不同侧风作用下动车组列车气动特性及安全性分析

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随着列车速度的不断提高,风成为了影响动车组列车运行安全的复杂环境因素之一。动车组列车在大风环境下的运行是空气动力学和列车多体动力学耦合的过程,并且随着风速的增加和列车速度的提高,这些动力学响应越来越大。特别是在侧风作用下,影响列车的正常运行,甚至会发生脱轨等危害乘客生命安全的严重事故。在我国沿海地区的强台风和边疆地区的风都曾有严重危及列车运行安全的事故案例。因此,为了对在侧风作用下的动车组列车进行深入研究,本文以CRH2C型动车组列车为研究对象,建立了列车CFD(计算流体动力学)模型和列车MBSD(多体系统动力学)模型,对侧风作用下动车组列车不同工况下空气动力学和列车多体动力学进行了分析,主要工作如下:(1)对列车的空气动力学的研究开展理论分析,建立头车-中间车-尾车的动车组列车CFD模型;选用有限体积法作为CFD数值计算方法,采用SSTk-ω模型进行湍流模拟。深入研究了动车组列车在无风作用和侧风作用下的空气动力学特性,并对阵风作用下动车组列车开展了深入研究。研究结果表明:无风情况下列车表面压力和周围流场对称,最大正压和最大负压分别出现在头车鼻尖和头车的从车头向车身过渡的顶部。侧风情况下三节车大部分横截面迎风侧压力比逆风侧大,并且压力和速度关系遵循伯努利原理。阵风作用对列车表面压力和周围流场的变化显著,且阵风消失后气动特性不会瞬间回到无风状态。(2)分析列车在不同工况下气动载荷的情况,通过ICEM软件在各节车的平直车身表面设置监控面的方式,利用FLUENT检测风压,进行计算,对侧风和阵风作用下不同列车速度、侧风速度和风向角度下的气动力与气动力矩进行分析。研究结果表明:气动载荷在侧风作用的影响下,均有明显的增加,其气动安全性:头车<尾车<中间车。列车速度越高、侧风速度越大对于气动载荷的增幅越大,且列车在90°风向角的情况下,侧风对列车的空气动力学响应最强。(3)对列车多体动力学的理论进行了研究,建立列车MBSD模型,设置轮轨接触几何关系,选择实测轨道谱,并将CFD模型计算得到的列车气动载荷施加到列车上,得出运行安全性评定指标在不同工况下的变化趋势,并计算了列车运行安全域。研究结果表明:头车在三节车中运行安全性最低。在不同工况下,列车速度越高、侧风速度越大,列车的运行安全性越差,在侧风速度过高时,需要进行速度限制。
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