横风下高温超导磁浮列车的气动特性及安全性研究

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对速度的追求是时代发展的主题之一,在轨道交通领域内更是如此。随着运行速度的提高,传统的轮轨列车会受到弓网极限速度和轮轨粘着等问题的制约,难以在速度上实现显著的突破。与传统轮轨列车不同,高温超导磁浮列车利用其特有的钉扎特性以非接触的方式实现其悬浮与导向功能,结合直线电机驱动,可以避免轮轨黏着和弓网极限速度等问题,在高速以及超高速应用上具有巨大潜力。然而,在明线环境下运行的高温超导磁浮列车也不可避免的会受到横风作用,使得列车的气动性能极度恶化,严重影响着列车的运行安全性。因此,需要对横风下高温超导磁浮列车的气动特性及安全性进行相关研究,以便为高温超导磁浮列车工程化应用提供参考依据。首先,本文以高温超导磁浮工程化样车为研究对象,基于三维、定常、可压的雷诺平均N-S方程以及SST k-ω两方程的湍流模型,利用STAR-CCM+建立了高温超导磁浮列车的流体仿真模型,并通过网格独立性研究以及ICE2的风洞试验数据开展了网格独立性验证和数值方法验证。结果表明:采用中等网格尺寸所得的结果具有良好的计算精度更适合开展仿真计算;将ICE2缩比模型仿真结果与风洞试验数据的压力系数及各项气动力系数进行对比,发现两者误差较小,间接说明本文的数值方法具有合理性。其次,通过流体仿真软件STAR-CCM+研究了横风环境下高温超导磁浮列车的气动特性。通过数值模拟方法分别探究了不同风向角(0°、45°、90°、135°、180°)、不同运行速度下(400 km/h、450 km/h、500 km/h、550 km/h、600 km/h)、不同横风速度(0 m/s、10.7 m/s、13.8 m/s、17.1 m/s、20.7 m/s)对高温超导磁浮列车气动特性的影响。结果表明:各项气动载荷除了气动阻力外均随风向角增大呈现先增大后减小的变化,而随横风速度增加而增大,但运行速度的增加会使得各项气动载荷均增大。最后,通过动力学仿真软件UM,将流体仿真中所得到的气动荷载加载到各节车的气动荷载简化中心,建立了横风下高温超导磁浮列车的动力学模型。通过数值模拟方法分别探究了不同风向角(0°、45°、90°、135°、180°)、不同运行速度下(400km/h、450 km/h、500 km/h、550 km/h、600 km/h)、不同横风速度(0 m/s、10.7 m/s、13.8 m/s、17.1 m/s、20.7 m/s)对高温超导磁浮列车的安全性影响。结果表明:磁浮列车在风向角为90°时的安全性最差,并且随横风速度和运行速度增大会使得各节车的安全性逐渐变差。
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