高速列車氣動效應研究

楊國偉++趙桂林+郭迪龍++蔣崇文++梅元貴

摘 要：基于由3節車組成的CRH3和CRH-380型高速列車模型，在不同速度條件下，研究車輪旋轉對高速列車及各部分氣動阻力和升力的影響，以及車廂間風擋形式對各車廂和車廂連接處氣動性能的影響。結果表明，車輪旋轉的誘導效應對高速列車模型的全車及各部分氣動阻力影響較小，對尾車、各轉向架氣動升力的影響較大。車廂間風擋形式對車廂的壓差阻力和粘性阻力影響不大。相比于側風擋，上下風擋對升力影響更大。建立適用于高速列車的二維模型的雨載荷計算方法。在降雨和無雨條件下，模型所受橫向力、升力和翻滾力矩均隨橫風風速的增大而增大。相比于無雨條件，降雨時模型所受的總橫向力和翻滾力矩明顯增大，且隨降雨強度的增大相應增大。升力在降雨和無雨時變化不大，且隨降雨強度的增大總升力略有下降。采用非定常數值模擬方法系統研究了復雜外形高速列車的底部流動特性，并針對列車轉向架中的旋轉結構對于底部流動特性的影響進行了對比分析。列車底部結構的氣動阻力是整車氣動阻力的重要組成，列車底部結構的氣動載荷對于整車的氣動載荷具有重要影響。輪對的旋轉效應會對列車氣動載荷的非定常特性產生很大影響。基于替代模擬技術和多目標遺傳算法進行了高速列車頭型多目標有約束氣動外形優化設計的研究，首先采用增量疊加參數化方法對高速列車頭型進行參數化設計，然后以列車氣動阻力和尾車氣動升力為優化目標，得到了Pareto最優解集。基于壓力波的形成機理和初始壓縮波的經驗公式，建立了壓力波的“波疊加”的解析分析方法。研究表明一維流動模型和波疊加法能夠快速得出多參數下的壓力波的平均特性和最不利隧道長度等。三維流動模型能夠得到細致的壓力波形成機理和列車外部壓力的三維特征。波疊加法可作為校驗數值方法的一種理論方法和快速進行大量不同列車與隧道參數的比較性研究工具。endprint