发布时间：2015-04-02 来源：人大经济论坛

不同风向角和不同风速下高速列车空气动力特性研究_MBA论文 近年来,因侧向风导致的行车安全事故在世界各国时有发生,给人民生命财产造成严重威胁。仅在中国的新疆地区就曾经发生过大风吹翻列车13次,总计翻车79辆的风环境事故。因此,强侧风是影响列车高速运行安全性的重要因素之一。目前在日本、德国、法国以及英国等国家,已开展了多项科研工作,其目的是研究侧风对列车运行状态的影响并提出应对策略。按照我国的铁路发展规划,未来10年内国内将开行上千列时速为200～300km的高速动车组。如果此时列车受到强侧风作用,那么列车出现脱轨、翻车和人员伤亡事故的可能性就会增加。经实测,青藏线的五道梁至安多之间最大风速均大于30m/s,而在安多的最大风速达到38m/s ,年平均大风日数在100天以上,属于强侧风地区。横风作用下列车外部流场的分析目前国内外比较通用的是合成风法，即将列车视为静止，外界自然风速度和列车运行速度的反向进行矢量合成(即合成风)。本文应用FLUENT软件数值模拟方法。采用该方法对车辆在不同横风速度及不同风向角下的气动性能进行了数值模拟计算研究，对高速列车气动力和行车安全性的影响进行分析。在对火车模型简化的基础上（简化成车头、车身、车尾三段），我们把每一段细化成五小段，进行更精细的计算，得到更精细的结果。由于列车的倾覆稳定性和车辆受到的气动升浮力、气动侧向力、气动侧偏力矩及气动侧倾力矩有关。本文对此进行了计算分析。以确保列车高速运行的安全性。 1 物理模型及计算方法 1.1 列车动力学模型普通旅客列车一般由十多辆客车组成，总长度达到几百米以上。由于中间车辆截面形状不变，当气流流过车头一定距离后，绕流边界层的结构已经趋于稳定，车辆气动力变化也趋于稳定，因此，对列车模型进行如下简化:其一是列车长度缩短为三段(头车25米、车身25米和车尾25米)共75米，为了得到细致化的空气动力结果，找到使列车发生危险的精确受力位置。把每一段分成5小段，共15小段，每小段5米。头车和尾车形状相同，列车高度为3.2米，列车宽度为3.2米。；其二是为避免网格过多，去掉列车外部突出物，不考虑受电弓、转向架、门把手等细部特征，将列车简化为光滑曲面构成的几何体；其三是去掉底部结构，使列车底面和地面间形成一个狭缝，用这个狭缝对流场的影响来模拟列车底部结构对流场的影响，通过调整狭缝的间距来获得等效的列车底部流场情况。 1.2 计算区域列车计算区域尺寸列车前部计算区域长度达到125m，列车尾部计算区域长度达到250m。列车上部计算区域高度达到30m，路堤高度为5m,列车底部与路堤之间狭缝为0.2m。列车两侧计算区域宽度都为30m。此时，列车和周围流场基本达到充分发展，计算区域更大时，计算结果改变很小。 1.3 计算网格从列车网格可以看出,由该软件划分出的网格规则、整齐。且网格疏密变化完全符合列车外形的变化规律,用之进行数值计算得出的结果具有相当的准确度。由于离列车越远流场越平稳，远离列车区域的空间网格应该较大，既减少网格数量又不会降低计算的精度，这部分采用非结构化网格。 1.4 数学模型高速列车和外流场中流体简化为黏性、不可压缩、定常、绝热流体，对应的时均方程组包括：连续性方程、动量方程、k方程、e方程，这6个方程和一系列壁面函数就构成了本次模拟计算完整的数学模型。 1.5 边界条件模拟计算中，设定列车是静止不动的，由一个空气来流作用在列车上形成外流场。空气来流的速度是与列车运行速度反向等值的速度与侧风速度的合速度。侧风与火车运行方向之间的风向角α 取0度，15度，30度，45度，60度，75度，90度，105度，120度，135度，150度，165度，180度。如图5。风速分别取10米每秒，20米每秒，30米每秒，40米每秒四种情况。车速为75米每秒（270公里每小时）。