高速交会列车的气动性能及车辆动力学特性研究

【摘要】：高速列车的交会是高速列车快速、安全运行的一个重要空气动力学因素。高速列车交会过程中列车的空气动力学性能及车辆动力学特性的产生机理以及车速、环境风速、路况环境等多种因素对列车的影响规律的研究都对确保高速列车的快速、安全运行有着重要的意义。 本文中基于计算流体力学和计算多体系统动力学理论,分别建立了列车空气动力学模型和列车多体动力学模型,利用计算流体分析软件FLUENT与多体动力学分析软件SIMPACK联合仿真的方法,得到了交会过程中列车的空气动力学性能及车辆动力学响应。针对列车的空气动力学性能着重分析了列车会车过程中列车表面压力分布、不同位置的会车压力波、各节车气动力(矩)；车辆动力学特性主要考虑了列车交会过程中的安全性指标(脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力及轮轨垂向力),列车振动加速度(横向振动加速度、垂向振动加速度)的变化规律。本文针对列车交会问题的研究工作主要包括以下几个方面： 1.无横风环境下,交会过程中高速列车的基本气动性能及车辆动力学特性,以及各响应指标与车速之间的关系。 2.无横风环境下,分析了不同的线路环境(平地、路堤及桥梁)对高速交会列车的气动性能及车辆动力学特性的影响,得到线路环境对交会列车的气动性能及车辆动力学特性的影响很小。 3.针对线间距问题,分析验证了在现行5.0m线间距值以车速350km/h和380km/h交会的合适性,并提出了在更高车速400km/h、420km/h及450km/h下的线间距建议值。 4.在超高车速450km/h下列车等速交会力学性能与列车的线间距及流线型长度之间的关系,得到在现行线间距值5.0m下以速度450km/h正常运行的合适流线型长度。 5.不同速度等级的指数风,作用在不同的线路环境(平地、路堤及桥梁)上的风场分布方式,得到了平地、路堤及桥梁上监测位置处风速与入口风之间的关系。另外,考虑到了常值风加载及路面的摩擦系数。 6.横风环境下,高速列车在不同线路(平地、路堤及桥梁)上的交会的气动性能及车辆动力学特性,考虑了风向角、风速、车速等因素的影响。 7.对比分析了横风环境下背风车与迎风车的气动性能指标及车辆动力学响应,得到均是背风车性能较差。针对背风车的安全性响应,研究了在不同线路上的安全域,得到路堤上安全性最差,桥梁上次之,平地上相对较好。