小代表列车更易倾覆、列车安全行车域更小。研究结果发现,相比仅有侧风的天气情况,暴风雪使列车安全域减小20%~50%。通过对列车在恶劣气候条件下的气动性能计算和限速研究,为列车在恶劣气候下的安全行车提供了一定的参考依据。


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